Базаров И.П. Термодинамика (Базаров И.П. Термодинамика.djvu), страница 6

Процесс называется равновесным или квазистатическим, если все параметры системы изменяются физически бесконечно медленно, так что система все время находится в равновесных состояниях. Указание, что прн квазистатических процессах все параметры (как интенсивные, так и экстенсивные) изменяются физически бесконечно медленно, исключает введение ненужного для термодинамических исследований понятия о псевдоравновесных процессах (при которых некоторые интенсивные параметры искусственно изменяются на конечную величину).

Кроме того, как видно из приведенного определения, квазистатические процессы не только физически бесконечно медленны, но и всегда начинаются с некоторого равновесного состояния. Это исключает ненужное в термодинамике подчеркивание, что хотя всякий равновеснь1й процесс является квазистатическим, но не всякий квазистатический процесс (как бесконечно медленный) равновесный (в качестве примера такого неравновесного, но бесконечно медленного процесса приводится обычно процесс " для разных процессов время релаксации различно: от 10 гв с для установления равновесного давления в газе до нескольких лет при выравнивании концентрации в твердых сплавах. В термодинамике берется наибольшее время релаксации, в течение которого устанавливается равновесие для всех параметров данной системы.

23 теплообмсна межлу телами с различными температурами, сколь угодно замедленный введением между ними термического сопротивления). Замедленная теплоотдача между телами с разными температурами нс является равновесным процессом н, следовагельно, нсстатична (хотя н бесконечно мелленна), так как в начальный момент прн установлении теплового контакта между телами было нарушено равновесие. Нестатичен и бесконечно медленный процесс расширения газа в пустоту из-за отсутствия равновесия в начальный момент вследствие потока газа.

Физически бесконечно медленным или равновесным изменением какого-либо параметра а называют такое его изменение со временем, когда скорость да/Ж значительно меньше средней скорости изменения этого параметра при релаксации; так, если при релаксации параметр а изменился на Ла, а время релаксации равно т, то при равновесных процессах бл Аа — « —. ог т Если изменение какого-либо параметра а происходит за время меньшее или равное времени релаксации т1г<т), так что > бг т' то такой процесс называется неравновесным или нестатическим.

Сам процесс релаксации является, следовательно, неравновесным процессом. Представление о равновесном процессе и все рассуждения, связанные с ним, оказываются возможными лишь на основе общего начала термодинамики о самоненарушаемостн равновесного состояния. Действительно, направление равновесного процесса будет вполне определено характером внешних воздействий только в том случае, если исключены спонтанные изменения термодинамического состояния системы.

Изучение равновесных процессов важно потому, что, как оказывается (см. 5 17, 18), при этих процессах ряд важных величин (работа, коэффициент полезного действия машин и др.) имеет предельные, максимально возможные значения. Поэтому выводы, получаемые термодинамикой для равновесных процессов, играют в ней роль своего рода предельных теорем. й 5.

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ СИСТЕМЫ. РАБОТА И ТЕПЛОТА Всякая термодинамическая система состоит из огромного числа частиц. Энергия этих непрерывно движущихся и взаимодействующих частиц называется энергией системы. Полная энергия системы разделяется на внешнюю и внутреннюю. Часть энергии, состоящая из энергии движения системы как целого и потенциальной энергии системы в поле внешних 24 сил, называется внешней энергией.

Остальная часть энергии системы называется внутренней энергией. В термодинамике не рассматриваются движение системы как целого и изменение ее потенциальной энергии при таком движении, поэтому энергией системы является ее внутренняя энергия*'. В статистической физике внутренняя энергия системы состоит из энергии разных видов движения и взаимодействия входящих в систему частиц: энергия поступательного и вращательного движений молекул и колебательного движения атомов, энергия молекулярного взаимодействия, внутриатомная энергия заполненных электронных уровней, внутриядерная энергия и др. Внутренняя энергия Ь' является внутренним параметром н, следовательно, при равновесии зависит от внешних параметров а; и температуры Т: У=~I (аы ..., а„; Т). Зависимость внутренней энергии от температуры почти у всех встречающихся в окружающей нас природе систем такова, что с неограниченным ростом температуры внутренняя энергия также неограниченно растет. Это происходит потому, что каждая молекула илн какой-либо другой элемент «обычной» термодинамической системы может иметь любое сколь угодно большое значение энергии.

Несколько лет назад экспериментально было установлено существование и таких систем, у которых внутренняя энергия с ростом температуры асимптотнческн приближается к конечному граничному значению, так как каждый элемент системы лимитирован в своей максимально возможной энергии. Такими «необычными» системами являются совокупности ядерных спинов некоторых кристаллов, т.

е. совокупности закрепленных в узлах решетки и взаимодействующих друг с другом ядерных магнитных моментов, когда нх энергия взаимодействия с решеткой чрезвычайно мала по сравнению с энергией спин-спиновых взаимодействий**'. При взаимодействии термодинамической системы с окружающей средой происходит обмен энергией. Прн этом возможны два различных способа передачи энергии от системы к внешним телам: с изменением внешних параметров системы и без изменения этих параметров. Первый способ передачи энергии, связанный с изменением внешних параметров, называется работой, второй способ — без изменения внешних параметров, но с изменением нового м Энергия положения системы в поле внешних сил входит в состав ее внешней энергии при условии, что тсрмодинамическое.сосзоянис системы при перемешении в поле снл ие изменяется Если же термодинамическое сосгоянис при се перемещении в поле сил изменяется, то определенная часть потенциальной энергии уже будет входить в состав внутренней энергии системы.

ьм О некоторых парадоксальных свойствах таких систем см. я 32. 25 термодинамического параметра (энтропии~ — теплотой, а сам процесс передачи энергии — теплообменом*. С молекулярно-кинетической точки зрения теплота связана с движением атомов и молекул, из которых состоят тела; она представляет собой микрофизическую форму передачи энергии от одного тела к другому путем непосредственного молекулярного взаимодействия, т. е. посредством обмена энергией между хаотически движущимися частицами обоих тел.

Работа в отличие от теплоты представляет собой макроскопическую упорядоченную форму передачи энергии путем взаимного действия тел друг на друга. Энергия, переданная системой с изменением ее внешних параметров, также называется работой И' (а не количеством работы), а энергия, переданная системе без изменения ее внешних параметров,— количеством теплоты Д. Как видно из определения теплоты и работы, эти два рассматриваемых в термодинамике различных способа передачи энергии не являются равноценными.

Действительно, в то время как затрачиваемая работа И' может непосредственно пойти на увеличение любого вида энергии (электрической, магнитной, упругой, потенциальной энергии системы в поле и т. д.), количество теплоты Д непосредственно, т. е. без предварительного преобразования в работу, может пойти только на увеличение внутренней энергии системы.

Это приводит к тому, что при преобразовании работы в теплоту можно ограничиться только двумя ~елами, из которых одно тело (при изменении его внешних параметров) передает при тепловом контакте энергию другому (без изменения его внешних параметров); при превращении же теплоты в работу необходимо иметь по меныпей мере три тела: первое отдает энергию в форме теплоты (тепло исгочник), второе получает энергию в форме теплоты и отдает энергию в форме работы (рабочее тело) и третье получает энергию в форме работы от рабочего тела. Если система не обменивается с окружающими телами ни энергией, ни веществом, то она, как уже было сказано, называется изолированной или замкнутой; если же система имеет такой обмен, то она называется открытой.

Система, не обменивающаяся с другими телами веществом, но обменивающаяся энергией, называется закрытой, а не обменивающаяся энергией только в форме теплоты — адиабатно изолированной или адиабатной системой. Работа И' и количество теплоты Д имеют размерность энергии, а работа и теплота не являются видами энергии: они представляют собой два различных способа передачи энергии, рассматриваемые в термодинамике, и, следовательно, харак- 26 и Второй способ передачи энергии невозможен только при 0 К (см. З 21).