В термодинамике термодинамическое состояние системы — это ее состояние в определенный момент времени; то есть полностью идентифицируются значениями подходящего набора параметров, известных как переменные состояния , параметры состояния или термодинамические переменные. Если для системы задан такой набор значений термодинамических переменных, значения всех термодинамических свойств системы определяются однозначно. Обычно по умолчанию за термодинамическое состояние принимается состояние термодинамического равновесия . Это означает, что состояние — это не просто состояние системы в определенный момент времени, но то же самое, неизменное в течение неопределенно длительного периода времени.
Когда система переходит из одного состояния в другое, говорят, что она проходит определенный путь. Путь можно описать тем, как изменяются свойства, например, изотермический (постоянная температура) или изобарический (постоянное давление) пути.
Термодинамика устанавливает идеализированную концептуальную структуру, которую можно резюмировать формальной схемой определений и постулатов. Термодинамические состояния относятся к числу фундаментальных или примитивных объектов или понятий схемы, для которых их существование является первичным и определяющим, а не выводится или конструируется из других концепций. [1] [2] [3]
Термодинамическая система – это не просто физическая система . [4] Скорее всего, бесконечно много различных альтернативных физических систем составляют данную термодинамическую систему, потому что в целом физическая система имеет гораздо больше микроскопических характеристик, чем упоминается в термодинамическом описании. Термодинамическая система — макроскопический объект , микроскопические детали которого не рассматриваются явно в его термодинамическом описании. Количество переменных состояния, необходимых для определения термодинамического состояния, зависит от системы и не всегда известно заранее; обычно это обнаруживается на основе экспериментальных данных. Число всегда два или более; обычно это не более нескольких десятков. Хотя число переменных состояния фиксируется экспериментально, остается выбор, какую из них использовать для того или иного удобного описания; данную термодинамическую систему можно альтернативно идентифицировать с помощью нескольких различных вариантов выбора набора переменных состояния. Выбор обычно делается на основе стен и окружения, которые имеют отношение к термодинамическим процессам , которые необходимо учитывать в системе. Например, если предполагается учитывать теплообмен в системе, то стенка системы должна быть теплопроницаемой, и эта стена должна соединять систему с телом в окружающей среде, которое имеет определенную, не зависящую от времени температуру. . [5] [6]
Для равновесной термодинамики в термодинамическом состоянии системы ее содержимое находится во внутреннем термодинамическом равновесии, с нулевыми потоками всех величин как внутри, так и между системой и окружающей средой. Для Планка основной характеристикой термодинамического состояния системы, состоящей из одной фазы , в отсутствие внешнего силового поля, является пространственная однородность. [7] Для неравновесной термодинамики подходящий набор идентифицирующих переменных состояния включает в себя некоторые макроскопические переменные, например, ненулевой пространственный градиент температуры, которые указывают на отклонение от термодинамического равновесия. Такие переменные состояния, определяющие неравновесие, указывают на то, что внутри системы или между системой и окружающей средой может возникать некоторый ненулевой поток. [8]
Термодинамическую систему можно идентифицировать или описать различными способами. Наиболее непосредственно его можно идентифицировать по подходящему набору переменных состояния. Менее непосредственно его можно описать подходящим набором величин, включающим переменные состояния и функции состояния.
Первичная или первоначальная идентификация термодинамического состояния тела материи осуществляется с помощью непосредственно измеримых обычных физических величин. Для некоторых простых целей для данного тела данного химического состава достаточным набором таких величин являются «объем и давление».
Помимо непосредственно измеримых обычных физических переменных, которые первоначально определяют 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. Таких государственных функций много. Примерами являются внутренняя энергия , энтальпия , свободная энергия Гельмгольца , свободная энергия Гиббса , термодинамическая температура и энтропия . Для данного тела данного химического строения, когда его термодинамическое состояние полностью определяется его давлением и объемом, тогда его температура определяется однозначно. Термодинамическая температура является специфическим термодинамическим понятием, в то время как исходные непосредственно измеряемые переменные состояния определяются посредством обычных физических измерений без ссылки на термодинамические концепции; по этой причине полезно рассматривать термодинамическую температуру как функцию состояния.
Переход от заданного исходного 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 его прохождения, 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 постепенные изменения на протяжении всего процесса, а также начальное и конечное состояния полностью определяют идеализированный процесс.
В наиболее часто цитируемом простом примере идеального газа термодинамическими переменными будут любые три переменные из следующих четырех: количество вещества , давление , температура и объем . Таким образом, термодинамическое состояние будет располагаться в трехмерном пространстве состояний. Оставшаяся переменная, а также другие величины, такие как внутренняя энергия и энтропия , будут выражаться как функции состояния этих трех переменных. Функции состояния удовлетворяют определенным универсальным ограничениям, выраженным в законах термодинамики , и зависят от особенностей материалов, составляющих конкретную систему.
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 состояниям. 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, изолированные от внешней среды, будут развиваться так, чтобы приблизиться к уникальным устойчивым состояниям равновесия. Существует ряд различных типов равновесия, соответствующих различным физическим переменным, и система достигает термодинамического равновесия, когда одновременно выполняются условия всех соответствующих типов равновесия. Ниже перечислены несколько различных типов равновесия.