Закони термодинаміки

Робота і теплота.

Робота, яку виконує система, обумовлена взаємодією між системою і зовнішнім середовищем, внаслідок чого долаються зовнішні сили, які порушили механічну рівновагу в системі. Величина роботи є сума добутків сил, що діють на систему, на шлях. Наприклад: тиск на зміну об’єму, поверхневий натяг на зміну поверхні і. т. і. В термодинаміці розглядають переважно роботу, пов’язану з подоланням сили зовнішнього тиску.

Розглянемо газ при тиску р, який отримує тепло від оточуючого середовища (рис. 2). Газ розширюється і робить роботу з переміщення поршня з площею S вгору на величину dx. Робота, яка при цьому виконується, буде виконана dA = p ∙ S ∙ dx = p ∙ dv.

Рис. 2.1. Застосування І закону термодинаміки до розширення газу.

Тоді для елементарного процесу, протягом якого зовнішній тиск не змінюється, можна записати:

dA = pdv, (2.1)

де А – робота, яку виконує система, р – тиск, v – об’єм.

Вважатимемо, що робота, яку виконує система, додатна (розширення газу, пароутворення, дисоціація). Робота, яка виконується над системою, – від’ємна (стискання газу).

Теплота, яка виділяється або поглинається системою, обумовлена порушенням термічної рівноваги між системою і зовнішнім середовищем. Умовимося вважати теплоту, яку система поглинає, додатною, яку виділяє – від’ємною. Відповідно, ці процеси є ендотермічними і екзотермічними. Теплота екзотермічного процесу від’ємна, ендотермічного – додатна.

Закони термодинаміки

В основі термодинаміки лежить декілька емпіричних законів, які встановлюють зв'язок між теплотою і роботою. Математична обробка цих законів дає ряд корисних рівнянь, характерною особливістю яких є те, що при їх виводі не робиться жодних припущень що до механізму процесів, які відбуваються, і що до природи речовин, які беруть участь у цих процесах. Тому термодинаміка дає досить загальний і могутній метод вирішення різних задач. При використанні термодинаміки у фізичному металознавстві вона в першу чергу дозволяє визначити, чи знаходиться дана система у рівновазі, тобто чи при даних зовнішніх параметрах (температурі, тиску) і даних внутрішніх параметрах (концентрації компонентів у сплаві) вона нескінченний час залишатиметься незмінною – тобто склад фаз і їх кількість залишатимуться незмінними, чи буде протікати реакція, що приводить до появи нових фаз або зміни їх якісного складу, тобто буде йти фазове перетворення. Ця важлива інформація є лише першим етапом, оскільки відповіді на питання про швидкість перетворення (кінетику реакції) та його механізм термодинаміка не дає.