ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Равновесные состояния и равновесные процессы из "Термодинамика, статическая физика и кинетика Изд.2 " Будем называть термодинамической системой любое макроскопическое тело, находящееся в равновесном или близком к равновесному состоянии. [c.12] Состояния любой термодинамической системы могут быть заданы с помощью ряда параметров. Так, например, состояния газа или жидкости (однородные системы) могут быть заданы с помощью параметров Р (давление), V (объем), Т (температура) состояния пленки жидкости — с помощью параметров а (коэффициент поверхностного натяжения), о (площадь пленки) и Т состояния стержня — с помощью параметров / (длина), о (площадь поперечного сечения), / (растягивающая сила), Е (модуль Юнга) и т. д. [c.13] Следует, однако, заметить, что не в любом состоянии системы все ее параметры имеют определенный смысл. Так, например, представим себе сосуд, разделенный на две половины перегородкой с краном, и пусть вначале в левой половине находится газ, а в правой — вакуум. Если мы откроем теперь кран, то из крана вырвется струя газа. Ясно, что в первые моменты этого процесса объем газа будет неопределенным — плотность газа в правой половине сосуда будет меняться от точки к точке по какому-то сложному закону, и указать границы объема, в котором находится газ, невозможно. [c.13] Возможны также состояния, в которых какой-либо параметр системы различен в разных точках, так что единого значения этого параметра для всей системы не существует. Можно, например, представить себе систему, температура которой меняется от точки к точке, или газ, в разных точках которого давление различно. Опыт показывает, однако, что в таких состояниях термодинамических систем существуют потоки (поток тепла, поток массы газа и т. д.), и эти состояния не остаются неизменными, если они не поддерживаются искусственно с помощью теплонепроницаемых перегородок, газонепроницамемых стенок и т. д. По прошествии некоторого времени устанавливается состояние, в котором каждый такой параметр имеет одно и то же значение во всех точках системы и остается неизменным сколь угодно долго, если не меняются внешние условия. Такие состояния называются равновесными. Если равновесие не установилось и в системе существуют градиенты макроскопических параметров (давления, плотности, температуры и т. п.), состояние называется неравновесным. [c.13] Процесс перехода термодинамической системы из неравновесного состояния в равновесное называется процессом релаксации. При этом для выравнивания значения каждого параметра по всему объему системы существует свое характерное время — время релаксации для данного параметра. Роль полного времени релаксации играет, очевидно, максимальное из этих времен. Вычисление времен релаксации для разных процессов не может быть выполнено в рамках термодинамики, так как механизм релаксации есть по существу процесс переноса молекулами (атомами, электронами и т. д.) энергии, массы, импульса и аналогичных физических величин. Оценка времени релаксации есть поэтому задача физической кинетики. [c.13] Представим себе процесс, протекающий в термодинамической системе со скоростью, значительно меньшей скорости релаксации это значит, что на любом этапе этого процесса значения всех параметров будут успевать выравниваться и такой процёсс будет представлять собой цепочку бесконечно близких друг к другу равновесных состояний. Такие достаточно медленные процессы принято называть равно-весньши или квазистатическими. Ясно, что все реальные процессы являются неравновесными и могут лишь в большей или меньшей степени приближаться к равновесным. [c.14] Заметим далее, что при равновесном процессе в любой момент времени градиенты всех параметров равны нулю. Отсюда следует, что в силу симметрии процесс в системе может идти как в прямом, так и в противоположном направлениях (как в направлении возрастания, так и в направлении убывания любого из параметров системы). Поэтому равновесный процесс может быть обращен во времени, и при обратном процессе система пройдет через те же состояния, что и при прямом процессе, но в обратном порядке. В связи с этим равновесные процессы называют также обратимьши. [c.14] В термодинамике широко используется графический метод изображения состояний и процессов. Так, например, в случае однородных систем (газ или жидкость) состояния системы изображают точками, а процессы — линиями на плоскости Р . Легко понять, что такое графическое изображение возможно только для равновесных состояний и равновесных (обратимых) процессов, так как определенные значения параметров (например, давления) система имеет только в равновесных состояниях. В дальнейшем, вплоть до главы IX, мы будем везде, где это не оговаривается особо, рассматривать равновесные процессы. [c.14] В заключение этого параграфа заметим, что параметры, описывающие состояния системы, не являются независимыми, а связаны одним или несколькими уравнениями, которые называются уравнениями состояния. Так, например, в случае газа существует зависимость между давлением, температурой и объемом —/(Р, ,Т) = 0,в случае стержня — связь между величиной растягивающей силы, температурой и длиной стержня и т. д. Методами термодинамики вид уравнений состояния не может быть установлен, и термодинамика черпает знание уравнений состояния из опыта или из других разделов теоретической физики (обычно из статистической физики). Однако и в статистической физике нахождение уравнений состояния представляет собой весьма сложную задачу, решенную лишь для небольшого числа простейших систем. [c.14] Вернуться к основной статье