V000076 Реферат Общие представления о неравновесной термодинамике

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ………………………………………………………………….. 3

Понятия, история и основные законы термодинамики ……………. 4

Основная формулировка неравновесной термодинамики ………… 9

Диссипативные структуры и второе начало термодинамики …..... 12

Заключение ………………………………………………………………. 16

Приложение 1…………………………………………………………..... 17

Приложение 2 …………………………………………………………… 18

Список используемой литературы …………………………………… . 19

ВВЕДЕНИЕ

Термодинамика - раздел прикладной физики, который изучает изменения движения тепла. В термодинамике рассматриваются не только проблемы распространения теплоты, но и физическо-химические изменения, связанные с поглощением теплоты веществом, либо выделением теплоты в процессе этих изменений.

Термодинамика широко используется в физике, химии при анализе процессов, в так же биологии, в двигателестроении, теплотехнике, авиационной, ракетно-космической технике. Изначально в термодинамике особый интерес уделялось обратимым процессам (равновесным), и термин, подходящий ей - "термостатика".

В наше время основная проблема термодинамики – применение ее к необратимым процессам. На сегодняшний день достигнуты огромные успехи в построении теории. Поэтому данная работа посвящена неравновесным процессам, основываясь на позиции выдающегося физика, Пригожина Ильи Романовича, масса работ которого связаны с неравновесной термодинамикой и статистической механикой необратимых процессов.

Основные понятия термодинамики и основные термодинамические процессы, которые непосредственно взаимодействуют c окружающей средой, законы и формулировки, и более конкретно неравновесная термодинамика,  будут рассмотрены мной в работе.  

«На наших глазах рождается наука, не ограничиваемая

более идеализированными и упрощенными ситуациями,

 а отражающая всю сложность реального мира…»

И. Пригожин

Понятия, история и основные законы термодинамики

Квантовая физика, установив понятие микросостояния, посодействовала рассмотрению теплового равновесия как макросостояния.

Внешняя среда макрообъектов в условиях термического равновесия называют термостатом. Количество элементов в термостате всегда на много порядков больше, чем количество элементов в рассматриваемом макрообъекте, к примеру, в озере по сравнению c брошенным в него камнем. Однако есть вероятность увеличить макросостояние до мегасостояния, тогда в термостат можно вовлечь мегасистемы и даже Вселенную.

Термодинамика (с греч. therme - «теплота» и  dynamic - «сила») - это концепция тепловых явлений, в которой объект и термостат рассматривают, не учитывая их атомно-молекулярной структуры. В феноменологической термодинамике рассматривают только макроскопические величины, что при соблюдении  условий пренебрежения флуктуациями температуры и энергии создает термодинамику динамической доктриной.

Флуктуация - это  случайное отклонение системы от ее закономерного состояния - равновесия или ненамеренные отличия, измеряемых величин от их средних значений.

Состояние макрообъекта задается совокупностью макропараметров:

Экстенсивные (параметры, относящиеся к характеристикам макрообъекта) – внутренняя энергия (Wвн.), число единиц (N), объем (V), масса (m). Они имеют смысл, как для макрообъектов, так и для микрообъектов.

Интенсивные макропараметры - температура. (T), давление. (p) и химический потенциал. (µ) - задают условие теплового равновесия при связи между макрообъектом и термостатом.

Условия теплового равновесия для конкретных типов связей между макрообъектом и термостатом:

Механическая связь, (равенство давлений):

p1=p2;dA=pdV;р=dFn/dS.

Тепловая (энергетическая) связь, (равенство температур):

T1 = T2 = Tприб..

Смена энергии совершается на микроуровне без изменения объема и массы вещества макрообъекта. Такого рода связь находят характеризующей в равновесной термодинамике, а температуре дают всестороннее значение функции термодинамического макросостояния.

Корпускулярная, (диффузионная) связь, (равенство химических потенциалов):

μ1 =µ2.

Здесь, химический потенциал (µ) определяет среднюю энергию, передаваемую одной частичкой, через грань между макрообъектом и термостатом.

До появления термодинамики понятие «время» отсутствовало, в классической физике в том варианте, в каком оно рассматривается в реальной жизни, и науках, изучающих процессы, происходящие во времени, и имеющих свою историю. Несмотря на то, что в качестве переменной «время» включено во все уравнения классической и квантовой механики, оно отображает внутреннюю неизменность, которая возникает в системе. Именно по этой причине в уравнениях физики его символ можно менять на противоположный (относить и  будущему, и к прошлому).

Термодинамика анализирует системы, между которыми вероятен обмен энергией, без учета микростроения тел и характеристик единичных элементов.

Термодинамика бывает равновесная (классическая) и неравновесная термодинамика. Классическая термодинамика, изучающая тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества, составляет основу Термодинамической Картины Мира (ТКМ), сложившаяся к середине 19 в. Неравновесная термодинамика развивалась со второй половины 20-го века и играет особую значимость при анализе биологических систем и парадоксе жизни в целом.

Когда физика вплотную увлеклась изучением тепловых процессов, (классическая термодинамика), она повествовала законы движения тел под влиянием только внешних сил, забывая о внутренних изменениях механических систем. Термодинамика же появилась из обобщения множественных фактов, которые описывали явления передачи, распространения и перевоплощения тепла, и изучала физические направления при различных преобразованиях тепловой энергии..

В начале 19 в. появились пароходы, стартовало строительство железных дорог. Поэтому использование пара выдвинуло на первый план изучения тепловых явлений, поиск путей повышения эффективности паровых машин. В начале века термодинамика выступала как механическая теория теплоты, но к концу века она представляла уже собой общую теорию, относимую к различным физико-химическим действиям, совершающиеся в веществе, в различных системах. Значимым достижением на пути процесса повышения познаний в этой области, стало открытие фундаментального закона природы - закона сохранения и превращения энергии.

C. Карно - основатель термодинамики -  в собственном труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способах развивать эту силу» написал: «Тепло - это не что иное, как движущая сила, или вернее движение, изменившее свой вид. Это движение частиц тел.: движущая сила существует в неизменном количестве, она никогда не создается, никогда не уничтожается, но может менять форму - вызывает то один род движения, то другой....»  Закон сохранения и превращения энергии здесь будет звучать, если вместо «движущей силы»  подставить «энергию». Термин «энергия» был введен Юнгом в 1807 г., который дал определение: «Энергия равна произведению массы тела(m)  на квадрат его скорости (v^2) »:

Е=mv^2.

Энергия одного тела, переданная  второму телу равна, полученной энергии второго телом. В механике, оценивая процесс обмена энергией между телами, применяется понятие работы силы, вызывающей движение.

Кинетическая энергия механической системы есть сила, вызывающая движение тела, совершающая работу, при этом энергия, двигающегося тела увеличивается на величину затрачиваемой работы. Тело, массой (m), совершающее движение со скоростью (v), обладает кинетической энергией и записывается в таком виде:

Е=(mv^2)/2.

Потенциальная энергия – это механическая энергия системы тел, взаимодействующие при помощи силовых полей, к примеру, с помощью гравитационных сил. Совершаемая сила, при работе тела зависит только от положения тела в силовом поле.

Полная механическая энергия рассчитывается как сумма кинетической и потенциальной энергии:

E = Е_(кин.)  + Е_(пот.).

Можно выделить следующие начала равновесной термодинамики:

Первое начало термодинамики.

При равновесном переходе системы, между двумя макросостояниями, смена внутренней энергии не зависит от типа процесса, с помощью которого приведен этот переход:

dWвн= δQ - δA ..

Второе начало термодинамики является универсальным законом сохранения энергии при равновесных процессах путем механической работы и теплообмена (теплопередачи энергии), и указывает на необратимость тепловых процессов. Основоположники формулировки - Р. Клаузиус  (1850) и У. Томсон (1851).