Тепловое равновесие

редактировать

Состояние отсутствия чистого потока тепловой энергии между двумя соединенными системами Развитие теплового равновесия в замкнутой системе с течением времени посредством теплового потока, который выравнивает температурные различия

Две физические системы находятся в тепловом равновесии, если между ними нет чистого потока тепловой энергии, когда они соединены путем, проницаемым для тепла. Тепловое равновесие подчиняется нулевому закону термодинамики. Считается, что система находится в тепловом равновесии сама с собой, если температура внутри системы пространственно однородна и постоянна во времени.

Системы в термодинамическом равновесии всегда находятся в тепловом равновесии, но обратное не всегда верно. Если связь между системами допускает передачу энергии в виде тепла, но не позволяет передавать материю или энергию в виде работы, две системы могут достичь теплового равновесия, не достигая термодинамического равновесия.

Содержание

  • 1 Две разновидности теплового равновесия
    • 1.1 Соотношение теплового равновесия между двумя термически связанными телами
    • 1.2 Внутреннее тепловое равновесие изолированного тела
  • 2 Тепловой контакт
  • 3 Тела, изготовленные с раздельно однородные температуры, затем помещенные в чисто тепловую связь друг с другом
  • 4 Изменение внутреннего состояния изолированной системы
    • 4.1 В гравитационном поле
  • 5 Различия между тепловым и термодинамическим равновесием
  • 6 Тепловое равновесие планеты
  • 7 См. также
  • 8 Цитаты
  • 9 Цитаты

Две разновидности теплового равновесия

Отношение теплового равновесия между двумя термически связанными телами

Отношение тепловое равновесие - это случай равновесия между двумя телами, что означает, что оно относится к передаче через избирательно проницаемую перегородку, контактный путь. Для отношения теплового равновесия контактный путь проницаем только для тепла; он не допускает перемещения материалов или работы; это называется диатермальным соединением. Согласно Либу и Ингвасону, существенный смысл отношения теплового равновесия заключается в том, что оно является рефлексивным и симметричным. Оно не входит в основное значение, независимо от того, является оно транзитивным или нет. Обсудив семантику определения, они постулируют существенную физическую аксиому, которую они называют «нулевым законом термодинамики», что тепловое равновесие является переходным отношением. Они отмечают, что установленные таким образом классы эквивалентности систем называются изотермами.

Внутреннее тепловое равновесие изолированного тела

Термическое равновесие тела само по себе относится к телу, когда оно изолировано. Предпосылкой является то, что тепло не входит и не выходит из него, и что ему позволяют неограниченное время оседать под своими собственными характеристиками. Когда он полностью оседает, так что макроскопические изменения больше нельзя обнаружить, он находится в собственном тепловом равновесии. Не подразумевается, что это обязательно при других видах внутреннего равновесия. Например, возможно, что тело может достичь внутреннего теплового равновесия, но не находится во внутреннем химическом равновесии; стекло является примером.

Можно представить изолированную систему, изначально не находящуюся в собственном состоянии внутреннего теплового равновесия. Он может быть подвергнут фиктивной термодинамической операции разделения на две подсистемы, разделенные ничем, ни стеной. Затем можно было бы рассмотреть возможность передачи энергии в виде тепла между двумя подсистемами. Через долгое время после операции фиктивного разделения две подсистемы достигнут практически стационарного состояния и, таким образом, будут находиться в отношении теплового равновесия друг с другом. Такое приключение можно проводить бесконечно многими способами с разными фиктивными перегородками. Все они приведут к созданию подсистем, которые, как можно было бы показать, находятся в тепловом равновесии друг с другом, тестируя подсистемы из разных разделов. По этой причине изолированная система, изначально не имеющая собственного состояния внутреннего теплового равновесия, но оставленная на долгое время, практически всегда будет достигать конечного состояния, которое можно рассматривать как состояние внутреннего теплового равновесия. Таким конечным состоянием является пространственная однородность или однородность температуры. Существование таких состояний - основной постулат классической термодинамики. Этот постулат иногда, но не часто, называют минус-первым законом термодинамики. Заметное исключение существует для изолированных квантовых систем, которые локализованы во многих телах и никогда не достигают внутреннего теплового равновесия.

Тепловой контакт

Тепло может течь внутрь или из замкнутой системы за счет теплопроводности или теплового излучения к тепловому резервуару или от него, и когда этот процесс влияет на чистую передачу тепла, система не находится в тепловом равновесии. Пока продолжается передача энергии в виде тепла, температура системы может изменяться.

Тела, полученные при отдельно однородных температурах, затем помещенные в чисто тепловую связь друг с другом

Если тела приготовлены в отдельно микроскопически стационарных состояниях, а затем помещены в чисто тепловое соединение друг с другом, по проводящим или радиационным путям они будут находиться в тепловом равновесии друг с другом только тогда, когда за соединением не последует никаких изменений ни в одном из тел. Но если изначально они не находятся в отношении теплового равновесия, тепло будет перетекать от более горячего к более холодному любым доступным путем, проводящим или излучательным, и этот поток будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие, и тогда они будут иметь такая же температура.

Одной из форм теплового равновесия является равновесие радиационного обмена. Два тела, каждое со своей собственной однородной температурой, в единственной радиационной связи, независимо от того, насколько далеко друг от друга или какие частично препятствующие, отражающие или преломляющие препятствия лежат на их пути радиационного обмена, не перемещаясь друг относительно друга, будут обмениваться тепловым радиация, в итоге более горячая энергия передается охладителю, и будет обмениваться равными и противоположными количествами именно тогда, когда они имеют одинаковую температуру. В этой ситуации действуют закон Кирхгофа о равенстве излучательной способности излучения и поглощающей способности и принцип взаимности Гельмгольца.

Изменение внутреннего состояния изолированной системы

Если изначально изолированная физическая система без внутренних стенок, которые устанавливают адиабатически изолированные подсистемы, остается достаточно долго, он обычно сам по себе достигает состояния теплового равновесия, при котором его температура будет однородной, но не обязательно состояния термодинамического равновесия, если существует некоторый структурный барьер, который может предотвратить некоторые возможные процессы в системе от достижения равновесия; стекло является примером. Классическая термодинамика в целом рассматривает идеализированные системы, которые достигли внутреннего равновесия, и идеализированные переходы материи и энергии между ними.

Изолированная физическая система может быть неоднородной или может состоять из нескольких подсистем, отделенных друг от друга стенами. Если изначально неоднородная физическая система без внутренних стенок изолирована посредством термодинамической операции, она, как правило, со временем изменит свое внутреннее состояние. Или, если он состоит из нескольких подсистем, отделенных друг от друга стенками, он может изменить свое состояние после термодинамической операции, которая изменяет его стенки. Такие изменения могут включать в себя изменение температуры или пространственного распределения температуры путем изменения состояния составляющих материалов. Железный стержень, изначально подготовленный к тому, чтобы быть горячим с одного конца и холодным с другого, в изолированном состоянии изменится так, что его температура станет одинаковой по всей длине; во время процесса стержень не находится в тепловом равновесии, пока его температура не станет однородной. В системе, приготовленной в виде блока льда, плавающего в ванне с горячей водой, а затем изолированного, лед может таять; во время плавления система не находится в тепловом равновесии; но со временем его температура станет равномерной; ледяная глыба не переформируется. Система, приготовленная как смесь паров бензина и воздуха, может воспламениться от искры и произвести двуокись углерода и воду; если это происходит в изолированной системе, это приведет к увеличению температуры системы, и во время повышения система не находится в тепловом равновесии; но со временем система установится до постоянной температуры.

Такие изменения в изолированных системах необратимы в том смысле, что, хотя такое изменение будет происходить спонтанно всякий раз, когда система подготовлена ​​таким же образом, обратное изменение практически никогда не произойдет спонтанно в изолированной системе; это большая часть содержания второго закона термодинамики. По-настоящему идеально изолированные системы не встречаются в природе и всегда создаются искусственно.

В гравитационном поле

Можно рассматривать систему, содержащуюся в очень высоком адиабатически изолирующем сосуде с жесткими стенками, изначально содержащим термически неоднородное распределение материала, оставленного на длительное время под воздействием устойчивое гравитационное поле вдоль его высокого измерения, создаваемое внешним телом, таким как Земля. Он достигнет состояния однородной температуры повсюду, но не одинакового давления или плотности, и, возможно, будет содержать несколько фаз. Тогда он находится во внутреннем тепловом равновесии и даже в термодинамическом равновесии. Это означает, что все локальные части системы находятся в равновесии взаимного радиационного обмена. Это означает, что температура системы пространственно однородна. Это так во всех случаях, в том числе в неоднородных внешних силовых полях. Для внешне наложенного гравитационного поля это может быть доказано в макроскопических термодинамических терминах, путем вариационного исчисления с использованием метода лангранжева множителей. Соображения кинетической теории или статистической механики также подтверждают это утверждение.

Различия между тепловым и термодинамическим равновесием

Существует важное различие между тепловым и термодинамическим равновесием. Согласно Мюнстеру (1970), в состояниях термодинамического равновесия переменные состояния системы не изменяются с измеримой скоростью. Более того, «условие« с измеримой скоростью »подразумевает, что мы можем рассматривать равновесие только в отношении определенных процессов и определенных экспериментальных условий». Кроме того, состояние термодинамического равновесия может быть описано меньшим количеством макроскопических переменных, чем любое другое состояние данного тела материи. Отдельное изолированное тело может начаться в состоянии, которое не является одним из состояний термодинамического равновесия, и может изменяться до тех пор, пока не будет достигнуто термодинамическое равновесие. Тепловое равновесие - это отношения между двумя телами или замкнутыми системами, в которых передача разрешена только энергии и происходит через проницаемую для тепла перегородку, и в которой передачи продолжаются до тех пор, пока состояния тел не перестают изменяться.

Явное различие между «тепловым равновесием» и «термодинамическим равновесием» проводит CJ Adkins. Он допускает, что двум системам может быть позволено обмениваться теплом, но они не могут обмениваться работой; они будут естественным образом обмениваться теплом до тех пор, пока не станут равными температурами и не достигнут теплового равновесия, но в целом не будут находиться в термодинамическом равновесии. Они могут достичь термодинамического равновесия, если им также позволено обмениваться работой.

Еще одно явное различие между «тепловым равновесием» и «термодинамическим равновесием» проведено Б.С.Еу. Он рассматривает две системы, находящиеся в тепловом контакте, одну - термометр, а другую - систему, в которой происходят несколько необратимых процессов. Он рассматривает случай, когда в интересующей временной шкале случается, что и показания термометра, и необратимые процессы остаются стабильными. Тогда есть тепловое равновесие без термодинамического равновесия. Eu предлагает, следовательно, считать, что нулевой закон термодинамики применим, даже когда термодинамическое равновесие отсутствует; также он предполагает, что если изменения происходят так быстро, что невозможно определить установившуюся температуру, тогда «больше невозможно описать процесс с помощью термодинамического формализма. Другими словами, термодинамика не имеет значения для такого процесса».

Тепловое равновесие планет

Планета находится в тепловом равновесии, когда падающая на нее энергия (обычно солнечное излучение от ее родительской звезды) равна инфракрасная энергия излучается в космос.

См. Также

Цитаты

Ссылки на источники

  • Adkins, C.J. (1968/1983). Равновесная термодинамика, третье издание, McGraw-Hill, Лондон, ISBN 0-521-25445-0.
  • Бейлин, М. (1994). Обзор термодинамики, Американский институт физики Press, Нью-Йорк, ISBN 0-88318-797-3.
  • Больцманн, Л. (1896/1964). Лекции по теории газа, переведенные С. Г. Браш, Калифорнийский университет Press, Беркли.
  • Чепмен, С., Коулинг, Т.Г. (1939/1970). Математическая теория неоднородных газов. Отчет по кинетической теории вязкости, теплопроводности и диффузии в газах, третье издание 1970 г., Cambridge University Press, Лондон.
  • Gibbs, J.W. (1876/1878). О равновесии гетерогенных веществ, Пер. Conn. Acad., 3 : 108-248, 343-524, перепечатано в сборнике работ Дж. Уилларда Гиббса, доктора философии, доктора права. D., под редакцией W.R. Longley, R.G. Van Name, Longmans, Green Co., Нью-Йорк, 1928, том 1, стр. 55–353.
  • Максвелл, Дж. К. (1867). К динамической теории газов, Phil. Пер. Рой. Soc. Лондон, 157 : 49–88.
  • Мюнстер А. (1970). Классическая термодинамика в переводе Э.С. Halberstadt, Wiley – Interscience, London.
  • Partington, J.R. (1949). Расширенный трактат по физической химии, том 1, фундаментальные принципы. The Properties of Gases, Longmans, Green and Co., Лондон.
  • Planck, M., (1897/1903). Трактат по термодинамике, перевод А. Огга, первое английское издание, Лонгманс, Грин и Ко, Лондон.
  • Планк, М. (1914). «Теория теплового излучения», второе издание, переведенное М. Масиусом, «Сыном и компанией П. Блэкистона», Филадельфия.
  • ter Haar, D., Wergeland, H. (1966). Элементы термодинамики, Addison-Wesley Publishing, Reading MA.
  • Tisza, L. (1966). Обобщенная термодинамика, M.I.T. Press, Cambridge MA.
Последняя правка сделана 2021-06-11 08:30:17
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте