§51 Термодинамічна система. Параметри стану системи. Рівноважні та нерівноважні стани. Термодинамічний процес. Квазистатичний процес [4]

1. Термодинамічною системою називається сукупність макроскопічних тіл, які можуть обмінюватися енергією між собою та зовнішнім середовищем (тобто з іншими тілами). Прикладом може служити рідина і пара, що контактує з нею. Система може складатись і з одного макроскопічного тіла.

Термодинамічна система може перебувати у різних станах, які відрізняються температурою, тиском, об'ємом, густиною й так далі. Подібні величини, що характеризують стан системи як єдиного цілого, називаються  параметрами стану.

Параметри стану не завжди мають певні значення. Наприклад, у тіла, що підігрівається з однієї сторони й охолоджується з іншої, температура в різних точках буде різною і йому, як цілому, не можна приписати певне значення температури. Стан, у якому хоча б один із параметрів не має певного значення, називається нерівноважним.

Стан термодинамічної системи називають рівноважним, коли всі параметри стану мають певні значення, які не змінюються із часом.

Термодинамічні системи, які не обмінюються із зовнішнім середовищем ні енергією, ні речовиною, називаються ізольованими (або замкненими).

2. Термодинамічним процесом називається перехід системи з одного стану в інший. Такий перехід завжди пов'язаний з порушенням рівноваги системи. Наприклад, розглянемо рух поршня, який приводить до зменшення об'єму газу у посудині. При цьому газ буде стискуватися й у першу чергу підвищиться тиск газу поблизу поршня – рівновага буде порушена. Порушення рівноваги буде тим більшим, чим швидше буде переміщуватись поршень. Якщо рухати поршень дуже повільно, то рівновага порушується незначно й тиск у різних точках мало відрізняється від рівноважного значення, яке відповідає цьому об'єму газу. У разі нескінченно повільного стискання тиск газу в різних точках посудини буде мати в кожний момент часу однакове значення. Отже, стан газу весь час буде рівноважним. Таким чином, нескінченно повільний процес можна розглядати як такий, що складається з послідовності рівноважних станів. Такий процес називається  рівноважним або квазистатичним.

Нескінченно повільний процес є абстракцією. Практично можна вважати процес квазистатичним, коли він протікає настільки повільно, що відхиленнями значень параметрів від рівноважних можна знехтувати.

Квазистатичні процеси мають важливу властивість – вони є оборотними. Це означає, по-перше, що система може перейти в зворотному напрямку через ті самі стани, що й у прямому процесі, й повернутись у вихідний стан, й по-друге, для того щоб процес пішов у зворотному напрямку, достатньо невеликої (в граничному випадку – нескінченно малої) зміни зовнішніх умов.

Якщо вздовж координатних осей відкладати значення будь-яких двох параметрів (наприклад,  і  або  й  і т.д.), то рівноважний стан системи можна зобразити точкою на координатній площині, а оборотний процес – суцільною лінією. Нерівноважні стани й процеси так зображати не можна, тому що в таких процесах параметри системи не мають певного значення. Необоротні процеси, що протікають між двома рівноважними станами, ми будемо умовно зображувати штриховими лініями.

Процес, при якому система після ряду змін вертається у вихідний стан, називається круговим процесом або циклом. Круговий цикл зображується на координатній площині замкненою кривою.