Энергия системы, находящейся в неравновесном состоянии

Энергия системы, находящейся в неравновесном состоянии [c.67]

Рис. 5.1. К определению энергии системы, находящейся в неравновесном состоянии.

Энергией системы, находящейся в неравновесном состоянии, называется энергия такого устойчивого состояния, которое установится в ней после мгновенной изоляции ее от внешних тел и неизменности всех наложенных связей. [c.68]

Физические системы, находящиеся в равновесном состоянии, всегда и.меют положительную абсолютную температуру (отсчитываемую от абсолютного нуля). Иное положение для неравновесных состояний. Путем определенного внешнего воздействия физическую систему, по крайней мере в отношении некоторых степеней свободы, можно привести к такому неравновесному состоянию, при котором энтропия, связанная с данными степенями свободы, будет не возрастать, а уменьшаться с увеличением энергии системы, т. е. производная (дЗ/ди)]/ = /Т, а следовательно, и Т будут отрицательны [c.639]

М. п. удовлетворяет квант, ур-нию Лиувилля (или уравнению Неймана), к-рое определяет закон эволюции М. п. во времени и служит основой для неравновесной статистич. механики. Это ур-ние позволяет вычислить реакцию статистич. системы, находящейся в статистич. равновесии, на внешние возмущения (напр., на включение электрич. или магн. поля), а также построить статистич. операторы для систем, находящихся в неравновесном состоянии, когда имеются потоки частиц, энергии или импульса. [c.398]

Пусть имеется система, находящаяся в состоянии неполного термодинамического равновесия. Понятие энтропии вводится и для систем с конечным отклонением от равновесия. Для описания термодинамического состояния такой системы вводится параметр неравновесности Д (или несколько таких параметров 1=1, 2,. ..). Считаем, что внутренняя энергия е, отнесенная к единице массы, есть ф ункция плотности р, энтропии 15 и параметров неравновесности В состоянии равновесия (Эе/(9 ,=0. Обозначим через значение параметра в состоянии термодинамического равновесия. [c.43]

МНОГИХ устойчивых состояний УСь УС2, УСз и т. д. (см. схему на рис. 5.1), которые могут реализоваться в результате взаимодействия с окружающими телами, в системе всегда устанавливается состояние y i после внезапной изоляции от окружающей среды системы, находящейся в данном неравновесном состоянии Аоь Кроме того, энергия является некоторой термодинамической характеристикой, а, по определению характеристики, с состоянием y i связано единственное значение энергии, которое мы обозначим El. Следовательно, неравновесное состояние Aoi и все промежуточные неравновесные состояния (показанные точками на рис. 5.1), проходимые системой после изоляции в процессе перехода к УС1, обладают одной общей чертой — в отсутствие взаимодействия с окружающими телами из всех этих состояний система в конечном итоге переходит в состояние УС1 с энергией Ei. Вспомним, что в адиабатических процессах энергия системы изменяется в результате ее взаимодействия с окружающими телами, а также отметим, что в рассмотренном здесь случае такие взаимодействия отсутствуют. Это дает нам возможность определить энергию системы в неравновесном состоянии, никоим образом не привлекая представлений о сохранении энергии [c.68]

С особой простотой термодинамический метод исследования применяется к системам, находящимся в состоянии равновесия. При отсутствии равновесия картина очень усложняется. Между тем нас прежде всего интересуют процессы взаимного преобразования энергии, связанные с изменением состояния системы. Но мы уже установили, что изменения состояния возникают в условиях неравновесного взаимодействия с окружающей средой (при наличии разности потенциалов системы и окружающей среды, т. е. разности температур, давлений и т. п.). При этом в системе неизбежно образуется сложное распределение соответствующих потенциалов (температуры, давления и т. п.). Система реагирует на внешнее воздействие прежде всего на поверхности. Затем возмущение постепенно (с той или иной скоростью) распространяется внутрь. В любой момент этого процесса состояния системы являются неравновесными. [c.44]

В неравновесном состоянии внутренние параметры системы уже не являются функциями внешних параметров и температуры. Поэтому неравновесное состояние системы мы должны характеризовать, помимо задания внешних параметров и температуры (или энергии системы), еще заданием одного или нескольких внутренних параметров. Например, чтобы определить состояние га а, не находящегося в равновесии, помимо объема его сосуда и его полной энергии, нужно задать еще распределение плотности внутри сосуда, а в случае, если его температура не одинакова в разных местах, еще и распределение температуры. Если мы имеем смесь веществ, способных к химической реакции, то, помимо объема и температуры, мы должны еще задать число молей прореагировавших веществ (при равновесии эти последние были бы функциями объема и температуры, и их не нужно было бы задавать отдельно). Энтропия и свободная энергия в неравновесном состоянии должны быть функциями состояния, в этом случав они должны зависеть от большего числа переменных, чем при равновесном состоянии, а именно, должны быть функциями не только внешних параметров и температуры, но еще и внутренних параметров, характеризующих рассматриваемое неравновесное состояние. [c.101]

Создание неравновесного состояния — необходимое условие для самопроизвольного возникновения центров новой фазы. В равновесных условиях возможность их появления исключена. В различных точках газообразной или жидкой атомной или молекулярной системы, находящейся в термодинамическом равновесии, непрерывно возникают флуктуации, то есть отклонения величин некоторых параметров системы от их наиболее вероятных (средних) значений. Флуктуации плотности и концентрации в исходной фазе могут приводить к изменению фазового состояния, то есть к образованию зародышей новой фазы. Такие флуктуации сопровождаются изменением свободной энергии системы, однако энергия образующихся частиц (зародышей) новой фазы в системе, находящейся в термодинамически равновесном состоянии, значительно превышает энергию таких же частиц исходной фазы и флуктуационно возникшие частицы новой фазы быстро распадаются. Образование центров новой фазы в равновесных условиях оказывается энергетически не выгодным. Ниже будет показано, что создание неравновесного состояния для кристаллизации (конденсации) исходной фазы необходимо для сообщения системе дополнительной энергии, требуемой для того, чтобы процесс образования центров новой фазы сделать энергетически выгодным. [c.172]

Как уже неоднократно было отмечено, мир, в котором мы живем, не является термодинамически равновесным. Тепловое излучение при 2,8 К, заполняющее Вселенную, не находится в тепловом равновесии с галактической средой. Если рассуждать в земном масштабе, атмосфера, биосфера и океаны находятся в неравновесном состоянии из-за постоянного притока солнечной энергии. В лабораторных экспериментах мы также достаточно часто сталкиваемся с явлениями, представленными системами, находящимися вне состояния термодинамического равновесия, поэтому равновесные системы пока остаются исключениями. [c.319]

Заметим, что хотя взаимодействие спинов не вносит заметного вклада в выражение энергии, оно имеет существенное значение в том смысле, что может привести и удержать на некоторое время систему с указанным выше распределением спинов-, благодаря чему рассматриваемое состояние может считаться статистически равновесным, а следовательно,и подчиняющимся соотношениям статистической термодинамики. Указанный вывод вытекает из соотношения времен спин—спиновой и спин — решеточной релаксации первое имеет порядок 10 сек, а второе 10 сек. Соответственно этому система спинов в промежутке времени от 10 до 10 сек после перемены направления магнитного поля может рассматриваться как находящаяся в статистическом равновесии. Вообще же состояние спинов, ориентированных против поля, является, конечно, неравновесным и через 10 сек разрушается, т. е. переходит в полностью равновесное. [c.92]

Для термодинамиче ских систем, находящихся в состоянии равновесия, абсолютная температура T xl,x2,xз,t) — одно из основных реактивных переменных, определяющих свободную энергию системы. Если же протекающий в термодинамической системе процесс неравновесен (или локально неравновесен, т. е. неравновесен в окрестности произвольной точки среды), то в рассмотрение вводят еще и термодинамическую температуру Ф(ж1, Ж2, Жз, ), которая совпадает с абсолютной, если скорость изменения Ф равна нулю. Если абсолютная температура Т служит мерой средней кинетической энергии в равновесном процессе, то термодинамическая — в неравновесном. [c.103]

Равновесные состояния сред, называемых простыми, определяются двумя независимыми параметрами, например плотностью и температурой при этом внутренняя энергия и другие величины являются функциями этих параметров, т. е. являются, как говорят, функциями состояния. Однако в механике сплошных сред наряду с равновесными состояниями изучаются и неравновесные состояния, для которых, вообще говоря, нельзя ввести понятия температуры в указанном выше смысле. Тем не менее применение законов термодинамики в механике сплошных сред будет оправдано, если ограничиться сравнительно медленными процессами, для которых в каждый момент времени любую частицу среды, являющуюся достаточно малой, но макроскопической системой, можно считать находящейся в своем равновесном состоянии, а состояния соседних частиц можно считать достаточно близкими друг к другу. Такие состояния называются локально равновесными. [c.477]

Рассмотрим термодинамику, т. е. уравнение состояние двухатомного газа, находящегося в процессе неравновесного возбуждения (либо дезактивации) его колебательных степеней свободы. Здесь мы пойдем по тому же пути, что и в общем случае. Будем считать, что, несмотря на наличие неравновесных состояний в системе в целом вследствие наличия необратимых процессов перехода поступательной энергии в колебательную, газ в определенном смысле подчиняется закономерностям равновесной термодинамики. [c.35]

Коэффициент а зависит от того, сколько частиц микросистемы (среды) находится на верхнем и нижнем энергетических уровнях, т. е. от заселенности уровней. При малой заселенности верхнего уровня наблюдается поглощение, при большой - излучение. Принцип получения стимулированного излучения, лежащий в основе работы лазеров, поясняет рис. 15. Слева на систему, находящуюся в неравновесном состоянии (/), упал квант света с частотой перехода с верхнего уровня 2 на нижний Е . Этот квант мог бы сообщить системе дополнительную энергию. Но система уже имеет избыточную энергию, так как на верхнем уровне значительно больше частиц, чем на нижнем, т. е., верхний уровень перезаселен, и поэтому дополнительная энергия [c.24]

Одно из первых обобш.ений заключается в предположении, что термодинамические функции и параметры сохраняют свое значение и смысл для неравновесных состояний. Для таких функций, как внутренняя энергия и энтропия, подобное обобш,ение представляется естественным, так как ясно, что при неравновесном состоянии внутренняя энергия и энтропия имеют определенные значения. Это относится и к объему неравновесной системы и к некоторым другим внешним параметрам. Более сложным является вопрос о давлении (плотности) и температуре, которые в разных частях неравновесной системы могут иметь разное значение и поэтому для системы в целом неопре-делены. В этом случае целесообразно разбить систему на части (подсистемы), которые с достаточной степенью приближения будут характеризоваться определенными значениями давления и температуры. При таком подходе любая система представляется совокупностью находящихся в локальном равновесии подсистем. Другая возможность заключается в введении при рассмотрении необратимого процесса некоторых внешних силовых и температурных полей, с помош,ью которых можно осуществить равновесное состояние с таким же распределением давления и температуры, как и в неравновесном состоянии [2]. [c.154]

Сжатые газы как вторичный ИЭ стали применяться сразу же после изобретения компрессора. Несмотря на это даже в термодинамике термин упругостная энергия не применяется (иногда говорят энергия давления ). Вероятно, дело в том, что при изотермическом расширении газа работа совершается за счет тепла окружающей среды, при адиабатном — за счет внутренней энергии , а при политропном — за счет того и другого. Упругостная энергия в явном виде здесь не фигурирует. Но если система, находящаяся в термически неравновесном состоянии с окружающей средой (ТТо.с при р = jDo. ), общепризнано обладает запасом тепловой энергии, то и система, находящаяся в механически неравновесном состоянии (р > ро.с при Т = То.с), тоже дол- [c.113]

Высокая направленвосп нзлученвя. Для получения высокой направленности лазерного пучка и для вовлечения в процесс излучения всех возбужденных частиц, находящихся в микросистеме, ее располагают между двумя зеркалами. Одно из них делают полупрозрачным, а другое - с почти максимальным коэффициентом отражения глухое зеркало, как его называют оптики). На рис. 17 показано шесть стадий излучения. На первой стадии все атомы активного вещества, кроме двух, находятся в нормальном (невозбужденном) состоянии. На второй стадии излучения микросистема, которую для краткости будем называть средой, подвергается воздействию электромагнитного поля - оно обозначено стрелками. Это приводит к тому, что часть энергии передается атомам системы - число возбуждаемых частиц теперь превышает число невозбужденных. Среда перешла в неравновесное состояние. [c.27]

Иерархическая термодинамика (макротермодинамика или структурная термодинамика) изучает сложные гетерогенные химические и биологические системы, прежде всего открытые системы, обменивающиеся со средой веществом и энергией. Согласно иерархической термодинамики подобная система представляется в виде совокупности соподчиненных подсистем, иерархически связанных расположением в пространстве (структурная или пространственная иерарх,уя) и (или) временами установления равновесия (рис. 1.8). Отмечено, что возникновение структур различных иерархий биомира позволяет ввести представления о термодинамической самоорганизации (самосборка). Г.П. Гладышев рассматривает термодинамическую самоорганизацию как процесс самосборки, т.е. самопроизвольное упорядоченное объединение структур i-й иерархии с образованием структур (i+1)-й иерархии. Процесс самосборки является неравновесным процессом типа фазового перехода [72]. Введение понятия термодинамическая самоорганизация является важным в связи с необходимостью отличать этот тип самоорганизации от динамической самоорганизации (или - просто самоорганизаций в терминологии И. Пригожина) - процесса, в ходе которого возникает, воспроизводится или совершенствуется организация динамической Системы, находящейся в состоянии, далеком от равновесия. [c.38]

Последнее заключение уже может быть непосредственно сопоставлено с опытом. Чтобы представить себе результат сравнения, достаточно учесть, что именно установление равномерного распределения на поверхности заданной энергии (при эргодическом мероопределении) характеризует произошедшую в системе релаксацию. Если бы в действительности— в полном реальном ансамбле — системы были бы равномерно распределены на поверхности заданной энергии, то практически возможность встретить систему в неравновесном состоянии была бы совершенно исключена это было бы столь же мало вероятно, как и возможность встретить систему в неравновесном состоянии после времени релаксации. (Мы говорим здесь о вероятностном распределении систем в реальном ансамбле, забывая о том, что, согласно 13, это незаконно указанный вероятностный закон следует себе представить, например, подобно вероятностному закону в реальном ансамбле, образованном колодой карт, в примере 13 в настоящем параграфе мы ставим себе целью, следуя за обычным ходом рассуждений в классической теории, выяснить возможности, предоставляемые использованием понятия реального ансамбля, независимо от аргументации 12 и 13.) В действительности мы находим сколько угодно систем, не находящихся в состоянии равновесия констатируем наличие разностей температур частей тела или различных тел, наличие разностей давлений и концентраций и т. д., одним словом,— наличие всевозможных кинетических процессов, свидетельствующих об отсутствии термодинамического равновесия в тех системах, в которых они происходят. Таким образом, сделанные нами предположения приводят нас к выводу о практической невозможности (ничтожно малой вероятности) явлений, наблюдаемых в действительности. Следовательно, наши предположения должны быть отвергнуты. [c.76]

Система может находиться в неравновесном состоянии благодаря потокам энергии и вещества. В предыдущей главе приведены примеры неравновесных систем в линейном режиме. Для понимания природы неравновесных состояний в этой главе изучим более детально некоторые из этих систем. В общем случае система вдали от состояния термодина.мического равновесия не обязана находиться в стационарном (пе зависящем от времени) состоянии. Действительно, как мы увидим в гл. 18 и 19, находящаяся вдали от равновесия система, для которой линейные феноменологичекие соотношения не выполняются, может проявлять очень сложное поведение, такое, как колебания концентраций, распространение волн и даже хаос. В линейном режиме, однако, все системы приходят к стационарному состоянию, в котором производство энтропии постоянно. Для лучшего понимания причин возникновения энтропии и появляющегося в неравновесном стационарном состоянии в линейном режиме потока энтропии рассмотрим несколько простых примеров. [c.368]

Де11ствителы1о, вследствие полной хаотичности теплового движения молекул каждое из микросостояний, отвечая одному и тому же значению внутренней энергии системы, должно встречаться одина]сово часто и является поэтому равновероятным. Если наблюдать систему, находящуюся в неизменных внешних условиях достаточно долго, то каждое из возможных микросостояний системы реализуется одинаковое число раз. Но это означает, что частота появления микросостояний с одинаковым распределением молекул по энергиям будет тем большей, чем больше число способов, которыми осуществляется данное распределение, т. е. чем больше термодинамическая вероятность этого микросостояния. Молекулярное состояние системы, которое достигается меньшим числом способов, т. е. имеет меньшую термодинамическую вероятность, будет встречаться менее часто и, следовательно, будет менее вероятным по сравнению с состоянием, которое может быть осуществлено большим числом способов и имеет соответственно большую термодинамическую вероятностч. Из этого следует, что состояние с максимальным значением термодинамической вероятности (это значение обозначается в дальнейшем через является наиболее часто — практически почти всегда — встречающимся и представляет собой то, что мы называем равновесным состоянием системы. Все другие состояния системы, термодинамическая вероятность которых меньше максимальной, являются с этой точки зрения неравновесными состояниями системы. [c.89]

Рассмотрим какое-либо тело, находящееся в окружающей среде, давление р и температура 7 которой постоянны. Энтропия расширенной системы, т. е. тела и окружающей среды, S равна сумме энтропий тела и окружающей среды. При равновесии между телом и окружающей средой энтропия S является функцией внутренней энергии U всей системы (т. е. тела и окружающей среды), изображенной на рис. 10.1 сплошной кривой . Если тело не находится в равновесии с окружающей средой, то его состояние изображается точкой Ь, лежащей ниже указанной кривой S ( / ), поскольку энтропия системы в равновесном состоянии больше, чем в неравновесном. Длина вертикального отрезка аЬ численно равна разности энтропий системы в равновесном и неравновесном состояниях, отвечающих одному и тому же значению полной энергии системы. Длина горизонтального участка сЬ численно равна изменению полной энергии системы при обратимом адиабатическом (S = onst) переходе из состояния с равновесия со средой, соответствующего значению энтропии 5 , в состояние Ъ, отвечающее тому же значению энтропии. Но при неизменной энтропии системы убыль внутренней энергии системы U — Vl представляет собой максимальную работу L,naxj [c.336]

Для сред, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, е", ц">0, что соответствует именно диссипации энергии (положительные потери [24]). Для неравновесных, например, инверснонаселенных сред, возможно е"<0, / <0, что приводит к усилению, либо генерации. Заметим, что стационарная постановка задачи для систем с потерями, как правило, соответствует сути дела стационарность обеспечивается тем, что потери энергии в системе полностью компенсируются за счет энергии стороннего источника. Исключение составляет задача о свободных колебаниях объемного резонатора с потерями , здесь компенсации за счет внешних сил нет, и задача принципиально нестационарна. [c.19]

Поясним это определение примером. Допустим, что наша система — идеальный газ, находящийся вне поля тяжести. Состояние неравномерной плотности газа — состояние неравновесное. Это состояние будет рабновес-ным при наличии подходящего внешнего поля тяжести. Тогда V в выражении (31.1) —потенциальная энергия газа в этом поле тяжести, а 4 1 — свободная энергия газа при наличии поля тяжести. [c.263]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...