Термодинамика сложных систем

ГЛАВА VII ТЕРМОДИНАМИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ [c.468]

В отличии от термодинамики, синергетика оперирует с принципами, базирующимися на микроскопических (или мезоскопических) теориях с предсказанием макроскопического поведения системы. Г. Хакен [6] показал, что принцип максимума информационной энтропии, являющийся аналогом принципа максимума энтропии Больцмана позволяет даже для сложных систем, находящихся вдали от равновесия, использовать макроскопические свойства системы для предсказания микроскопических свойств системы, если в процессе ее эволюции образуются макроструктуры. [c.11]

Сложными системами называют системы, состоящие из веществ, находящихся в разных состояниях. Компоненты, составляющие систему, могут вступать в химические реакции и переходить из одного фазового состояния в другое. Следует отметить, что независимо от природы сложных систем для них характерны общие закономерности, устанавливаемые на базе подходов макро-термодинамики и синергетики, однако подходы синергетики являются наиболее общими, охватывающими различные системы в живой и неживой природе. Эта общность связана с тем, что открытую систему (рисунок 1.1) всегда можно [c.11]

Итак, второе начало классической термодинамики есть утверждение о существовании и возрастании некоторой функции состояния тел и сложных систем — энтропии. Дифференциал энтропии есть полный дифференциал дЗ, определяемый в обратимых процессах как отношение подведенного извне элементарного количества теплоты б(3 обр к абсолютной температуре тела Т [c.56]

Сводное уравнение двух законов термодинамики для сложных систем [c.74]

Для оценки состояния таких сложных систем часто используются основные законы химической термодинамики. Хотя реальные условия могут отличаться от условий термодинамического равновесия, результаты таких расчетов всегда однозначно определяют направление изменения состояния системы с изменением температуры, концентраций отдельных составляющих системы в первоначальном состоянии и т. п. [c.28]

Феноменологическая неравновесная термодинамика используется для описания некоторых общих свойств сложных систем, например степени сопряжения систем в целом. Однако при этом неизбежно теряется часть информации, связанная с детальными сведениями о компонентах сис гемы. К тому же линейность феноменологических уравнений (в частности, уравнений Онзагера) выполняется только вблизи состояния равновесия системы. Попытки преодоления указанных недостатков предприняты в рамках мозаичной неравновесной термодинамики [21] за счет включения в термодинамическое описание информации о кинетике составляющих систему (элементарных) процессов. [c.14]

Объединенное уравнение первого и второго законов термодинамики для сложных систем имеет вид [c.157]

С принципа необратимости и начинается собственно термодинамика. Замечательна обш,ность этого принципа тенденция к переходу в равновесие есть у всякой сложной (термодинамической) системы, каковы бы ни были ее индивидуальные особенности. Поэтому следствия из принципа необратимости универсальны для всех сложных систем и специфичны для них. Исследование таких общих для больших систем закономерностей и составляет задачу термодинамики. [c.26]

Принцип существования энтропии есть утверждение второго начала классической термодинамики о существовании некоторой функции состояния тел и сложных систем — энтропии дифференциал энтропии есть полный дифференциал dS), определяемый в обратимых процессах как величина отношения подведенного извне элементарного количества тепла (6Q 6p) к абсолютной температуре тела (Г) [c.54]

Теперь мы можем сделать еще один шаг и перейти к сложным системам. Рассматривая чистые вещества в отсутствие внешних полей, можно было не вводить химический потенциал, но в термодинамике многокомпонентных систем это оказывается абсолютно необходимым. Мы должны тогда рассматривать потенциал Гиббса О как функцию не только Р, Т, но и количества каждого компонента (с — число различных компонентов) [c.112]

УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ И СВОДНОЕ УРАВНЕНИЕ ДВУХ ЗАКОНОВ ТЕРМОДИНАМИКИ ДЛЯ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ [c.89]

В заключение отметим, что существенное ограничение третьего начала термодинамики состоит в том, что оно применимо только для простых кристаллических тел. Однако имеется много путей и методов для определения с помощью третьего начала термодинамики абсолютных значений, параметров сложных систем. [c.237]

В случае сложных систем основное уравнение термодинамики для квазистатических процессов [c.42]

Иными словами, и принцип Ле Шателье, и термодинамические неравенства суть следствия представления о том, что система в равновесии находится в наиболее вероятном состоянии, а это наиболее вероятное состояние является максимумом дважды дифференцируемой функции. По существу термодинамика — это не физическая теория. Это теория того, как наше знание о возможных состояниях элементарных систем плюс гипотезы об априорных вероятностях этих состояний определяют наиболее вероятные (равновесные) состояния более сложных систем. [c.92]

Применяя общие теоремы механики или термодинамики к частным случаям потока жидкости в конкретных условиях, получают математические модели гидравлических процессов, как правило, в виде сложных систем дифференциальных уравнений в частных производных. [c.313]

H. п. системы, в к-рых протекают неравновесные процессы, рассматриваются как непрерывные среды, а их параметры состояния — как полевые переменные, т, е. непрерывные ф-ции координат и времени. Для макроскопич. описания неравновесных процессов применяют след, метод систему представляют состоящей из элем, объёмов (элементов среды), к-рые всё же настолько велики, что содержат очень большое число ч-ц. Состояние каждого выделенного элемента среды характеризуется темп-рой, давлением и др. термодинамич, параметрами, зависящими от координат и времени. Количеств, описание. неравновесных процессов при таком методе заключается в составлении ур-ний баланса для элем, объёмов на основе законов сохранения массы, импульса и энергии, а также ур-ния баланса энтропии и феноменологич. ур-ний рассматриваемых процессов, выражающих потоки массы, импульса и энергии через градиенты термодинамич. параметров. Методы Т. н. п. позволяют сформулировать для неравновесных процессов 1-е и 2-е начала термодинамики в локальной форме (зависящей от положения элемента среды) получить из общих принципов, не рассматривая деталей вз-ствия ч-ц, полную систему ур-ний переноса, т. е. ур-ния гидродинамики, теплопроводности и диффузии для простых и сложных систем (с хим. реакциями между компонентами, с учётом эл.-магн. сил и др. факторов). [c.753]

В настоящей, второй книге курса рассматриваются неравновесные системы многих частиц. Изучение таких систем является более сложной задачей. При решении этой задачи также возможны два различных подхода неравновесно-термодинамический и молекулярно-кинетический. Первый подход представляет собой обобщение термодинамики на неравновесные процессы, а второй— исходит из основного уравнения статистической физики — уравнения Лиувилля, частное решение которого уже использовалось в теории равновесных систем. [c.5]

В нашем курсе рассмотрение неравновесных систем начинается с термодинамического описания. Это, во-первых, позволяет выявить основу тех общих проблем, которые потом подробно обсуждаются в курсе, и, во-вторых, соответствует методологическому принципу постепенного перехода от простого к более сложному методу познания в процессе изучения предмета. Такое построение курса обусловлено также большими успехами, достигнутыми в последние годы неравновесной термодинамикой, которые вселяют надежду на возможное решение проблемы возникновения живого. [c.5]

Нелинейная термодинамика коренным образом изменяет статус второго начала термодинамики. Действительно, этот закон, как видим, определяет не только разрушение структур при необратимых процессах вблизи равновесного состояния, но и возникновение структур при необратимых процессах вдали от равновесия открытой системы. Отражая необратимость всех реальных процессов, второе начало выражает, таким образом, закон развития материи. Такое понимание второго начала термодинамики снимает кажущееся противоречие между этим законом о возрастании энтропии и беспорядка в замкнутой системе и теорией эволюции Дарвина о возникновении все более сложных и самовоспроизводящихся структур в живой природе. Заметим, что дело здесь не только в том, что живая система является открытой, поскольку вместе со средой она образует закрытую систему, энтропия которой также возрастает при усложнении живой системы. [c.281]

Термодинамика, как известно, изучает свойства равновесных макроскопических систем исходя из трех основных законов, называемых началами термодинамики, и не использует в явной форме представлений о молекулярной природе вещества. Феноменологический характер термодинамики приводит к важным результатам в отношении свойств систем, но, с другой стороны, ограничивает глубину изучения этих свойств, так как не позволяет вскрыть молекулярную природу исследуемых явлений. Задача обоснования законов термодинамики и расчета свойств систем на основе молекулярных представлений является предметом статистической механики, формирование которой происходило наряду с развитием термодинамики. Следует отметить, что, несмотря на принципиальную возможность расчета термодинамических свойств при помощи методов статистической механики, практическая ее реализация для реальных, в частности конденсированных, систем в настоящее время весьма сложна. [c.3]

В первой части приведены основные законы термодинамики, термодинамические процессы, дифференциальные уравнения термодинамики, равновесие простых термодинамических систем, равновесие сложных термодинамических систем с фазовыми и химиче- [c.3]

Благодаря существованию аддитивных (экстенсивных) величин в термодинамике появляется возможность рассчитывать свойства сложных систем по известным свойствам их частей, или составляющих веществ. Это является одним из наиболее существенных достоинств термодинамического метода. Действи- [c.29]

Долгое время считалось, что для нелинейных систем требуется применение законов неравновесной термодинамики. Г.П. Гладышев [2] развил подходы макротермодинамики, позволяющие использовать законы классической термодинамики для открытых систем путем введения принципа локального равновесия. В соответствии с этим принципом любая открытая система может быть представлена как квазизакрытая, в которой открытые подсистемы поме-uieHbi в термостат. Это позволяет для описания сложных систем применить уравнения классической термодинамики, используя представления о средней удельной энергии Гиббса (энергия Гиббса, отнесенная к локальному объему). [c.3]

В [16] для анализа сложных систем использованы подходы феноменологической термомеханики. Последняя отличается от феноменологической термодинамики своими постулатами. Термодинамика располагает лишь одним инвариантом движения - внутренней энергией, которая в соответствии с первым началом термодинамики при любых параметрах изолированной макросистемы остается постоянной в феноменологической термомеханике для такого типа систем неизменными остаются не один, а три меры движения - энергия, и.мпульс и момент импульса. Это позволяет во многих случаях осуществлять более детальный чем в макротермодинамике анализ свойств макросистемы. [c.12]

Второе начало классической термодинамики формулируется как объединенный принцип существования и возрастания некоторой функции состояния тел и сложных систем — энтропии (термин энтропия предложен Р. Клаузиусом en— в, внутрь и trope или tropos — обращение, путь в целом — обращение внутрь, мера обесценения энергии). Дифференциал энтропии есть полный дифференциал dS, определяемый в обратимых процессах как отношение подведенного извне элементарного количества теплоты SQ gp к абсолютной температуре Т. (в обратимых процессах внутренний теплообмен отсутствует, 5Q = 0). [c.47]

С позиций иерархической термодинамики Г.П. Гладышева снимаются критические замечания [75] в адрес теории И. Пригожина необратимых процессов. Установленный Г.П. Гладь[шевым закон иерархической термодинамики позволяет выделять квазизакрытые моноиерархиче-ские системы (подсистемы) в открытых полииерархических биологических системах. Другой подход к анализу эволюции систем развит И. При-гожиным. Он рассматривает эволюцию сложных систем как иерархическую последовательность устойчивость-неустойчивость-устойчивость , представленную в виде бифуркационной диаграммы. Точки бифуркаций на этой диаграмме отвечают переходам от равновесного к неравновесному состоянию. Они контролируются потерей устойчивости симметрии системы, при достижении которой система становится открытой. Это означает необходимость учета в этих точках открытости системы, т.к. термодинамика равновесных процессов в данном случае не применима. Понимая эту ситуацию И. Пригожин ввел представления о производстве энтропии, придав таким образом энтропии информационную, а не только управляющую роль. [c.40]

Причина столь резких высказываний связана с тем, что квантовая механика в течение длительного времени развивалась без привлечения подходов физики. Можно сказать, что И. Пригожин открыл дверь из тюрьмы. Квантовая теория И. Пригожина базируется на междисциплинарном подходе к анализу сложных систем микромира, включающем рассмотрение эволюции систем на основе объединения достижений неравновесной термодинамики (неравновесные физико-химические процессы), физики (механизм необратимости процесса), математики (условия интегрируемости и не интегрируемости функций), механики (нелинейный резонанс) и др. Это позволило дать единую формулировку квантовой теории, с учетом того, что как в классической, так и в квантовой механике, существуют описания на уровнях траекторий, волновых функций или статических распределений (распределение вероятности). Когда речь идет о том, что система находится в определенном состоянии, с точки зрения классической механики, это состояние отвечает точке в фазовом пространстве, а в квантовой теории - это волновая функция. В перовом случае мы имеем дело с макромиром, а во втором -с микромиром (наномиром), для которого каждому значению энергии частицы соответствует определенная частота колебаний (о [c.66]

Переход от биосистем, являющихся открьгтыми, к эволюции сложных систем в виде неорганических материалов при внешнем воздействии, связан с большими трудностями, т.к. традиционное материаловедение базируется на классической термодинамике равновесных и квази-равновесных процессов, а принципы синергетики определяют эволюцию систем в сугубо неравновесных условиях. К настоящему времени подходы к решению этой проблемы нашли отражение в ряде теорий, рассмотренных ниже. [c.198]

Когда внешние условия неизменны, необратимость движения термических систем проявляется как стремление к равновесию. Выражением этого обш,его свойства является принцип необратимости, из которого мы уже вывели многие, часто совсем неочевидные свойства равновесных состояний. Можно подумать, что вообш,е все законы термодинамики должны вытекать из принципа необратимости. Во всяком случае, так должно было бы быть, если бы принцип необратимости был единственным обш,им свойством сложных систем. На самом деле это не так. Впоследствии мы увидим, что все термодинамические законы действительно вытекают из необратимости движения термических систем, поэтому необратимость единственное специфическое обш,ее свойство таких систем, по крайней мере, насколько это сейчас известно. Однако то, что мы назвали принципом необратимости, не исчерпывает всего, что можно сказать о необратимости движения. Как, например, проявляется необратимость, если ограничиваюш,ие систему механические тела не неподвижны, а меняют свое состояние В меняюш,ихся внешних условиях стремление к равновесию, которое, по-видимому, и есть суш,ность необратимости, не может проявиться полностью, поскольку само предельное состояние, к которому должна стремиться система, зависит от состояния внешних механических тел и энергии системы, а здесь и то, и другое все время меняется. [c.41]

Термодинамика Н. и. основана, с одной стороны, на законах сохранения энергии, массы и импульса и законе измонешш энтропии, а с другой — на линейных соотношениях 1 ге кду термодинамич. силами и потоками (см. ниже). Она позволяет сформулировать для II. п. 1-0 и 2-е начала, получить полную систему ур-иий гидродинамики, тонлонроводности и диффузии для простых U сложных систем (с хим. [c.413]

Гетеромолекулярный процесс состоит из двух стадий. Первая стадия образования частиц представляет собой газофазную химическую реакцию газа при низком давлении паров. Вторая стадия сводится к описанному выше гомогенному процессу образования частиц. Детальные исследования термодинамики сложных процессов гетеромолекулярной нуклеации таких многофазных систем как атмосфера, только начались. Поэтому до сих пор остается большое число неясных вопросов. В частности, не решены задачи об участии в этих процессах паров различных веществ, хотя и отмечается лидирующая роль образования зародышей при участии паров воды и серной кислоты. Недостаточно исследована роль паров сложных органических соединений и роль всегда присутствующих в атмосфере других частиц, а также роль дополнительных [c.101]

Книга преследует 11ель познакомить читателя с возможностями современной термодинамики и привить ему навыки самостоятельной работы по термодинамическому моделированию реалынмх систем. Она содержит достаточно подробный анализ понятий и методов термодинамики и примеры ее практического использования. Особое внимание уделяется. современным численным методам расчетов сложных химических и фазовых равновесий. Рассмотрены различные физические воздействия на термодинамические системы с химическими реакциями, такие как внешние силовые поля. [c.2]

Другим направлением, стремительно развивающимся в последние годы, является синергетика, изучающая закономерности самоорганизации структур. Подходы синергетики также позволяют описывать сложное поведение открытых систем, не вступая в противоречие со вторым законом термодинамики. Как показал И. Пригожин с сотрудниками [3-5] открытые системы способны к са-мооптимизации путем самоорганизации диссипативных структур. Стабилизация открытой системы достигается при этом ценой компенсирующего произ- [c.3]

Последовательность различных курсов как общей, так и теоретической физики определяется прежде всего постепенным переходом к изучению все более сложных форм движения соответствующих структурных видов материи (макротела, молекулы, атомы, элементарные частицы и поля). Механика изучает закономерности простейшей формы движения — относительного перемещения тел в пространстве во времени. Термодинамика и статистическая физика рассматривают явления, обусловленные совокупным действием огромного числа непрерывно движущихся молекул или других частиц, из которых состоят окружающие н с тела. Благодаря очень большому количеству частиц беспорядочное их движение приобретает новые качества макроскопические свойства систем из большого числа частиц в обычных условиях совершенно не зависят от начального положения этих частиц, в то время как механическое состояние системы существенно зависит от начальных условий. Это один из примеров диалектического закона перехода количестЕ енных изменений в качественные возрастание количества механически движущихся частиц в системе порождает качественно новый вид движения — тепловое движение. Тепловое движение представляет собой изменения системы, обусловленные ее атомистическим строением и наличием огромного числа частиц оно связано с молекулярным механическим движением, но этим не исчерпывается его сущность. Всякое движение, — писал Ф. Энгельс, — заключает в себе механическое движение, перемещение больших или мельчайших частей материи познать эти механические движения является первой задачей науки, однако лишь первой ее задачей. Но это механическое движение не исчерпывает движения вообще. Движение — это не только перемена места в надмеханических областях оно является также и изменением качества. Открытие, что теплота представляет собою некоторое молекулярное движение, составило эпоху в науке. Но если я не имею ничего другого сказать о теплоте кроме того, что она представляет собой известное перемещение молекул, то лучше мне замолчать . Определяющим для возникновения теплового движения является не механическое движение от- [c.7]

Методы классической термодинамики применимы только для ис-слсдоваиия систем, находяш,нхся в равновесных состояниях. Отсутствие равпэвесия внутри термодинамической системы приводит к сложной заБнеимоетн параметров состояния от времени и положения точки внутри систем , , что делает невозможным применение термодинамических методов. [c.17]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...