Кинетическая теорема современной неравновесной термодинамики (831925), страница 34

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

Текст из файла (страница 34)

Это и прописано в пункте 3. Именно беспорядочнымвзаимодействием микрочастиц, составляющих макросистему, объясняетсянаибольшая вероятность эволюции системы к равновесию. Состояние равновесия динамическое – каждая микрочастица совершает движение, а вцелом свойства всей системы частиц остаются неизменными. Из беспорядочного характера взаимодействия следует также транзитивность равновесного состояния. [9, 21]Именно стремление системы к равновесному состоянию равновесияв случае фиксированных внешних условий делает целесообразным выделение замкнутых и незамкнутых систем, вытекаемое из нулевого началатермодинамики. Именно благодаря стремлению неравновесных систем кравновесному состоянию возможно ввести для любой макроскопическойсистемы функцию состояния системы – термодинамическую функцию Ляпунова, монотонно убывающую в случае замкнутости системы в силу ееэволюции, а через эту функцию определить термодинамические силы,движущие неравновесные процессы, что и было сделано в разделе 1 главе1.1.

Именно поэтому пункт 3, вытекающий из свойств систем из большогочисла частиц, был положен в одну из основ разрабатываемого в разделе 1главе 1.1 потенциально-потокового метода моделирования неравновесныхпроцессов.Т.к. взаимодействие систем из большого числа частиц хаотично, тоцелесообразно способы передачи энергии подразделить на упорядоченнуюпередачу энергии (совершение работы) и беспорядочную передачу (передачу теплоты).

Об этих двух способах передачи энергии речь шла в разде203ле 1 главе 1.1. Как и отмечалось в разделе 1 главе 1.1, работы могут бытьразных видов, что связано с физической природой взаимодействия микрочастиц и особенностями движения микрочастиц в пространстве (работарасширения, работа по переносу диффузионного потока, и т.д.) [5, 6].

Поэтому, как и отмечалось в разделе 1 главе 1.1 и в [5, 6], в качестве параметров состояния выбираются внутренние энергии систем частиц и/или степеней свободы этих систем частиц и параметры состояния, изменение которых связано с совершением определенного вида работы. Такие параметры состояния, как и было отмечено в разделе 1 главе 1.1 и в [5, 6], являются координатами состояния.Связь между теплотами, внутренними энергиями и работами в силуопределения этих понятий дает закон сохранения энергии, принимающийздесь форму первого начала термодинамики.

Второе начало термодинамики накладывает ограничение на преобразование теплоты в работу – полного преобразования теплоты в работу невозможно, в то время как полноепреобразование работы в теплоту возможно. Это является также следствием хаотического взаимодействия микрочастиц, в результате которогонаиболее вероятным течением процесса является такое течение, при котором степень беспорядочности распределения механических характеристикчастиц увеличивается, т.е. имеет место переход упорядоченного движенияв беспорядочное [21]. Т.е. переход работы в теплоту согласно определению работы и теплоты.

Также второе начало термодинамики дает ограничение на перенос теплоты. Более того, из второго начала термодинамикиследует стремление системы преобразовывать работу в теплоту, а такжеликвидировать возможности для преобразования теплоты в работу. Третьеже начало термодинамики характеризует поведение системы в областизначений энергий, близких к основному состоянию (с точки зрения квантовой механики).

Это поведение в системах из большого числа частицопределяется квантовой механикой этих частиц [7 – 9, 21].Как было показано в главе 2.1, именно благодаря возможности пере204дачи энергии путем беспорядочных взаимодействий, в уравнения балансакоординат состояния, изменения которых связано с совершением работы,не входят внутренние энергии отдельных систем частиц или степеней свободы систем частиц.Таким образом, беспорядочное взаимодействие микрочастиц включено в пункт 4.Хаотическое взаимодействие большого числа частиц может бытьразным – энергия взаимодействия микрочастиц, а также внутренние свойства микрочастиц разные. Именно этими свойствами (кинетическимисвойствами) и определяются вероятности перехода [8, 9]; в случае макроскопического подхода эти кинетические свойства в полном объеме учитываются в матрице восприимчивостей [25, 64] (видно из 1.1).

Как отмечалось выше и в [25, 64] именно кинетические свойства и определяют эволюцию неравновесной системы в направлении, указываемом вторым началом термодинамики в рамках первого начала термодинамики и законовсохранения. Поэтому наличие кинетических свойств, определяющих эволюцию системы в направлении, указываемом вторым началом термодинамики, постулируется в [25, 64] как кинетическая теорема неравновеснойтермодинамики. Матрица же восприимчивостей уравнений потенциальнопотокового метода, полностью вбирающая в себя все кинетические свойства системы, а потому называемая кинетической матрицей, имеет, такимобразом, то же значение для кинетической теоремы неравновесной термодинамики, что и введенная Клаузиусом энтропия для второго начала термодинамики [25, 64].

Таким образом, кинетическая теорема неравновеснойтермодинамики может быть включена в пункт 4.Нулевое, первое, второе, третье начала термодинамики являютсяследствием беспорядочного взаимодействия микрочастиц, а кинетическаятеорема неравновесной термодинамики – разнообразием характеристикэтого беспорядочного взаимодействия этих микрочастиц.

Отсюда, зависимость кинетических матриц, как и было отмечено в предыдущей главе и в205[25, 64], для каждой системы своя – кинетическое уравнение состояния.Следует также отметить, что в результате хаотического взаимодействия микрочастиц имеют место флуктуации макроскопических параметров. Поэтому в вышеприведенном формализме вводятся случайные силы ислучайные составляющие внешних потоков, обусловленные этими флуктуациями.

Распределение вероятностей этих случайных сил можно отнести к стохастическому уравнению состоянию.Таким образом, подытоживая сказанное выше, можно вышеприведенные четыре пункта объединить в один, согласно которому вышеприведенный формализм может быть применен к системе из большого числа частиц, хаотически взаимодействующих, на промежутках времени, большихвремени взаимодействия и свободного пробега микрочастиц. Беспорядочность взаимодействия микрочастиц вытекает из механики микрочастиц(классической или квантовой) [7]. Если бы существовали микрочастицы,взаимодействие которых не было бы беспорядочным, то рассматриваемыйформализм к таким системам в общем случае был бы неприменим.206ЗАКЛЮЧЕНИЕВ настоящей работе были рассмотрены общие особенности протекания неравновесных процессов с точки зрения макроскопического (термодинамического) подхода.

Были проанализированы особенности протеканиянеравновесных процессов, вытекающие из нулевого, первого, второго итретьего начал термодинамики. Так нулевое начало термодинамики подразделяет термодинамические (макроскопические) системы на замкнутые(системы, находящиеся при фиксированных внешних условиях [7], например, изолированные системы, изобарно-изотермические системы, изохорно-изотермические системы, и т.д.) и незамкнутые. В соответствие с нулевым началом термодинамики замкнутые системы эволюционируют в состояние термодинамического равновесия, из которого самопроизвольновыйти не могут.

На поведение незамкнутых систем нулевое начало термодинамики ограничений не накладывает. Первое начало термодинамики идругие законы сохранения накладывают связь на координаты состояниятермодинамической (макроскопической) системы. Этим самым эти законысохранения (в том числе и первое начало термодинамики) накладываютрамки на протекание неравновесных процессов.

Второе начало термодинамики определяет направление, в котором протекают неравновесные процессы в рамках законов сохранения. Оно определяет функцию свободнойэнергии – часть внутренней энергии, которая согласно второму началутермодинамики может быть преобразована в работу. Согласно второмуначалу термодинамики неравновесные процессы в замкнутой системе протекают в рамках законов сохранения в направлении уменьшения свободной энергии. В незамкнутую систему свободная энергия может вноситьсяили выноситься с внешними потоками (путем совершения работы над системой или системой). Через функцию свободной энергии второе началотермодинамики с учетом законов сохранения позволяет определить термодинамические силы, движущие неравновесные процессы внутри системы.207Третье начало термодинамики накладывает дополнительные ограниченияна протекание неравновесных процессов в области низких температур (вобласти внутренних энергий, близких к минимуму).

Однако ни одно изэтих начал не дает исчерпывающей информации относительно всех общихособенностей эволюции неравновесной системы (в то время как для анализа равновесных состояний нулевое, первое, второе и третье начала термодинамики дают исчерпывающую информацию).С целью выявления всех общих особенностей протекания неравновесных процессов был проведен обзор особенностей протекания неравновесных процессов.

На основе этого обзора было показано, что термодинамические силы не определяют всех общих особенностей протеканиянеравновесных процессов. Помимо термодинамических сил эти особенности определяются еще и кинетическими свойствами неравновесных систем, причем от кинетических свойств не зависят термодинамические силы, движущие неравновесные процессы. Учет всех кинетических свойствдает наряду с термодинамическими силами и законами сохранения, а также с внешними потоками исчерпывающую информацию относительно детерминированной составляющей протекания неравновесных процессов вконкретной рассматриваемой системе. Для учета кинетических свойстввводится кинетическая матрица, определяемая этими свойствами.

Характеристики

Список файлов книги