Х.А. Рахматулин, А.Я. Сагомонян, А.И. Бунимович, И.Н. Зверев - Газовая динамика (1161656), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Основное содержание термодинамики составляет рассмотрение закономерностей теплового движения в системах, находящихся в тепловом равновесии, и перехода систем в равновесное состояние. Например, при внезапном удалении диафрагмы в теплоизолированном сосуде, разделяющей газы с различными давлениями и температурами, возникает сложная система ударных волн сжатия и волн разрежения, которые в конце концов затухают благодаря влиянию вязкости, при этом температура газов выравнивается благодаря теплопроводности. Классическая термодинамика определяет давление и температуру в конечном равновесном состоянии. Газовая динамика определяет давление и температуру как функции времени и пространства.

Существуют два метода исследования теплового движения и его влияния на физические свойства тел. Феноменологическая'термодинамика, или просто термодинамика, не требует явного рассмотрения внутреннего молекулярного строения. Ее метод исследования макрофизический. Феноменологическая термодинамика основывается на нескольких положениях, являющихся обобщением непосредственно наблюдаемых макроскопических закономерностей. Эти положения формулируются настолько широко, что позволяют охватить различные физические формы движения, вплоть до физической деятельности живых организмов.

Статистическая термодинамика, нли статистическая физика, тоже опирается на опытные положения, но эти положения относятся уже к молекулярным представлениям строения физических систем. Благодаря всестороннему и более полному проникновению в сущность явлений статистическая физика дает более глубокое их толкование. Однако феноменологическая термодинамика не растворяется в статистической физике.

Для решения очень многих задач достаточны методы феноменологической термодинамики. Феноменологическая термодинамика позволяет с помощью своих основных положений — начал — легко учитывать наблюдаемые на опыте закономерности и получать нз них фундаментальные следствия. Но отказ от рассмотрения сущности явлений ограничивает феноменологическую термодинамику. Не имея ответа на то, что именно происходит и как идет процесс, нельзя судитьо границах применимости термодинамических законов.

Физика сумела выявить такие законы, которые точнейшим образом соблюдаются во всех явлениях и процессах. Важнейшими из них являются: закон сохранения массы, закон сохранения импульса и закон сохранения энергии во всякой изолированной системе (т. е.

такой системе, которая не взаимодействует ии с какими внешними телами). Термодинамика — дедуктивная наука. Она основывается на этих законах, главным образом на законе сохранения и превращения энергии (первое начало), на законе об энтропии (второе начало) и на целом ряде других положений, вытекающих из опыта. 1о Исходные положения термодинамики устанавливаются для систем конечных размеров, состояших из большого, но конечного числа частиц, и для конечных промежутков времени.

Поэтому термодинамика неприменима к системам бесконечных размеров, какими являются Вселенная или ее бесконечная часть. ф 2. Термодинамическая система и термодинамические параметрьь, исходньье положения термодинамики Всякий материальный объект, всякое тело, состоящее из большого числа частиц, называется макроскопической системой. Размеры макроскопических систем всегда больше размеров составляюших их атомов и молекул.

Такая система имеет макроскопические признаки, которые характеризуют ее и ее отношение к окружаюшим телам и могут быть выражены тем или иным способом посредством числа. Численная величина такого признака называется макроскопическим параметром, например, плотность, объем, упругость, концентрация. Макроскопические параметры разделяются на внешние и внутренние.

Внешними параметрами системы называются величины, определяемые положением внешних тел, с которыми взаимодействует система, например, объем газа является внешним параметром, так как он определяется положением внешних тел (сосуда); напряженность силового поля также внешний параметр, так как зависит от положения источников поля — зарядов и токов, не входяших в систему.

Внешние параметры являются функциями координат внешних тел. Внутренними параметрами системы называются статистически средние величины, которые определяются совокупным движением и распределением входящих в систему частиц, например, плотность, давление, энергия, поляризация, намагничивание, так как их значение зависит от движения и положения частиц системы и входящих в них зарядов. Поскольку расположение частиц (атомов, молекул и др.) системы зависит от расположения внешних тел, то внутренние параметри определяются как положением и движением этих частиц, так и значением внешних параметров.

Совокупность независимых макроскопических параметров определяет состояние системы. Величины, не зависящие от предыстории системы и полностью определяемые ее состоянием в данный момент (т. е. совокупностью независимых параметров), называются функциями состояния; величины, зависящие от предыстории системы, называются функциями процесса. Состояние системы называется стационарным, если параметры системы с течением времени не меняются.

Если, кроме того, в сис- 11 теме нет никаких стационарных потоков, то система находится в термодинамическом равновесии. Термодинамические параметры, не зависящие от массы, называются интенсивными или специфическими параметрами, например, давление, температура; параметры, пропорциональные массе системы, называются адаптивными нли экстенсивными параметрами, например, объем, энергия. Термодинамическая система представляет собой некоторое количество материи, отделенное замкнутой оболочкой (поверхностью) от окружающей (внешней) среды. Система, не обменивающаяся энергией и массой с внешней средой, называется изолированной; система, обменивающаяся энергией с внешней средой, — закрытой, система же, обменивающаяся как энергией, так и массой, называется открытой.

Первое исходное положение термодинамики гласит: изолированная система с течением времени всегда приходит в состояние термодинамического равновесия и никогда самопроизвольно выйти из него не может. С точки зрения статистической физики, у всякой изолированной макроскопической системы существует такое определенное макрофизнческое состояние, которое создается непрестанно движущимися частицами, чаще всего (наиболее вероятное состояние) в это наиболее вероятное состояние и переходит изолированная система с течением времени. Принимая это положение, термодинамика, таким образом, ограничивает себя, исключая из рассмотрения все явления, связанные с самопроизвольными (спонтанными) отклонениями (флуктуациями) системы от равновесного состояния.

Это положение ограничивает, с другой стороны, применение термодинамики к бесконечным системам, так как у бесконечной системы все состояния равновероятны. Опыт показывает, что если две закрытые равновесные системы А и В привести в тепловой контакт, то независимо от значения их внешних параметров они илн остаются по-прежнему в состоянии термодинамического равновесия, или равновесие в них нарушится, но по истечении достаточного времени в результате теплового обмена обе системы приходят в другое термодинамически равновесное состояние.

Требуется конечное время — время релаксации †д установления равновесия. Далее, двесистемы, находящиеся в тепловом равновесии с третьей системой, находятся в равновесии друг с другом — закон транзитивности. Из этого следует, что состояние термодинамического равновесия системы определяется не только ее внешними параметрами, но и еше величиной, характеризующей ее внутреннее состояние— состояние теплового движения — температурой. Термодинамические системы обладают равной температурой, если они находятся в термодинамическом равновесии друг с другом. Свойство транзитивности состояний термодинамического равновесия систем позволяет сравнивать значения температуры у разных систем, не приводя их в непосредственный тепловой контакт между 12 собой, а пользуясь одним телом — эталоном.

Температура, выражаюша аюшая состояние внутреннего движения равновесной системы, не зависит от массы и является, таким образом, интенсивным параметром. установление существования температуры как величины, характеризующей тепловое движение, иногда называют нулевым началом термодинамики, так как оно, подобно первому и второму началам, устанавливающим существование некоторых функций состояния, устанавливает существование температуры как функции состояния равновесной системы. Согласно второму исходному положению термодинамики, состояние термодин мического равновесия системы определяется внеилними параметрами и одним внутренним — температурой. Поэтому все внутренние параметры равновесной термодинамической системы — функции внешних параметров и температуры, т.

е. они не являются независймыми параметрами. Так как энергия системы есть ее внутренний параметр, то прн равновесии она оказывается функцией внешних параметров и температуры. Поэтому можно выразить температуру через внешние параметры и энергию. И тогда в качестве второго исходного положения можно взять взамен вышеизложенного следующее: при термодинамическом равновесии все внутренние параметры являются функциями внегиних параметров и энергии (эргодическая гипотеза). Второе положение термодинамики позволяет определить изменение температуры системы по изменению какого-либо ее внутреннего параметра, на чем основано устройство различных термометров.

Характеристики

Список файлов книги