Термодинамическая система

редактировать
Тело материи в состоянии внутреннего равновесия

A термодинамическая система представляет собой тело материи и / или излучение, ограниченное в пространстве стенами с определенной проницаемостью, которые отделяют его от окружающей среды. Окружающая среда может включать другие термодинамические системы или физические системы, не являющиеся термодинамическими системами. Стенка термодинамической системы может быть чисто условной, когда она описывается как «проницаемая» для всей материи, всего излучения и всех сил.

Широко используется различие между изолированными, закрытыми и открытыми термодинамическими системами. Изолированная термодинамическая система имеет стенки, непроводящие тепло и идеально отражающие все излучение, жесткие и неподвижные, непроницаемые для всех форм материи и всех сил. (Некоторые авторы используют слово «закрытый», когда здесь используется слово «изолированный».)

A закрытая термодинамическая система ограничена стенами, непроницаемыми для вещества, но с помощью термодинамических операций альтернативно может быть создана проницаемый (описываемый как `` диатермальный '') или непроницаемый (`` адиабатический '') для тепла, и что для термодинамических процессов (инициированных и завершенных термодинамическими операциями), альтернативно может быть разрешено или не разрешено движение с изменением объема системы или перемешиванием с внутреннее трение в содержимом системы, как в оригинальной демонстрации Джоуля механического эквивалента тепла, и, в качестве альтернативы, может быть грубым или гладким, чтобы позволить или не допустить нагрев системы за счет трения о ее поверхность.

открытая термодинамическая система имеет по крайней мере одну стенку, которая отделяет ее от другой термодинамической системы, которая для этой цели считается частью окружающей среды открытой системы, причем стенка проницаема для хотя бы одно химическое вещество, а также к радиации; такая стена, когда открытая система находится в термодинамическом равновесии, не выдерживает разницы температур внутри себя.

Кроме того, состояние термодинамической системы описывается переменными термодинамического состояния, которые могут быть интенсивными, например температура или давление., или экстенсивный, такой как энтропия, или внутренняя энергия.

Термодинамическая система подвержена внешнему вмешательству, называемому термодинамическими операциями ; они изменяют стены системы или ее окружение; в результате в системе происходят переходные термодинамические процессы в соответствии с принципами термодинамики. Такие операции и процессы влияют на изменение термодинамического состояния системы.

Когда интенсивные переменные состояния ее содержимого изменяются в пространстве, термодинамическая система может рассматриваться как множество систем, смежных друг с другом, каждая из которых является отдельной термодинамической системой.

Термодинамическая система может включать несколько фаз, таких как лед, жидкая вода и водяной пар, во взаимном термодинамическом равновесии, взаимно не разделенных какой-либо стенкой. Или он может быть однородным. Такие системы можно считать «простыми».

«Составная» термодинамическая система может включать несколько простых термодинамических подсистем, взаимно разделенных одной или несколькими стенками с определенной соответствующей проницаемостью. Часто бывает удобно рассматривать такую ​​составную систему, первоначально изолированную в состоянии термодинамического равновесия, а затем подвергшуюся термодинамической операции увеличения проницаемости стенок некоторой межсистемной системы, чтобы инициировать переходный термодинамический процесс, с тем чтобы произвести окончательный новое состояние термодинамического равновесия. Эту идею использовал и, возможно, ввел Каратеодори. В составной системе, изначально изолированной в состоянии термодинамического равновесия, уменьшение проницаемости стенки не влияет ни на термодинамический процесс, ни на изменение термодинамического состояния. Это различие выражает Второй закон термодинамики. Это показывает, что увеличение энтропии означает увеличение рассеивания энергии из-за увеличения доступности микросостояний.

В равновесной термодинамике состояние термодинамической системы - это состояние термодинамическое равновесие, в отличие от неравновесного состояния.

В соответствии с проницаемостью стенок системы, между ней и ее окружением происходят передачи энергии и вещества, которые считаются неизменными во времени, пока не будет достигнуто состояние термодинамического равновесия. Единственные состояния, рассматриваемые в равновесной термодинамике, - это состояния равновесия. Классическая термодинамика включает (а) равновесную термодинамику; (б) системы, рассматриваемые в терминах циклических последовательностей процессов, а не состояний системы; они были исторически важны в концептуальном развитии предмета. Системы, рассматриваемые с точки зрения непрерывно продолжающихся процессов, описываемых устойчивыми потоками, важны в технике.

Само существование термодинамического равновесия, определяющего состояния термодинамических систем, является существенным, характерным и наиболее фундаментальным постулатом термодинамики, хотя он лишь изредка упоминается как пронумерованный закон. По словам Бейлина, часто повторяемое утверждение нулевого закона термодинамики является следствием этого фундаментального постулата. На самом деле практически ничто в природе не находится в строгом термодинамическом равновесии, но постулат термодинамического равновесия часто обеспечивает очень полезные идеализации или приближения, как теоретически, так и экспериментально; Эксперименты могут предоставить сценарии практического термодинамического равновесия.

В равновесной термодинамике переменные состояния не включают потоки, потому что в состоянии термодинамического равновесия все потоки по определению имеют нулевые значения. Равновесные термодинамические процессы могут включать потоки, но они должны прекратиться к моменту завершения термодинамического процесса или операции, приводящего систему к ее окончательному термодинамическому состоянию. Неравновесная термодинамика позволяет своим переменным состояния включать ненулевые потоки, которые описывают передачу массы или энергии или энтропии между системой и его окрестности.

В 1824 году Сади Карно описал термодинамическую систему как рабочее вещество (например, объем пара) любой исследуемой тепловой машины.

System boundary2.svg

Содержание

  • 1 Обзор
  • 2 История
  • 3 Системы в равновесии
  • 4 Стены
  • 5 Окружение
  • 6 Закрытая система
  • 7 Изолированная система
  • 8 Выборочная передача материя
  • 9 Открытая система
  • 10 Адиабатическая система
  • 11 См. также
  • 12 Ссылки
  • 13 Источники

Обзор

Термодинамическое равновесие характеризуется отсутствием потока массы или энергия. Равновесная термодинамика, как предмет физики, рассматривает макроскопические тела материи и энергии в состояниях внутреннего термодинамического равновесия. Он использует концепцию термодинамических процессов, с помощью которых тела переходят из одного состояния равновесия в другое путем передачи вещества и энергии между ними. Термин «термодинамическая система» используется для обозначения тел материи и энергии в специальном контексте термодинамики. Возможные состояния равновесия между телами определяются физическими свойствами стенок, разделяющих тела. Равновесная термодинамика вообще не измеряет время. Равновесная термодинамика - относительно простой и хорошо изученный предмет. Одна из причин этого - существование четко определенной физической величины, называемой энтропией тела.

Неравновесная термодинамика как предмет физики рассматривает тела материи и энергии, которые не находятся в состояниях внутреннего термодинамического равновесия, но обычно участвуют в процессах переноса, которые достаточно медленны, чтобы дать возможность описания в терминах величин, которые тесно связаны с термодинамическими переменными состояния. Для него характерно наличие потоков вещества и энергии. Применительно к этой теме очень часто рассматриваемые тела имеют гладкие пространственные неоднородности, поэтому пространственные градиенты, например градиент температуры, достаточно хорошо определены. Таким образом, описание неравновесных термодинамических систем является теорией поля, более сложной, чем теория равновесной термодинамики. Неравновесная термодинамика - это растущая тема, а не устоявшаяся конструкция. В общем случае невозможно найти точно определенную энтропию для неравновесных задач. Для многих неравновесных термодинамических задач очень полезна приблизительно определенная величина, называемая «скорость производства энтропии». Неравновесная термодинамика по большей части выходит за рамки данной статьи.

Еще один вид термодинамической системы рассматривается в технике. Он участвует в поточном процессе. Отчет ведется в терминах, которые достаточно хорошо на практике во многих случаях приближают равновесные термодинамические концепции. Это в основном выходит за рамки данной статьи и изложено в других статьях, например в статье Поточный процесс.

История

Первым, кто создал концепцию термодинамической системы, был Французский физик Сади Карно, чьи 1824 Размышления о движущей силе огня изучили то, что он называл рабочим веществом, например, обычно массой водяного пара, в паровых двигателях, что касается способности системы выполнять работу при воздействии на нее тепла. Рабочее тело могло контактировать либо с тепловым резервуаром (котел), либо с холодным резервуаром (потоком холодной воды), либо с поршнем (на который рабочее тело могло выполнять работу, давя на него). В 1850 году немецкий физик Рудольф Клаузиус обобщил эту картину, включив в нее концепцию окружающей среды, и начал называть систему «рабочим телом». В своей рукописи 1850 года «О движущей силе огня» Клаузиус писал:

«При каждом изменении объема (рабочего тела) определенное количество работы должно выполняться с помощью газа или с его помощью, поскольку своим расширением он преодолевает внешнее давление, и поскольку его сжатие может быть вызвано только приложением внешнего давления. Этому превышению работы, совершаемой газом или над ним, должно соответствовать, по нашему принципу, пропорциональное превышение тепло израсходовано или произведено, и газ не может отдавать «окружающей среде» такое же количество тепла, которое он получает ».

В статье Тепловой двигатель Карно показан оригинальный поршень диаграмма цилиндров, использованная Карно при обсуждении своего идеального двигателя; Ниже мы видим двигатель Карно, который обычно моделируется в настоящее время:

Схема двигателя Карно (современная) - где тепло течет из высокотемпературной печи T H через жидкость «рабочего тела» (рабочее вещество) и в холодный сток T C, заставляя, таким образом, рабочее вещество совершать механическую работу W с окружающей средой посредством циклов сжатия и расширения.

На показанной диаграмме «рабочее тело» (система), термин, введенный Клаузиусом в 1850 году, может быть любым жидким или парообразным телом, через которое тепло Q может вводиться или передаваться, чтобы произвести работу. В 1824 году Сади Карно в своей знаменитой статье «Размышления о движущей силе огня» предположил, что жидким телом может быть любое вещество, способное к расширению, такое как пар воды, пар спирта, пары ртути, постоянный газ, или воздух и т. д. Хотя в те ранние годы двигатели имели несколько конфигураций, обычно Q H поставлялся котлом, в котором вода кипела над топкой; Q C обычно представлял собой поток холодной текущей воды в форме конденсатора, расположенного на отдельной части двигателя. Выходная работа W представляла собой движение поршня, когда он вращал кривошип, который обычно поворачивал шкив для подъема воды из затопленных соляных шахт. Карно определил работу как «поднятие тяжестей на высоту».

Системы в равновесии

В термодинамическом равновесии свойства системы, по определению, неизменны во времени. Системы, находящиеся в равновесии, намного проще и легче понять, чем системы, не находящиеся в равновесии. В некоторых случаях при анализе термодинамического процесса можно предположить, что каждое промежуточное состояние в процессе находится в равновесии. Это значительно упрощает анализ.

В изолированных системах постоянно наблюдается, что с течением времени внутренние перестройки уменьшаются и приближаются к стабильным условиям. Давление и температура имеют тенденцию выравниваться, и вещество объединяется в одну или несколько относительно однородных фаз. Система, в которой все процессы изменения практически завершены, считается находящейся в состоянии термодинамического равновесия. Термодинамические свойства системы, находящейся в равновесии, не меняются во времени. Состояния равновесной системы намного легче описать детерминированным образом, чем состояния неравновесия.

Чтобы процесс был обратимым, каждый шаг в процессе должен быть обратимым. Чтобы шаг в процессе был обратимым, система должна находиться в равновесии на протяжении всего шага. Этот идеал не может быть реализован на практике, потому что ни один шаг не может быть сделан, не нарушив равновесие системы, но к идеалу можно приблизиться, медленно внося изменения.

Стены

Типы перемещений, разрешенныепо типам стены
тип стенытип переноса
МатерияРаботаТепло
проницаемая для веществаЗеленая галочка Yкрасный X Nкрасный X N
проницаемая для энергии, но

непроницаемая для вещества

красный X NЗеленая галочка YЗеленая галочка Y
адиабатическаякрасный X NЗеленая галочка Yкрасный X N
адинамическая и

непроницаемая для вещества

красный X Nкрасный X NЗеленая галочка Y
изолирующаякрасный X Nкрасный X Nкрасный X N

Система окружен стенами, которые связывают его с окружающей средой. Часто стена ограничивает прохождение через нее какой-либо формы материи или энергии, делая связь косвенной. Иногда стена представляет собой не более чем воображаемую двумерную замкнутую поверхность, через которую осуществляется прямая связь с окружающей средой.

Стенка может быть неподвижной (например, реактор постоянного объема) или подвижной (например, поршневой). Например, в поршневом двигателе неподвижная стенка означает, что поршень заблокирован в своем положении; тогда может происходить процесс постоянного объема. В том же самом двигателе поршень может быть разблокирован, и он может входить и выходить. В идеале стена может быть объявлена ​​адиабатической, диатермальной, непроницаемой, проницаемой или полупроницаемой. Реальные физические материалы, которые придают стенам такие идеализированные свойства, не всегда легко доступны.

Система ограничена стенами или границами, действительными или условными, через которые сохраняемые (например, материя и энергия) или несохраняемые (например, энтропия) количества могут проходить в систему и выходить из нее. Пространство вне термодинамической системы известно как окружение, резервуар или среда. Свойства стен определяют, какие переносы могут происходить. Стена, которая позволяет переносить какое-либо количество, называется проницаемой для нее, а термодинамическая система классифицируется по проницаемости нескольких ее стенок. Передача между системой и окружающей средой может происходить при контакте, например, теплопроводности, или под действием дальнодействующих сил, таких как электрическое поле в окружающей среде.

Система со стенами, препятствующими перемещению, называется изолированной. Это идеализированная концепция, потому что на практике всегда возможен некоторый перенос, например, за счет гравитационных сил. Аксиома термодинамики состоит в том, что изолированная система в конечном итоге достигает внутреннего термодинамического равновесия, когда ее состояние больше не изменяется со временем.

Стены замкнутой системы позволяют передавать энергию в виде тепла и работы, но не материи, между ней и окружающей средой. Стены открытой системы позволяют передавать как материю, так и энергию. Эта схема определения терминов используется не всегда, хотя для некоторых целей она удобна. В частности, некоторые авторы используют «закрытую систему», где здесь используется «изолированная система».

Все, что пересекает границу и вызывает изменение содержимого системы, должно учитываться в соответствующем уравнении баланса.. Объем может быть областью, окружающей одиночный атом, резонирующий с энергией, такой как Max Planck, определенный в 1900 году; это может быть тело пара или воздуха в паровой машине, такое как Сади Карно, определенное в 1824 году. Это также может быть только один нуклид (т.е. система кварков ) в соответствии с гипотезой квантовой термодинамики.

Окружение

Система - это изучаемая часть Вселенной, а окружение - это остальная часть Вселенной, которая лежит за пределами системы.. Он также известен как окружающая среда и резервуар. В зависимости от типа системы, он может взаимодействовать с системой путем обмена массой, энергией (включая тепло и работу), импульсом, электрическим зарядом или другими сохраняемыми свойствами. Окружающая среда игнорируется при анализе системы, за исключением этих взаимодействий.

Замкнутая система

В закрытой системе никакая масса не может передаваться внутрь или за пределы системы. Система всегда содержит одинаковое количество вещества, но тепло и работа могут передаваться через границу системы. Способна ли система обмениваться теплом, работой или и тем, и другим, зависит от свойств ее границ.

Одним из примеров является сжатие жидкости поршнем в баллоне. Другой пример замкнутой системы - калориметр бомбы, тип калориметра постоянного объема, используемый для измерения теплоты сгорания конкретной реакции. Электрическая энергия проходит через границу, вызывая искру между электродами и инициируя горение. Теплообмен происходит через границу после сгорания, но массообмен в любом случае не происходит.

Начиная с первого закона термодинамики для открытой системы, это выражается как:

Δ U = Q - W + mi (h + 1 2 v 2 + gz) i - me (h + 1 2 v 2 + gz) е {\ displaystyle \ Delta U = Q-W + m_ {i} (h + {\ frac {1} {2}} v ^ {2} + gz) _ {i} -m_ { e} (h + {\ frac {1} {2}} v ^ {2} + gz) _ {e}}\Delta U=Q-W+m_{i}(h+{\frac {1}{2}}v^{2}+gz)_{i}-m_{e}(h+{\frac {1} {2}}v^{2}+gz)_{e}

где U - внутренняя энергия, Q - тепло, добавленное к системе, W - проделанная работа системой, и поскольку масса не передается в систему или из нее, оба выражения, включающие массовый расход, равны нулю, и выводится первый закон термодинамики для замкнутой системы. Первый закон термодинамики для замкнутой системы гласит, что увеличение внутренней энергии системы равно количеству тепла, добавленного к системе, за вычетом работы, выполняемой системой. Для бесконечно малых изменений первый закон для замкнутых систем сформулирован как:

d U = δ Q - δ W. {\ displaystyle \ mathrm {d} U = \ delta Q- \ delta W.}\ mathrm {d} U = \ delta Q- \ delta W.

Если работа вызвана увеличением объема на dV при давлении P, то:

δ W = P d V. {\ displaystyle \ delta W = P \ mathrm {d} V.}\ delta W = P \ mathrm {d} V.

Для однородной системы, претерпевающей обратимый процесс, второй закон термодинамики гласит:

δ Q = T d S {\ displaystyle \ delta Q = T \ mathrm {d} S}\delta Q=T\mathrm {d} S

где T - абсолютная температура, а S - энтропия системы. С помощью этих соотношений фундаментальное термодинамическое соотношение, используемое для вычисления изменений внутренней энергии, выражается как:

d U = T d S - P d V. {\ displaystyle \ mathrm {d} U = T \ mathrm {d} SP \ mathrm {d} V.}\ mathrm {d} U = Т \ mathrm {d} SP \ mathrm {d} V.

Для простой системы с одним типом частиц (атом или молекула) замкнутая система составляет постоянное количество частиц. Однако для систем, подвергающихся химической реакции, в процессе реакции могут генерироваться и разрушаться всевозможные молекулы. В этом случае тот факт, что система замкнута, выражается утверждением, что общее количество каждого элементарного атома сохраняется, независимо от того, частью какой молекулы он может быть. Математически:

∑ j = 1 maij N j = bi 0 {\ displaystyle \ sum _ {j = 1} ^ {m} a_ {ij} N_ {j} = b_ {i} ^ {0}}\ sum _ {j = 1} ^ {m} a_ {ij} N_ {j} = b_ {i} ^ {0 }

где N j - количество молекул j-типа, a ij - количество атомов элемента i в молекуле j, а b i - общее количество атомов элемента i в системе, которое остается постоянным, поскольку система замкнута. Для каждого элемента системы существует одно такое уравнение.

Изолированная система

Изолированная система более ограничена, чем закрытая система, поскольку она никоим образом не взаимодействует со своим окружением. Масса и энергия остаются постоянными в системе, и передача энергии или массы через границу не происходит. Со временем в изолированной системе внутренние различия в системе имеют тенденцию выравниваться, а давление и температура имеют тенденцию выравниваться, как и различия в плотности. Система, в которой все процессы выравнивания практически завершены, находится в состоянии термодинамического равновесия.

Действительно изолированных физических систем в действительности не существует (за исключением, возможно, Вселенной в целом), потому что, например, всегда существует гравитация между системой с массой и массами в другом месте. Однако реальные системы могут вести себя почти как изолированная система в течение конечного (возможно, очень долгого) времени. Концепция изолированной системы может служить полезной моделью, приближающей многие реальные ситуации. Это приемлемая идеализация, используемая при построении математических моделей некоторых природных явлений.

в попытке обосновать постулат энтропии увеличения второй закон термодинамики, H-теорема Больцмана использовали уравнения, которые предполагали, что система (например, газ ) изолирована. Это все механические степени свободы, которые можно указать, рассматривая стены просто как зеркало граничные условия. Это неизбежно привело к парадоксу Лошмидта. Однако, если учитывать стохастическое поведение молекул в реальных стенах, наряду с рандомизирующим эффектом окружающего, фонового теплового излучения, Предположение Больцмана о молекулярном хаосе может быть оправдано.

Второй закон термодинамики для изолированных систем гласит, что энтропия изолированной системы, не находящейся в равновесии, имеет тенденцию увеличиваться со временем, приближаясь к максимальному значению в состоянии равновесия. В целом, в изолированной системе внутренняя энергия постоянна, и энтропия никогда не может уменьшиться. Энтропия закрытой системы может уменьшаться, например, когда тепло отводится из системы.

Важно отметить, что изолированные системы не эквивалентны закрытым системам. Замкнутые системы не могут обмениваться веществом с окружающей средой, но могут обмениваться энергией. Изолированные системы не могут обмениваться ни материей, ни энергией со своим окружением, и как таковые являются только теоретическими и не существуют в действительности (кроме, возможно, всей вселенной).

Стоит отметить, что «замкнутая система» часто используется в обсуждениях термодинамики, когда «изолированная система» была бы правильной - т.е. есть предположение, что энергия не входит и не покидает систему.

Селективный перенос вещества

Для термодинамического процесса важны точные физические свойства стенок и окружающей среды системы, поскольку они определяют возможные процессы.

В открытой системе есть одна или несколько стенок, через которые проходит материя. Чтобы учесть внутреннюю энергию открытой системы, помимо тепла и работы необходимы термины передачи энергии. Это также приводит к идее химического потенциала.

. Стенка, избирательно проницаемая только для чистого вещества, может привести систему в диффузионный контакт с резервуаром этого чистого вещества в окружающей среде. Тогда возможен процесс, в котором это чистое вещество переносится между системой и окружающей средой. Также через эту стену возможно контактное равновесие по отношению к этому веществу. С помощью подходящих термодинамических операций резервуар чистого вещества может рассматриваться как закрытая система. Его внутренняя энергия и его энтропия могут быть определены как функции его температуры, давления и числа молей.

Термодинамическая операция может сделать непроницаемыми для вещества все стенки системы, кроме стены, обеспечивающей равновесие контакта для этого вещества. Это позволяет определить интенсивную переменную состояния по отношению к эталонному состоянию окружающей среды для этого вещества. Интенсивная переменная называется химическим потенциалом; для компонентного вещества i он обычно обозначается μ i. Соответствующей обширной переменной может быть число молей N i составляющего вещества в системе.

Для контактного равновесия через стенку, проницаемую для вещества, химические потенциалы вещества должны быть одинаковыми с обеих сторон стены. Это часть природы термодинамического равновесия, и ее можно рассматривать как связанную с нулевым законом термодинамики.

Открытая система

В открытой системе происходит обмен энергией и веществом. между системой и окружением. Присутствие реагентов в открытом стакане является примером открытой системы. Здесь граница - это воображаемая поверхность, окружающая стакан и реагенты. Он называется закрытым, если границы непроницаемы для вещества, но допускают передачу энергии в виде тепла, и изолированным, если нет обмена теплом и веществами. Открытая система не может существовать в состоянии равновесия. Для описания отклонения термодинамической системы от равновесия, помимо описанных выше основных переменных, используется набор внутренних переменных ξ 1, ξ 2,… {\ displaystyle \ xi _ {1}, \ xi _ {2 }, \ ldots}{\displaystyle \xi _{1},\ xi _{2},\ldots }, которые называются внутренними переменными, были введены. Состояние равновесия считается устойчивым. и главное свойство внутренних переменных, как меры неравновесности системы, - это их тенденция к исчезновению; локальный закон исчезновения можно записать в виде уравнения релаксации для каждой внутренней переменной

d ξ idt = - 1 τ i (ξ i - ξ i (0)), i = 1, 2,…, {\ displaystyle {\ frac {d \ xi _ {i}} {dt}} = - {\ frac {1} {\ tau _ {i}}} \, \ left (\ xi _ {i} - \ xi _ {i} ^ {(0)} \ right), \ quad i = 1, \, 2, \ ldots,}{\ displaystyle {\ frac {d \ xi _ {i}} {dt}} = - {\ frac {1} {\ tau _ {i}}} \, \ left (\ xi _ {i} - \ xi _ {i} ^ {(0)} \ right), \ quad i = 1, \, 2, \ ldots,}

(1)

где τ i = τ i (T, x 1, x 2, …, Xn) {\ displaystyle \ tau _ {i} = \ tau _ {i} (T, x_ {1}, x_ {2}, \ ldots, x_ {n})}{\ displaystyle \ tau _ {i} = \ tau _ {i} (T, x_ {1}, x_ {2}, \ ldots, x_ {n})} - это время релаксации соответствующих переменных. Удобно считать, что начальное значение ξ i 0 {\ displaystyle \ xi _ {i} ^ {0}}{\ displaystyle \ xi _ {i} ^ {0}} равно нулю.

Существенный вклад в термодинамику открытых неравновесных систем внес Илья Пригожин, когда он и его сотрудники исследовали системы химически реагирующих веществ. Стационарные состояния таких систем существуют за счет обмена как частицами, так и энергией с окружающей средой. В разделе 8 третьей главы своей книги Пригожин указал три вклада в изменение энтропии рассматриваемой открытой системы при заданном объеме и постоянной температуре T {\ displaystyle T}T . Приращение энтропии S {\ displaystyle S}S можно рассчитать по формуле

T d S = Δ Q - ∑ j Ξ j Δ ξ j + ∑ α = 1 k μ α Δ N α. {\ displaystyle T \, dS = \ Delta Q- \ sum _ {j} \, \ Xi _ {j} \, \ Delta \ xi _ {j} + \ sum _ {\ alpha = 1} ^ {k} \, \ mu _ {\ alpha} \, \ Delta N _ {\ alpha}.}{\ displaystyle T \, dS = \ Delta Q- \ sum _ {j} \, \ Xi _ {j }\,\Delta \xi _{j}+\sum _{\alpha =1}^{k}\,\mu _{\alpha }\,\Delta N_{\alpha }.}

(1)

Первый член в правой части уравнения представляет собой поток тепловой энергии в систему; последний член - поток энергии в систему, идущий с потоком частиц веществ Δ N α {\ displaystyle \ Delta N _ {\ alpha}}{\ displaystyle \ Delta N _ {\ alpha}} , который может быть положительным или отрицательным, μ α {\ displaystyle \ mu _ {\ alpha}}{\ displaystyle \ mu _ {\ alpha}} - химический потенциал вещества α {\ displaystyle \ alpha}\ alpha . Средний член в (1) обозначает рассеяние энергии (производство энтропии ) из-за релаксации внутренних переменных ξ j {\ displaystyle \ xi _ {j}}{\displaystyle \xi _{j}}. В случае химически реагирующих веществ, который исследовал Пригожин, внутренние переменные оказываются мерами незавершенности химических реакций, то есть мерами того, насколько рассматриваемая система с химическими реакциями находится в неравновесном состоянии. Теорию можно обобщить, чтобы рассматривать любое отклонение от состояния равновесия как внутреннюю переменную, так что мы рассматриваем набор внутренних переменных ξ j {\ displaystyle \ xi _ {j}}{\displaystyle \xi _{j}}в уравнение (1) состоит из величин, определяющих не только степени полноты всех химических реакций, протекающих в системе, но и структуру системы, градиенты температуры, разницу концентраций веществ и т. д.

Подход Пригожина к открытой системе позволяет описывать рост и развитие живых объектов в термодинамических терминах.

Адиабатическая система

Адиабатическая система - это система, которая не позволяет передавать какое-либо тепло в систему или из нее. Уравнение PV γ = constant {\ displaystyle PV ^ {\ gamma} = constant}{\disp laystyle PV^{\gamma }=constant}справедливо только для адиабатической системы, которая также претерпевает обратимый процесс, при условии, что это замкнутая система, имеющая идеальную газ. Если он не удовлетворяет ни одному из этих условий, то только d Q = 0 {\ displaystyle dQ = 0}{\ displaystyle dQ = 0} истинно и его нельзя представить в виде уравнения типа PV γ = constant { \ displaystyle PV ^ {\ gamma} = constant}{\disp laystyle PV^{\gamma }=constant}.

См. также

Ссылки

Источники

  • Abbott, MM; ван Хесс, Х.Г. (1989). Термодинамика с химическими приложениями (2-е изд.). МакГроу Хилл.
  • Каллен, Х.Б. (1960/1985). Термодинамика и введение в термостатистику, (1-е издание, 1960 г.), 2-е издание, 1985 г., Вили, Нью-Йорк, ISBN 0-471-86256-8.
  • Холлидей, Дэвид; Резник, Роберт; Уокер, Джерл (2008). Основы физики (8-е изд.). Wiley.
  • Моран, Майкл Дж.; Шапиро, Ховард Н. (2008). Основы инженерной термодинамики (6-е изд.). Wiley.
Последняя правка сделана 2021-06-11 08:32:38
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте