В термодинамике термодинамическое состояние системы — это ее состояние в определенное время; то есть полностью идентифицированное значениями подходящего набора параметров, известных как переменные состояния , параметры состояния или термодинамические переменные. Как только такой набор значений термодинамических переменных указан для системы, значения всех термодинамических свойств системы определяются однозначно. Обычно по умолчанию термодинамическое состояние принимается за состояние термодинамического равновесия . Это означает, что состояние — это не просто состояние системы в определенное время, но и то, что это состояние является тем же самым, неизменным, в течение неопределенно длительного периода времени.
Когда система переходит из одного состояния в другое, говорят, что она проходит путь. Путь можно описать тем, как изменяются свойства, например, изотермические (постоянная температура) или изобарические (постоянное давление) пути.
Термодинамика устанавливает идеализированную концептуальную структуру, которая может быть обобщена формальной схемой определений и постулатов. Термодинамические состояния относятся к фундаментальным или примитивным объектам или понятиям схемы, для которых их существование является первичным и окончательным, а не выведенным или сконструированным из других концепций. [1] [2] [3]
Термодинамическая система — это не просто физическая система . [4] Скорее, в общем, бесконечно много различных альтернативных физических систем составляют данную термодинамическую систему, потому что в общем случае физическая система имеет гораздо больше микроскопических характеристик, чем упомянуто в термодинамическом описании. Термодинамическая система — это макроскопический объект , микроскопические детали которого явно не рассматриваются в его термодинамическом описании. Количество переменных состояния, необходимых для определения термодинамического состояния, зависит от системы и не всегда известно заранее до эксперимента; обычно оно находится из экспериментальных данных. Это количество всегда равно двум или более; обычно оно не превышает нескольких десятков. Хотя количество переменных состояния фиксируется экспериментом, остается выбор, какую из них использовать для конкретного удобного описания; данная термодинамическая система может быть альтернативно идентифицирована несколькими различными выборами набора переменных состояния. Выбор обычно делается на основе стенок и окружения, которые имеют отношение к термодинамическим процессам , которые должны рассматриваться для системы. Например, если предполагается рассмотреть теплопередачу для системы, то стенка системы должна быть проницаемой для тепла, и эта стенка должна соединять систему с телом в окружающей среде, которое имеет определенную неизменную во времени температуру. [5] [6]
Для равновесной термодинамики, в термодинамическом состоянии системы, ее содержимое находится во внутреннем термодинамическом равновесии, с нулевыми потоками всех величин, как внутренних, так и между системой и окружающей средой. Для Планка, основной характеристикой термодинамического состояния системы, которая состоит из одной фазы , при отсутствии внешнего силового поля, является пространственная однородность. [7] Для неравновесной термодинамики , подходящий набор идентифицирующих переменных состояния включает некоторые макроскопические переменные, например, ненулевой пространственный градиент температуры, которые указывают на отклонение от термодинамического равновесия. Такие неравновесные идентифицирующие переменные состояния указывают, что некоторый ненулевой поток может происходить внутри системы или между системой и окружающей средой. [8]
Термодинамическая система может быть идентифицирована или описана различными способами. Наиболее прямолинейно ее можно идентифицировать с помощью подходящего набора переменных состояния. Менее прямолинейно ее можно описать с помощью подходящего набора величин, включающего переменные состояния и функции состояния.
Первичная или первоначальная идентификация термодинамического состояния тела материи осуществляется посредством непосредственно измеряемых обычных физических величин. Для некоторых простых целей, для данного тела с данным химическим составом, достаточным набором таких величин является «объем и давление».
Помимо непосредственно измеряемых обычных физических переменных, которые изначально идентифицируют термодинамическое состояние системы, система характеризуется дополнительными величинами, называемыми функциями состояния , которые также называются переменными состояния, термодинамическими переменными, величинами состояния или функциями состояния. Они однозначно определяются термодинамическим состоянием, поскольку оно было идентифицировано исходными переменными состояния. Существует много таких функций состояния. Примерами являются внутренняя энергия , энтальпия , свободная энергия Гельмгольца , свободная энергия Гиббса , термодинамическая температура и энтропия . Для данного тела с данным химическим составом, когда его термодинамическое состояние полностью определено его давлением и объемом, его температура определяется однозначно. Термодинамическая температура является специфически термодинамическим понятием, в то время как исходные непосредственно измеряемые переменные состояния определяются обычными физическими измерениями, без ссылки на термодинамические концепции; по этой причине полезно рассматривать термодинамическую температуру как функцию состояния.
Переход от заданного начального термодинамического состояния к заданному конечному термодинамическому состоянию термодинамической системы называется термодинамическим процессом; обычно это передача материи или энергии между системой и окружающей средой. В любом термодинамическом процессе, какими бы ни были промежуточные условия во время перехода, общее соответствующее изменение значения каждой переменной термодинамического состояния зависит только от начального и конечного состояний. Для идеализированного непрерывного или квазистатического процесса это означает, что бесконечно малые приращения таких переменных являются точными дифференциалами . Вместе приращения изменений на протяжении всего процесса, а также начальное и конечное состояния полностью определяют идеализированный процесс.
В наиболее часто цитируемом простом примере, идеальном газе , термодинамическими переменными будут любые три переменные из следующих четырех: количество вещества , давление , температура и объем . Таким образом, термодинамическое состояние будет охватывать трехмерное пространство состояний. Оставшаяся переменная, а также другие величины, такие как внутренняя энергия и энтропия , будут выражены как функции состояния этих трех переменных. Функции состояния удовлетворяют определенным универсальным ограничениям, выраженным в законах термодинамики , и они зависят от особенностей материалов, из которых состоит конкретная система.
Для моделирования переходов между термодинамическими состояниями были разработаны различные термодинамические диаграммы .
Физические системы, встречающиеся в природе, практически всегда динамичны и сложны, но во многих случаях макроскопические физические системы поддаются описанию на основе близости к идеальным условиям. Одним из таких идеальных условий является состояние устойчивого равновесия. Такое состояние является примитивным объектом классической или равновесной термодинамики, в которой оно называется термодинамическим состоянием. Основываясь на многих наблюдениях, термодинамика постулирует, что все системы, которые изолированы от внешней среды, будут развиваться таким образом, чтобы приближаться к уникальным устойчивым состояниям равновесия. Существует ряд различных типов равновесия, соответствующих различным физическим переменным, и система достигает термодинамического равновесия, когда условия всех соответствующих типов равновесия одновременно выполняются. Ниже перечислены несколько различных типов равновесия.