Термодинамическая система. 
Термодинамика

«Термодинамическая система — тело (совокупность тел), способное (способных) обмениваться с другими телами (между собой) энергией и (или) веществом» [2].

Иногда термодинамической системой называют количество вещества или область пространства, выбранную для исследования, способную взаимодействовать с окружающей средой, обмениваясь веществом и энергией. Данное понятие имеет в термодинамике такое же значение, какое понятие «тело» имеет в механике.

Вещество или область вне термодинамической системы называется ее окружением. Реальная или воображаемая поверхность между системой и окружением — граница системы. Граница системы может быть подвижной или неподвижной (жесткой). Граница — идеализация, она имеет нулевую толщину, нулевой объем, граничит как с термодинамической системой, так и с ее окружением.

Системы бывают открытые или закрытые. Открытая система может обмениваться веществом с окружающей средой, закрытая — нет. При этом и открытая и закрытая системы могут обмениваться энергией с окружающей средой (рис. 1.2, 1.3).

Рис. 1.2. Пример закрытой системы Рис. 1.3. Пример открытой системы Если закрытая система не может обмениваться энергией с окружающей средой, то система является изолированной. Цилиндр под поршнем — пример закрытой системы, стенки цилиндра и поршень — окружение.

Следует иметь в виду, что иногда есть возможность перейти от открытой системы к закрытой и наоборот. В качестве примера рассмотрим элемент массы в движущемся потоке. Этот элемент массы можно считать закрытой системой и рассматривать его движение по каналу как движение закрытой системы. Другой способ (более простой и удобный) предполагает выбор фиксированного участка канала и анализ процесса течения газа или жидкости через этот участок. Очевидно, что в этом случае мы имеем дело с открытой системой.

Контрольный объем — область пространства, которая используется для анализа потоков массы (в частности, в компрессорах, турбинах, насосах). Для изучения потока удобно выбрать некоторую область в устройстве, при этом потоки массы и энергии могут пересекать границы контрольного объема. Четких рекомендаций по выбору границ контрольного объема не существует, все решают вопросы удобства анализа.

Границы контрольного объема называют контрольной поверхностью (рис. 1.4). Примеры: сопло, поршень с впускным клапаном, компрессор.

Рис. 1.4. К понятию контрольной поверхности.

Контрольный объем может иметь неподвижные (фиксированные) или подвижные границы. Как правило, исследуется контрольный объем с неподвижными границами.

По сути дела, понятия «контрольный объем» и «термодинамическая система» эквивалентны, а границы термодинамической системы совпадают с контрольной поверхностью. В термодинамике часто рассматриваются два способа изменения энергии системы — посредством теплообмена и путем совершения работы. На практике не всегда просто отличить один способ от другого. На рис. 1.5 приведен пример процесса, в котором химическая энергия аккумулятора преобразуется в тепловую и используется для нагрева воды в емкости. Термодинамическая система, которая включает только аккумулятор, совершает работу, а система, которая включает аккумулятор и нагреватель, взаимодействует со средой посредством теплообмена. Для того чтобы отличить работу от теплообмена, нужно ответить на вопрос: что изменится, если термодинамическую систему теплоизолировать? Если процесс прекратится, значит, имеет место теплообмен; если процесс продолжится, система совершает работу.

Для обозначения турбины, насоса и компрессора на схеме часто используют изображения, приведенные на рис. 1.6.

Как уже отмечалось выше, вещество состоит из атомов и молекул. Тем не менее во многих случаях удобно игнорировать существование частиц и рассматривать вещество как однородное, протяженное, без разрывов, т. е. как континуум (сплошную среду). Такая идеализация позволяет рассматривать свойства вещества как функции точки, т. е. полагать, что его свойства меняются непрерывно, без разрывов от точки к точке. Однако эта идеализация справедлива до тех пор, пока размеры системы существенно превышают расстояние между молекулами. Диаметр молекулы 0₂ приблизительно равен 310^_10м (ЗА), масса — примерно 5,3* Ю^-26 кг. Средний путь, который проходит молекула кислорода между двумя столкновениями при давлении 1 бар и температуре 293 К, равен 6,3* 10^-8 м (630А), что составляет около 200 диаметров молекулы 0₂.

Рис. 1.5. Преобразование химической энергии в тепловую.

Рис. 1.6. Турбина (а), компрессор (б), насос (в) Модель континуума справедлива до тех пор, пока характерный размер системы (длина, ширина, высота, диаметр) существенно больше среднего пути между столкновениями молекул. При очень низком давлении (вакуум) средний путь между столкновениями становится большим (0,1 м на высоте 100 км). В этом случае в расчетах используется специальная модель разреженных газов.