На головну

Сутність, предмет і метод термодинаміки.

  1. Стандартний алгоритм симплекс-методу
  2. DFD - методологія в проектуванні ІС
  3. I. ПРЕДМЕТ ФІЛОСОФІЇ
  4. I.3.3. Методи виносу в натуру проектних точок.
  5. I.3.4. Методи підготовки даних для перенесення проекту на місцевість.
  6. III. Опис експериментальної установки та методу вимірювання
  7. III. Опис експериментальної установки та методу вимірювання

1. У сучасній фізиці існує два способи опису процесів, що відбуваються в макроскопічних тілах: статистичний, який розглядає властивості макроскопічних тіл виходячи з властивостей утворюють тіло часток і взаємодій між ними і термодинамічний, який розглядає властивості макроскопічних тіл і що протікають в них процеси, не вдаючись у мікроскопічну природу тел.

Досліджуючи властивості тіл і відбуваються в них процеси з різних точок зору, статистична фізика і термодинаміка взаємно доповнюють один одного, утворюючи, по суті єдине ціле.

2. За визначенням [4] термодинаміка (в даному випадку мається увазі класична термодинаміка) є наука про найбільш загальні властивості макроскопічних фізичних систем, що знаходяться в стані термодинамічної рівноваги і про процеси переходу між цими станами.

Фундаментальні принципи (початку), на яких будується термодинаміка, є узагальненням численних спостережень і виконуються незалежно від конкретної природи утворюють систему тел. Тому закономірності і співвідношення між фізичними величинами в термодинаміки мають універсальний характер.

Термодинаміка є постулатівних наукою. Її не цікавлять конкретні уявлення про будову системи (речовини) і фізична природа розглянутих нею енергопотоків і потоків тепла. Висновки термодинаміки засновані на загальних принципах або постулатах, які є узагальненням дослідних фактів.

При такому підході використовуються поняття і фізичні величини, що відносяться до системи в цілому. Методами термодинаміки встановлюються, наприклад, зв'язку між безпосередньо спостерігаються макроскопическими характеристиками систем (тиском, обсягом температурою і ін.) В різних термодинамічних процесах.

Оскільки термодинаміка не спирається на модельні уявлення про атомну структуру речовини, вона може застосовуватися для дослідження всіх систем, для яких справедливі лежать в її основі закони.

3. Обгрунтування законів термодинаміки, їх зв'язок з законами руху окремих частинок, з яких побудовані тіла, дається статистичною фізикою. Вона ж дозволяє з'ясувати і межі застосування термодинаміки.

На відміну від термодинаміки молекулярна (статистична) фізика виходить з уявлень про молекулярному будову речовини. Та обставина, що число часток в макросистемі велике, призводить до нового типу закономірностей, що мають статистичний, тобто імовірнісний характер. На основі цих уявлень молекулярна фізика розкриває фізичну природу величин, якими оперує термодинаміка. А саме, молекулярна фізика дозволяє пояснити спостережувані властивості макросістем як сумарний ефект взаємодії окремих молекул (на основі певних моделей)

Для цього використовується статистичний метод, який оперує не діями окремих молекул, а середніми значеннями певних величин. За допомогою цих середніх величин відкривається можливість інтерпретації спостережуваних явищ.

Сама молекулярна фізика ґрунтується на законах, яким підкоряються атоми і молекули, тобто законах квантової фізики. Без знання цих законів досить коректне виклад сучасної молекулярної фізики виявляється незавершеним і, отже, недостатньо коректним.

4. Таким чином, система фізичних законів, що описують динаміку систем реального світу, утворює сувору ієрархію.

В її основі лежать закони і закономірності квантової фізики, що досліджують будову і динаміку систем (атомів, молекул, елементарних частинок, полів і т. Д.) На фундаментальному рівні будови матерії.

Наступним рівнем можна вважати молекулярну фізику, що досліджує закономірності динаміки молекул - елементів речових систем. Молекулярна фізика є перехід на макрорівень дослідження систем реального світу.

Третій рівень - термодинаміка, яка розглядає матеріальний системи і їх динаміку як цілісності.

Зрозуміло, це дуже спрощене уявлення, але на даному рівні аналізу воно поки достатньо.

Всі три рівні методів дослідження взаємопов'язані і доповнюють один одного. Так, стосовно до вивчення макросістем термодинамічний метод характеризується спільністю і дозволяє вивчати явища не повідомляючи їх внутрішніх механізмів (і моделей). Статистичний метод дозволяє зрозуміти суть явищ, встановити зв'язок поведінки системи в цілому з поведінкою і властивостями окремих частинок. Їх комбіноване застосування сприяє найбільш ефективному вирішенню тієї чи іншої наукової проблеми.

5.Початкове понятіетермодінамікі - поняття термодинамічної системи, Під якою розуміється сукупність макроскопічних тіл, які можуть обмінюватися енергією між собою і з зовнішнім середовищем.

Така система може перебувати в різних станах, кожне з яких описується сукупністю параметрів (температура, щільність, обсяг, тиск і інші), властивих тільки системі в цілому і не застосовних до характеристики її окремих елементів: ми не можемо, наприклад, говорити про температуру, тиску або ентропії, стосовно окремої молекулі. Подібні величини називаються параметрами стану; сукупність значень параметрів є стан системи.

Відзначимо деякі моменти, пов'язані з поняттям термодинамічної системи при вирішенні технічних завдань.

Зазвичай в цьому випадку в якості системи, розглядається макроскопическое тіло, що складається з безлічі частинок. При вирішенні технічних завдань така система називається робочим тілом. Робоче тіло в технічних системах відіграє роль посередника (агента), за допомогою якого здійснюється робочий процес в теплових машинах. У більшості випадків в якості агента використовується газ.

Реальне робоче тіло може являти собою як гомогенну, так і гетерогенну систему.

В даному випадку гомогенної (Однорідної) називають систему, що складається з однієї фази речовини і має однакові фізичні властивості в усіх її частинах. Якщо система не відповідає цим вимогам, її називають гетерогенної.

під фазою розуміють сукупність всіх гомогенних частин системи, які при відсутності взаємодії з навколишнім середовищем є фізично однорідними.

Відзначимо: поняття фази не збігається з поняттям агрегатного стану речовини. В межах одного і того ж агрегатного стану (наприклад, твердого), речовина (наприклад, вода, в даному випадку - лід) може мати кілька фаз.

Оскільки система обмінюється з навколишнім середовищем різними потоками (в даному випадку - речовиною, тепловою енергією, роботою), навколишнє середовище може розглядатися як певний набір акумуляторів (резервуарів) роботи, теплоти і речовини.

Кордон між системою і зовнішнім середовищем іноді називають контрольної поверхнею. Ми надалі будемо використовувати поняття тектологіческій поверхні, сенс якого буде розкритий в наступних розділах.

Інші поняття, пов'язані з термодинамічної системою розглянемо в міру викладу матеріалу.

6. Різні типи станів термодинамічної системи залежать від визначеності значень параметрів, що описують її стан. При цьому ті чи інші параметри або вся їх сукупність можуть бути як однаковими для всієї системи, так і мати різні значення в різних її частинах. Отже, можлива певна нерівномірність у розподілі значень температури, густини, тиску, концентрації та інших параметрів по всьому об'єму системи. Це означає, що з точки зору системи як цілого параметри стану можуть і не мати певного значення.

У разі, коли хоча б один з параметрів стану не має певного значення, ми маємо нерівноважний стан термодинамічної системи. стан називається рівноважним, коли всі параметри стану мають певне значення.

При цьому рівновага термодинамічних систем має якісно інший характер, ніж рівновагу систем механічних. У механіці рівновагу являє собою стан, в якому як швидкості, так і прискорення всіх матеріальних точок дорівнюють нулю. Результуюча сила, що діє на кожну точку в будь-який момент часу дорівнює нулю. Порушення такого балансу сил призводить до порушення рівноваги. На відміну від механічної рівноваги входять в систему молекули схильні до дії незбалансованих сил і рухаються у всіх можливих напрямках, якщо тільки їх температура не стає надзвичайно низькою. Тому тут поняття рівноваги відноситься до деяких колективним характеристикам системи в цілому.

Якщо термодинамічна система знаходиться в стані рівноваги, то в рівновазі знаходяться і всі її макроскопічні частини, чого не можна сказати про мікроскопічних частинах, тобто елементах системи.

При незмінних зовнішніх умовах такий стан не змінюється з часом, хоча незмінність у часі не є достатньою ознакою равновесности стану.

Таким чином, рівноважний стан повністю характеризується невеликим числом фізичних параметрів стану, найважливіший з яких - температура (  ), Рівність значень якої для всіх частин системи є необхідною умовою термодинамічної рівноваги.

Інші параметри, що характеризують систему - обсяг  , тиск  , концентрація  і деякі інші.

У найпростішому випадку однорідних тіл їх стан повністю фіксується завданням будь-яких двох з трьох фізичних величин: температури  , обсягу  і тиску .

Зв'язок між , и  характерна для кожного даного конкретного об'єкта - твердого тіла, рідини або газу, і називається рівнянням стану. У більш складних випадках для повної характеристики рівноважного стану потрібні і інші параметри.

7. Перехід системи з нерівноважного стану в рівноважний називається процесом релаксації; час, за яке початкове відхилення будь-якої величини від рівноважного значення зменшується в  раз називається часом релаксації (  - Основа натуральних логарифмів). Цей час залежить від природи тіл, взаємодії їх часток, а також від характеру вихідного нерівноважного стану. Причому, для кожного параметра час релаксації своє; найбільше з усіх часів є час релаксації системи як цілого.

8.Наведені визначення показують, чтотермодінаміка і загальна теорія систем, як наукові дисципліни мають багато спільного:

u в обох випадках ми маємо справу з системами, властивості яких не тотожні властивостям складових їх елементів;

u обидві дисципліни розглядають найбільш загальні властивості систем, як цілісності;

u в обох випадках ми маємо справу з найбільш загальними універсальними закономірностями, які виконуються незалежно від фізичної природи складових досліджувану систему тіл;

u як в термодинаміки, так і в загальній теорії систем обгрунтування найбільш загальних законів дається іншими дисциплінами (в термодинаміці - це, перш за все, статистична фізика, в загальній теорії систем - весь комплекс загальнотеоретичних і конкретно-наукових дисциплін).

Ця схожість принципових підходів до досліджуваних проблем і дає можливість використовувати моделі і методи термодинаміки до аналізу найважливіших процесів в системах будь-якої природи.

Більш того, слід зазначити, що, по-видимому, завдяки цьому подібністю, багато термінів термодинаміки міцно увійшли до складу категоріального апарату загальної теорії систем і більше приватних дисциплін: рівноважний і нерівноважний стани, релаксація і т. Д.

Але щоб методологічно грамотно використовувати термінологію природничих наук при аналізі соціальних процесів і систем потрібно в кожному конкретному випадку знайти правильну системну інтерпретацію термодинамічної моделі і закладених в ній параметрів.

9.Все сказане відноситься до так званої класичної термодинаміки або термодинаміки рівноважних процесів (іноді її називають термостатики).

Її предмет - замкнуті системи, їх рівноважні стану і процеси, які призводять такі системи до рівноваги. Класична термодинаміка дає повне кількісне опис тільки оборотних процесів (див. Далі), а для необоротних процесів встановлює лише певні нерівності і вказує напрямки їх протікання. У цьому обмеженість класичної (рівноважної) термодинаміки.

У той же час, оскільки рівноважний стан є гранична ідеалізація, цінність методів класичної термодинаміки для нас - у встановленні меж існування системи і граничних значень її параметрів, що, як зазначалося раніше, є необхідною умовою побудови і дослідження моделей реальних процесів.

10. Подальшим розвитком класичної термодинаміки стала термодинаміка нерівноважних процесів, яку називають також нерівноважної термодинаміки або термодинаміки незворотних процесів. Не розглядаючи в деталях цей розділ фізики, вкажемо лише основні особливості термодинаміки нерівноважних процесів.

Основне завдання нерівноважноїтермодинаміки - кількісне вивчення нерівноважних процесів для станів, не сильно відрізняються від рівноважних.

Зокрема, наприклад, одним із завдань є визначення швидкостей нерівноважних процесів в залежності від зовнішніх умов.

При цьому системи, в яких протікають нерівноважні процеси, розглядаються як безперервні середовища, а їх параметри стану - як польові змінні, тобто безперервні функції координат і часу.

Для макроскопічного опису нерівноважних процесів систему представляють складається з елементарних обсягів (фізично нескінченно малих елементів середовища), які, все ж настільки великі, що містять дуже велике число часток. Стан кожного виділеного елемента середовища характеризується температурою, щільністю, хімічними потенціалами, і іншими термодинамічними параметрами, залежними від координат і часу.

Кількісний опис нерівноважних процесів полягає в складанні рівнянь балансу для елементарних обсягів на основі законів збереження маси, енергії та імпульсу, а також рівняння балансу ентропії і феноменологічних рівнянь для розглянутих процесів, що виражають потоки маси, імпульсу і енергії через градієнти термодинамічних параметрів.

Більш детально питання, що цікавлять нас питання термодинаміки нерівноважних процесів розглядаються в процесі аналізу конкретних проблем.

Основні поняття і параметри,



Термодинаміка: основні положення | Характеризують термодинамічну систему.

Термодинамічні процеси: загальне поняття. | Нульовий початок термодинаміки. | Ідеальний газ і його теплоємність. | Политропического процеси. | Робота газу при политропического процесі. | Другий закон термодинаміки. | Розглянемо деякі приклади для ілюстрації пріемоввичісленія і застосування ентропії. | Все замкнуті макросистеми прагнуть переходити від станів менш ймовірних до більш імовірним. | Третій закон термодинаміки. | термодинамічні цикли |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати