ТЕОРИЯ сварочных процессов

Понятие о термодинамической системе

Физическая химия изучает химические процессы физическими методами. Одним из ее разделов является химическая термодина­мика, которая рассматривает законы развития химических и физи­ческих процессов с позиций термодинамики - общей науки об из­менениях и переходах энергии. В ее основе лежат главным обра­зом два закона, известные из курса физики: первый закон термо­динамики, представляющий собой закон сохранения материи и энергии, сформулированный М. В. Ломоносовым в 1756 г., и вто­рой закон термодинамики, позволяющий судить о возможности самопроизвольного развития процессов в данных физических ус­ловиях. Не ограничиваясь общими феноменологическими уравне­ниями термодинамики, химическая термодинамика дополняет их квантово-механическим учением о строении вещества, привлекает статистический метод и этим значительно расширяет возможности исследования сложных материальных систем.

Объектом изучения в термодинамике является термодинамиче­ская система, т. е. комплекс физических тел, находящихся во взаимодействии между собой и с окружающей средой, мысленно обособленный от окружающей среды. В частности химические реакции, представляющие собой превращения одних веществ в другие, отличные от исходных по химическому составу и строе­нию, можно рассматривать как процессы, в которых участвуют исходные вещества и продукты реакций, составляющие термоди­намическую систему.

По характеру взаимодействия с окружающей средой, т. е. об­мена с ней массой и энергией, различают несколько видов термо­динамических систем. Изолированной системой называется тер­модинамическая система, у которой запрещен обмен энергией и массой с окружающей средой: = const; ^Л/ = const. У замк­

нутой системы разрешен обмен энергией с окружающей средой, но массообмен запрещен: Е * const; = const. Незамкнутые

системы обмениваются со средой энергией и массой: Ф const;

const. Их изучают в термодинамике неравновесных процес­сов. Зона сваривания является примером незамкнутой системы.

По своему строению термодинамические системы могут быть гомогенными, если нет границ раздела между отдельными их час­тями (газовые смеси, растворы), или гетерогенными, если сущест­вуют границы раздела между отдельными частями системы (фаза­ми), которые отличаются друг от друга химическим составом или физическими свойствами, обусловленными их строением (твердое тело, жидкость, пар).

Фазой называется часть гетерогенной системы, отделенная физической границей раздела, т. е. границей резкого изменения свойств. Так как всякая граница раздела обладает запасом свобод­ной энергии, то в высоко дисперсных системах свойства поверх­ностей раздела будут влиять на состояние системы и даже доми­нировать над объемными свойствами. Так, при высокой степени дробления твердых или жидких фаз изменяются их температуры плавления, температуры кипения. Высокодисперсные системы мо­гут создавать метастабильные системы - коллоидные растворы и аэрозоли. К таким системам общие термодинамические законо­мерности уже не применимы.

Совокупность всех свойств термодинамической системы опре­деляет ее состояние. Термодинамические свойства системы опи­сываются характеристическими функциями или их производными. К ним относятся внутренняя энергия, энтальпия, энтропия и тер­модинамические потенциалы. Любая физическая величина, влияющая на состояние системы - объем V, давление р, темпера­тура Т, - носит название термодинамического параметра или па­раметра состояния. Для наиболее простой системы - идеального газа - можно ограничиться двумя параметрами состояния: Тир, так как молярный объем V определяется из уравнения состояния газа, т. е. зависит от Т и р.

Изменение хотя бы одного параметра состояния приводит к изменению всей системы, называемому термодинамическим про­цессом. Последовательное изменение состояния системы, приво­дящее ее вновь в исходное состояние, называется круговым про­цессом или циклом.

.Термодинамические процессы следует разделять на обратимые и необратимые. Обратимым процессом называется такой процесс, который будучи проведенным под внешним воздействием в пря­мом и обратном направлениях, не оставляет никаких изменений в окружающей среде. Обратимый процесс можно рассматривать как сумму бесконечно близких равновесий, когда бесконечно малое изменение параметров (внешних условий) может изменить на­правление процесса. Поэтому истинно обратимый процесс может совершаться только с бесконечно малой скоростью, с тем чтобы соблюдалось условие равновесия или обратимости.

Обратимый процесс можно отождествить с термодинамическим равновесием, т. е. с таким состоянием системы, при котором взаим­но компенсированные процессы не приводят к изменению состава и параметров системы. Однако практически все процессы (в разной степени) лишь приближенно можно считать обратимыми.

Для одного и того же источника энергии, например при кон­тактной сварке, внутреннее сопротивление машины может разли­чаться в 10 раз и соответственно этому изменяется КПД источника.