Warto przeczytać

Układem termodynamicznym nazywamy pewną wyróżnioną część przestrzeni zawierającą substancje, podlegające procesom termodynamicznym. Wszystko, co nie należy do układu nazywamy jego otoczeniem, a układ od otoczenia oddziela granica układu. Granica czasem ma postać materialną, jak na przykład ścianki naczynia, w którym znajduje się ciecz lub gaz podlegający przemianom. Może mieć też znaczenie abstrakcyjne – po prostu wydzielamy myślowo z całej przestrzeni jej część, w której przebiega interesujące nas zjawisko (Rys. 1.).

R1dGBJrkv12u4

Rys. 1. Rysunek poglądowy przedstawia graficzną ilustrację treści. Przedstawiony jest w centrum układ termodynamiczny, jego granice i występujące poza granicami otoczenie.

Układ termodynamiczny może być otwarty, zamknięty lub izolowany.

Układ termodynamiczny otwarty to układ, który może wymieniać z otoczeniem materię oraz energię. Przykładem może być woda w szklance (Rys. 2.), której masa może się zmniejszyć przez parowanie albo zwiększyć, jeśli dolejemy nieco wody albo przez kondensację pary wodnej z otoczenia.

Rwsn5iG5q1H8N

Rys. 2. Ilustracja poglądowa przedstawia szklankę z wodą z wibrującymi kropelkami. Jest to przykład układu termodynamicznego otwartego.

Układ termodynamiczny zamknięty to układ, który może wymieniać z otoczeniem energię, ale nie wymienia materii. Jeśli umieścimy wodę w butelce (Rys. 3.) i zakręcimy ją, to otrzymamy układ zamknięty. Woda może pobierać lub oddawać do otoczenia ciepło i zmieniać swoją temperaturę, ale jej ilość, a więc masa - jest stała.

RzqyNB6OGNbVy

Rys. 3. Zdjęcie poglądowe przedstawia plastikową, zamkniętą korkiem, butelkę z wodą.

Układ termodynamiczny izolowany to układ, który nie może wymieniać z otoczeniem ani materii, ani energii. Termos z kawą (Rys. 4.) to układ izolowany, jeśli oczywiście założymy, że izolacja termiczna termosu jest idealna. W praktyce wiemy, że temperatura kawy w termosie powoli maleje. W naszych rozważaniach przyjmujemy, że granica układu ma idealną izolację i nie ma wymiany energii (np. cieplnej) z otoczeniem.

RaYaj6ziR8ect

Rys. 4. Zdjęcie poglądowe przedstawia termos.

Rys. 5. pokazuje symbolicznie trzy rodzaje układów termodynamicznych.

R2C8IcjkPjpel

Rys. 5. Rysunek poglądowy przedstawia symbolicznie trzy układy termodynamiczne jako nieco spłaszczone kółko ograniczony grubą krzywą. Na zewnątrz każdego kółka napisane jest słowo „otoczenie”.
W pierwszym kółku w środku jest napis - układ otwarty. Wymianę materii i energii z otoczeniem obrazują dwie proste strzałki położone na granicy otoczenia i układu z grotami w dwóch kierunkach obrazującymi wymianę energii i materii układu termodynamicznego z otoczeniem.
Rysunek drugi przedstawia kółko z napisem w środku „układ zamknięty”. W środku jest również napis „ materia” i strzałka zakręcona obrazująca zamknięcie materii wewnątrz. Na granicy z otoczeniem jest druga strzałka - prosta‑z dwoma grotami, obrazująca przepływ energii pomiędzy układem a otoczeniem. Napis przy niej jest „energia”.
Na rysunku trzecim w kółku obrazującym układ termodynamiczny jest napis” układ izolowany” oraz dwa napisy "energia i materia” oraz dwie zakręcone strzałki, które symbolicznie pokazują, że nie ma wymiany energii i materii z otoczeniem.

Stan układu termodynamicznego substancji określają parametry, takie jak: temperatura, objętość i ciśnienie. Istnieje minimalny zestaw parametrów niezależnych, określających stan układu. Pozostałe parametry są funkcjami parametrów niezależnych. Przykładem jest gaz doskonały w układzie zamkniętym (a więc mamy ustaloną jego ilość), który jest opisywany jednoznacznie przez dowolne dwa z trzech parametrów, takich jak: ciśnienie $p$, temperatura $T$ i objętość $V$. Są one związane ze sobą równaniem stanu gazurównanie stanu gazurównaniem stanu gazu

gdzie $n$ to liczba moli, a $R=8,31J/(mol\cdot K)$ to tzw. uniwersalna stała gazowa. Więcej w e‑materiale „Równanie stanu gazurównanie stanu gazuRównanie stanu gazu doskonałego”.

Parametry układu mogą być zależne od wielkości układu. Nazywamy je parametrami ekstensywnymi. Są to np. objętość, masa, liczba moli, energia wewnętrznaenergia wewnętrzna układuenergia wewnętrzna.

Parametry niezależne od wielkości układu to parametry intensywne. Mogą one mieć różne wartości w różnych częściach układu. Do parametrów intensywnych należą: temperatura, ciśnienie, gęstość itp. (Rys. 6.).

R1F3Q6JnQMyq0

Rys. 6. Zdjęcie poglądowe przedstawia fragment plaży z piaskiem i stopę dziecka obok wiaderka napełnionego wodą.

Słowniczek