Термодинамика необратимых процессов заключается в неравновесности и предметом ее изучения является закономерность поведения различных систем, которые не находятся в состоянии термодинамического равновесия.
Рисунок 1. Необратимые процессы/ Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Прежде всего, под подобными процессами понимают:
- теплопередачу;
- диффузию;
- электрический ток;
- химические реакции.
Неравновесные процессы протекают в различных системах и характеризуются своей необратимостью в термодинамическом смысле.
Основные задачи необратимых процессов в термодинамике
В термодинамике выделяют ряд задач необратимых процессов. Они способны:
- исследовать балансы физических величин, в том числе массы, энтропии и энергии при превращениях и переходах энергии;
- устанавливать законы эволюции макроскопических систем.
Термодинамика необратимых процессов заключается в введении переменной времени, которая не присутствует в равновесном термодинамическом процессе. Принято различать феноменологическую термодинамику необратимых процессов, а также статистическую теорию неравновесных процессов. При этом сама феноменологическая термодинамика подразделяется на линейную и нелинейную теории.
Рисунок 2. Первое начало термодинамики для изопроцессов. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В общем смысле при рассмотрении термодинамике необратимых процессов уделяют внимание на познание нескольких типов систем. Среди них оказались:
- однородные;
- прерывные;
- непрерывные.
Так, в однородных системах параметры состояния приобретают интенсивные свойства в любой момент времени, при этом температура, давление и химический потенциал остаются в тех значениях по всему объему рабочего тела.
При прерывных типах необратимых процессов системы могут состоять из нескольких однородных частей, которые разделены границей фаз или иным техническим приспособлением. К примеру, вентилем, что направляет в определенную сторону газы, жидкости и иные рабочие среды. Подобные типы систем принято называть вентильными или гетерогенными. В этих системах свойства меняются резко при переходе из одной фазы взаимодействия в другую.
В непрерывных типах интенсивные свойства начинают действовать внутри системы с определенной точкой координат и времени.
В виде балансовых уравнений записываются соотношения, которые характеризуют процессы переноса массы, энергии, заряда и энтропии. Подобные формулы имеют смысл при написании для непрерывных и прерывных систем. Примечательной особенностью этих систем стало наличие величин двух основных типов. Первые характеризуются и распознаются в виде потоков, вторые – трактуются в форме силы. При этом потоки формулируют скорость переноса определенной физической величины. Это может быть масса, энтропия, энергия. Перенос происходит сквозь воображаемую площадку. Также для этих целей подходит обычная химическая реакция.
Причиной зарождения потока стали термодинамические силы. В непрерывных системах они играют роль особых градиентов. При переносе в прерывных системах имеют характер конечных разностей изучаемых величин.
Виды неравновесных процессов
Рисунок 3. Неравновесные термодинамические системы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Существует несколько основных видов неравновесных процессов. Их делят на векторные, скалярные, тензорные. При этом силы и потоки в системах должны иметь признаки и соответствовать векторам, скалярам и тензорам. Для описания подобных процессов необходимо пользоваться скалярным, векторным или тензорным полем второго ранга.
Группа скалярных процессов состоит из химических реакций. В векторных процессах главными составляющими являются теплопроводность, диффузия, направление. Также с ними плотно связывают поля векторов потоков вещества и тепла.
В тензорном неравновесном процессе причиной его возникновения служит течение вязкого типа. Подобные процессы не имеют формального значения, однако связаны с принципом Кюри.
Принцип локального равновесия
Макроскопический объект является элементом объема неравновесной силы всей системы. Такие свойства он приобретает в любой момент времени, при этом должен находиться в состоянии равновесия. Из этого понятия формируется принцип локального равновесия.
Его идея лежит в плоскости введения понятия малых дополнительных систем, которые как бы отдыхают (покоятся) в равновесии быстрее, чем этого достигает вся система в целом. Если рассматривать этот принцип с точки зрения феноменологической теории, то он будет иметь смысл основополагающего понятия для линейной и нелинейной термодинамики. Постулат для необратимых процессов может использовать ряд фундаментальных уравнений равновесной термодинамики. Это необходимо для того, чтобы тщательно можно было исследовать неравновесные процессы во всем многообразии.
Также для изучения неравновесных процессов в термодинамике необратимых процессов активно используют особую систему уравнений, которая связывает потоки и силы в одно выражение. Они также основаны на общем термодинамическом подходе. В этом случае силы и потоки распределяют путем производства энтропии. Оно выражается всегда в стандартной билинейной форме уравнений.
Сегодня линейная феноменологическая термодинамика необратимых процессов стала теорией с законченным смыслом. Она имеет огромное техническое практическое применение во многих областях науки и в промышленном производстве. В них часто используют процессы диффузии, вязкого течения, а также теплопередачи. Все подобные процессы не могут выполняться без предварительных просчетов и согласований на теоретическом уровне. Также они учитываются в процессе проектирования и анализе режимов работы химических реакторов, точной аппаратуры, приборов и иных устройствах, используемых в производственном режиме.
Кроме построения линейной термодинамики необратимых процессов в рамках локальной полевой теории есть также собственный запасной подход, который основан на использовании найденных ранее вариационных принципов. Подобный принцип ввел в обращение Онсангер. Его называют принципом наименьшего рассеяния энергии, и он ориентирован на поиск оптимального альтернативного решения поставленных задач в термодинамике.
