Термодинамическое равновесие

Все вышеизложенное разработано для закрытых и изолированных систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия. При локальном термодинамическом равновесии элементарных объемов состояние системы в целом неравновесное.

В состоянии равновесия в системе отсутствуют потоки материи или энергии, неравновесные потенциалы (или движущие силы), изменения количества присутствующих фаз (фазовое равновесие). Отличают тепловое (статистическое, оно же термодинамическое равновесие), механическое, гидроаэромеханическое (гидродинамическое, гидростатическое), радиационное (лучистое) и химическое равновесия.

Оборудование, материаловедение, механика и …

При Л. т. р. элементов среды состояние среды в целом неравновесно. В состоянии Л. т. р. плотность энтропии s(z)на единицу массы является ф-цией плотности внутр. энергии и концентраций компонентов сk (x), такой же, как и в состоянии равновесия термодинамического. Однако локально равновесное распределение позволяет получать лишь ур-ния т. н. идеальной гидродинамики, в к-рых не учитываются необратимые процессы.

Параметры состояния, определяющие термодинамическое равновесие, строго говоря, не являются постоянными, а флуктуируют около нек-рых статистич. Принцип равновесия можно выразить также через термодинамические потен-циалы-внутр. Термодинамическому равновесию отвечает условный минимум термодинамич. Это означает, что параметры состояния в течение всего процесса перехода бесконечно мало отличаются от своих значений при термодинамическом равновесии.

Соответствующие им состояния системы наз. метастабильными равновесиями. Такие состояния, как и состояние стабильного термодинамического равновесия, локально устойчивы, т.е. устойчивы к бесконечно малым изменениям параметров состояния.

Введем время релаксации т малых отклонений от локального термодинамического равновесия. Состояние движущейся среды, в которой происходит перенос теплоты и совершается работа различных сил, в целом не является равновесным. Заданы скорость, температура и концентрация газа в невозмущенном потоке а о. То, тю. Значения этих величин на поверхности жидкой пленки Шгр, Ттр, /Пг.гр заранее неизвестны и должны быть определены.

В теории неравновесных процессов важную роль играет понятие неполного Р. С. (квазиравновес-ного состояния), при к-ром Параметры системы зависят от времени (эта зависимость может быть слабой). Применяется также понятие локального Р. с., при к-ром темп-ра и хим. потенциал в малом элементе объёма (содержащем большое число частиц и движущемся с гидродинамич.

Поскольку такое перераспределение энергии приближает систему к состоянию термодинамического равновесия, температуры тел должны выравниваться. Все формы водорода находятся в термодинамическом равновесии, зависящем от температуры. Поэтому совершать работу может только такая система, отдельные части которой не находятся в равновесии друг с другом.

При Т.р. устанавливается детальный баланс — любой элементарный процесс в системе оказывается уравновешенным соответствующим обратным процессом. Термодинамика – наука, изучающая наиболее общие законы превращения различных видов энергии в системе. Под термодинамической системой понимают часть пространства, ограниченную (условно) поверхностью (оболочкой).

Открытая – обменивается с окружающей средой энергией и веществом. Интенсивные – не зависят от общего количества вещества в системе (давление, температура). Термодинамические процессы – это процессы обмена энергией и веществом или переход энергии из одной формы в другую.

Неравновесная термодинамика

Основная задача термодинамики – однозначное описание изменений в термодинамической системе при её переходе из одного состояния в другое. Различают равновесное и неравновесное состояния термодинамической системы.

Интенсивные параметры различны в разных точках системы, т.е. имеются градиенты этих параметров. Связи между параметрами системы называют уравнениями состояния. Изменение любого из параметров приводит к изменению состояния системы. Переход системы от одного состояния к другому происходит в результате различных процессов, которые подчиняются законам термодинамики.

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Изменение (ΔU) внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты (Q), переданной системе, и работой (W), совершенной системой над внешними телами. Являясь суммой кинетической и потенциальной энергии всех атомов и молекул данной системы, она зависит от термодинамических параметров.

Доказательства применимости первого закона термодинамики к живым системам были приведены с помощью методов прямой и непрямой калориметрии. Он может быть сформулирован в виде запрета на определенные виды термодинамических процессов.

Таким образом, первый закон термодинамики определяет энергетический баланс в закрытой системе, а второй – дает возможность установить направленность термодинамического процесса. Для этого и вводят термодинамические потенциалы, которые выводятся из объединенной записи первого и второго законов термодинамики. G0 – изменение ΔG при протекании процесса в стандартных условиях).

Химический потенциал равен изменению термодинамического потенциала, приходящегося на одну частицу вещества в соответствующем процессе. Он не является термодинамическим потенциалом и служит параметром системы. При этомсостоянии, когда S = max., F = 0, G = 0, ΔS = 0, ΔF = 0, ΔG = 0 , процессы не протекают, материя мертва, так как система не может самопроизвольно выйти из этого состояния.

В качестве функции состояния наиболее показательна внутренняя энергия системы. В состоянии термодинамического равновесия никакие самопроизвольные процессы невозможны. Если между компонентами системы происходят хим. р-ции, в состоянии термодинамического равновесия скорости прямых и обратных процессов равны между собой (см. Химическое равновесие).

Читайте также: