Журавлев В.А. Термодинамика необратимых процессов в задачах и решениях (Журавлев В.А. Термодинамика необратимых процессов в задачах и решениях.djvu)

УДК 536 ВВК 22.317 Ж911 Ж911 Журавлев В. А. Термодинамика необратимых процессов в задачах и решениих..-- Ижевск. Издательский дом «Удмуртский университет», 1998«151 стр. БВг1 5-7029-0292-0 Книга представляет собой первую попытку изложения основных положений термодинамики необратимых процессов в форь«е тематически подобранных задач с решениями и уназаниями. В нее включено более ста задач по общим и специальным вопросам линейной и нелинейной термодинамики необратимых процессов.

по вопросам, охватывающим широний круг явлений пере- носа энергии, массы и импульса в термодинамических системах, осложненных фазовыми превращениями, вязким и пластическим движением среды, диссипацией энергии в газах и плазме, релак- сационными явлеиинми и химическими реакциями в магнитном поле. Книги рассчитане на научных работников и инженеров, самостоятельно изучающих термодинамику необратимых процессов, а также преподавателей, аспирантов и студентов старших курсов физических факультетов университетов„инженерно-физических и физико-технических вузов.

1ЯВХ 5-7029-0292-0 ББК 22.817 РЙС Оригинал-макет подготовлен в редакции журнала е«г «1'егулярная и хаотическая динамикам Ос «Наука», 1979 © Издательский дом «Удмуртский университет». 1998 © Редакция журнала «Регулярная и хаотическая динамика», 1998 Оглавление Предисловие Предисловие автора ко второму изданию Введение 1. Общие положения термодинамики необратимых процессов и теории поля .

1.1. Законы сохранения 1.2. Принцип локального равновесия. Баланс энтропии ... 19 28 3. Нелинейная термодинамика 3.1. Критерий эволюции Глансдорфа — Пригожина.... 3.2. Принципы Био и Циглера для нелинейных процессов 124 128 133 Приложение Литература . 147 150 Предметный указатель 2. Линейная термодинамика Онзагера ...........

36 2.1. Линейные законы. Соотношения Онзагера, Принцип Кюри 48 2.2. Вариационные принципы Онзагера, Пригожина, Циглера, Дьярмати, Бно, Бахаревой ............... 58 2.3. Необратимые процессы в непрерывных и прерывных (вентсльных) системах 64 Предисловие Термодинамика необратимых процессов является сравнительно молодым и быстро развивающимся разделом теоретической физики, имеющим многочисленные приложения в области теплофизических, химических, термомеханических, биологических нвлений.

В настоящее время как часть курса «Термодинамика и статистическая физиках он включен в учебные программы университетов. Наряду с этим он широко используется в ряде специальных дисциплин: в теории переноса, механике сплошной среды, физике твердого тела, биофизике и других. Имеется уже обширная литература по термодинамике необратимых процессов, посвященная изложению ее феноменологических и статистических основ.

Вместе с тем при изучении и активном овладевании термодинамикой необратимых процессов ее теоретическая схема лучше всего раскрывается в решенинх конкретных термодинамических задач, когда наглндно проявляется одно из основных достоинств аппарата этого раздела теоретической физики — возможность изучения явлений в их взаимной связи. Поэтому настоящая книга была задумана с целью иллюстрации методов термодинамики необратимых процессов на основе тематически подобранных задач. Для этого в книгу включено более ста задач по общим и специальным вопросам линейной и нелинейной термодинамики необратимых процессов, а также по вопросам, охватывающим широкий круг нвлений переноса энергии, массы и импульса в термодинамических системах, осложненных фазовыми превращениями, вязким и пластическим движением среды, диссипацией энергии в газах и плазме, релаксационными явлениями и химическими реакциями в магнитном поле.

Книга содержит много оригинальных задач, возникших в связи с недавними исследованиями в различных областях физики. Большинство задач, и среди пих задачи проблемного характера, даны с решениями, остальные приводится с указаниями и ответами. К ряду задач даютсн комментарии, поясняющие историю и значимость соот- Предисловие ветству|ощей затронутой проблемы, ее физическую интерпретацию и указывающие источник, где можно найти дальнейшую информацию.

Все задачи распределены по трем главам книги. Каждой главе предпосылается сжатое изложение тех основных положений термодинамики необратимых процессов, сведения о которых необходимы при решении содержащихся в данной главе задач. Такое распределение материала должно облегчить читателю усвоение теоретических основ и помочь ему овладеть аппаратом термодинамики необратимых процессов на практике. При написании настоящей книги автор использовал свой опыт преподавания курса термодинамики необратимых процессов в течение ряда лет на физическом факультете Горьковского государственного университета им. Н. И. Лобачевского и на физико-математическом факультете Удмуртского государственного университета им.

50-летия СССР. Автор выражает глубокую признательность профессорам К. П. Гурову, В. Т. Борисову, В. А. Лихачеву за просмотр рукописи, ценные советы и полезные обсуждения. Автор также благодарен редактору книги Рудому Ю. Г. за его труд и сделанные им замечания, Ижевск, май 1978 г.

Предисловие автора ко второму изданию Термодинамика необратимых процессов явилась основой эволюционных феноменологических теорий и продолжила путь к созданию синергетики и теории нелинейных динамических систем. Трудно выделить другой раздел теоретической физики, где бы темпы развития имели столь стремительный характер. Вместе с тем, осознание и закрепление учебного материала надежно реализуется лишь при решении конкретных задач и проблем. В этой свнзи издательство «Удмуртский Университет» предприняло повторное издание книги «Термодинамика необратимых процессов в задачах и решениях» как одной из немногих книг с подобной ориентацией содержания. Со времени первого издания книги издательством «Наука», главная редакция физикоматематической литературы, Москва, 1979 год прошло двадцать лет.

Книга была оценена научной общественностью, а тираж ее быстро разошелся в читательской среде. Назрела потребность нового издания. Нервоначально планировалось существенно дополнить материал книги в разделе «Нелинейная термодинамика» новейшими исследованиями из области диссипативных структур, самоорганизации и хаотической динамики, но в процессе работы мы отказались от этого замысла, поскольку это будет новая книга с ориентацией на компьютерные технологии. Поэтому второе издание практически повторяет первое издание книги, устранены лишь замеченные опечатки и неточности текста. Ижевск, октябрь 1998 г. Введение Термодинамика необратимых процессов как раздел теоретической физики возникла в результате дальнейшего развития и обобщения положений классической термодинамики.

Начало теории было положено в работах Онзагера [1], где была сформулирована линейнан феноменологическан термодинамика необратимых процессов. Дальнейшее развитие теория получила в работах де Донде, Пригожина, Казимира, Майкснера, Денбига, дс Гроота, Мазура, Лыкова, Михайлова, Хвале, Дьярмати [2 — 7, 9], способствовавших обосповани|о ее и возникновению многочисленных приложений. В этой области фундаментальным трудом является монография де Гроота и Мазура [о], которая. нарнду с первыми монографинми Пригожина [4] и де Гроота [18], содержит наиболее полное излогкение феноменологической теории термодинамики необратимых процессов.

Краткое, но содержащее все необходимые сведения, изложение физических основ феноменологической теории содержится в монографии Гурова [14]. При всей ее краткости она дает ясное физическое понимание основ теории. Важным этапом развития термодинамики необратимых процессов явились поиски вариационной формулировки феноменологической теории. Наибольшие успехи в этом направлении достигнуты на основе аналогий с вариационными принципами аналитической механики в лагранжевой н гамильтоновой формах. Исключительная общность последних и легкость распространения их на немеханические разделы физики сыграли вдохновля1ощую роль в создании вариационных принципов термодинамики необратимых процессов.

Для линейной термодинамики первые вариационные принципы были сформулированы в работах Онзагера, Пригожина, Циглера, Био, Дьнрмати [1, 4, 8, 9, 11]. Как и в аналитической механике, где принципы Эйлера, Лагранжа, Гамильтона, Якоби нвляются частными формулировками принципа Даламбера, упомянутые принципы линейной термодинамики эквивалентны одному вариационному принципу Бахаревой, сформулированному на основе тщательного рассмотрения аналогий линейной тер- Введелие модинамики с аналитической механикой диссипативных систем [10].