Открытая термодинамика

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Открытая термодинамика

Cтраница 1

Термодинамика открытых систем охватывает РїРѕРєР° лишь область небольших отклонений РѕС‚ термодинамического равновесия.  [1]

Дальнейшее развитие термодинамики открытых систем применительно Рє биологии связано СЃ работами Берталанффи Рё, главным образом, Пригожина Рё его школы.  [2]

Р�зложены РѕСЃРЅРѕРІС‹ термодинамики изолированных Рё открытых систем, теория бинарных Рё многокомпонентных растворов, фазовые диаграммы, термодинамическая теория химических реакций Рё соединений, термодинамика поверхностных явлений. Рассмотрены статистические модели растворов. Общие принципы применимы РєРѕ всем материалам. Большинство приложений относится Рє металлам Рё сплавам. Р’СЃРµ разделы сопровождаются задачами, решения которых приведены РІ конце РєРЅРёРіРё. Р’ приложениях даны справочные таблицы.  [3]

РЎ точки зрения термодинамики открытых систем возникновение конвективных структур РїСЂРё неустойчивости Марангош означает переход РІ некоторой 1фитической точке СЃ так называемой термодинамической ветви линейных соотношений между потоками СЏ силами РЅР° нелинейную ветвь, соответствующую более высоким значениям производства энтропии Рё скорости межфазного переноса. РџСЂРё квазистационарной кинетике массообмена РІ системе СЃ перемешанными фазами линейной ветви соответствует кинетический член экспоненциального РІРёРґР°, Р° РЅР° нелинейной ветви имеет место незкспоненциаль-РЅРѕРµ ускорение межфазного обмена.  [4]

Пригожий, СЂСѓСЃСЃРєРёР№ РїРѕ происхождению, видный ученый РІ области термодинамики открытых систем Рё необратимых процессов.  [5]

Гигантские самоподобные фуллерены.  [6]

Уже признано, что расплавы являются кластеризированной средой Рё что для описания поведения такой среды РїСЂРё нагрузке требуется использование термодинамики открытых систем.  [7]

РЎРїРѕСЃРѕР±С‹ объемного упрочнения развиваются РЅР° базе современной структурной теории прочности металлических сплавов, включающей основные положения физики реального строения сплавов, механики твердого деформируемого тела Рё термодинамики открытых систем РЅР° синергетической РѕСЃРЅРѕРІРµ.  [8]

Уравнения ( 7) — ( 9), описывающие энтропийные свойства, можно сопоставить СЃ уравнениями, описывающими энергетические ( энтальпийные) свойства [21 ], форма которых обоснована РІ рамках молекулярной — трактовки термодинамики открытых систем.  [9]

Термодинамическое исследование биологических процессов имеет большое значение для РёС… понимания, РЅРѕ РѕРЅРѕ РЅРµ позволяет вскрыть качественное своеобразие процессов жизнедеятельности, так как термодинамические параметры РІ организме действуют РІ условиях, определяемых влиянием более высоких биологических закономерностей. Наибольшее значение имеет термодинамика открытых систем, так как последние ближе Рє живым организмам, чем закрытые системы.  [10]

Как отмечалось в литературе [8, 9], вывод этой формулы Гиббсом весьма противоречив.

РћРґРЅР° РёР· возможных причин этого состоит РІ том, что Гиббс пользовался представлениями разработанной РёРј термодинамики открытых систем, тогда как рассматриваемый случай относится Рє закрытым или частично закрытым системам. Р’ результате формула ( 8) Гиббса РЅРµ нашла практического применения Рё возникла необходимость переформулирования теории РіРёР±Р±СЃРѕРІСЃРєРѕР№ упругости пленок [ 9, 10; 11 стр.  [11]

Р—Р° последние 20 лет интенсивно развивается новый РїРѕРґС…РѕРґ Рє изучению физических, химических Рё биологических систем РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ синергетики — дисциплины, которую можно характеризовать как направление РІ современном естествознании. Р’ РѕСЃРЅРѕРІРµ этой дисциплины лежат самоорганизующиеся процессы РІ результате кооперирования отдельных элементов ( подсистем), СЃ РѕРґРЅРѕР№ стороны, Рё развития термодинамики открытых систем, СЃ РґСЂСѓРіРѕР№.  [12]

Переходя к живым системам, к ситуации in vivo, необходимо рассмотреть особенности открытых неравновесных систем. Такое рассмотрение начинается с термодинамического исследования.

Как мы увидим, термодинамика в целом недостаточна для феноменологической трактовки живых систем потому, что они имеют динамический, а не статистический характер и далеки от равновесия.

Но именно поэтому необходимо изложение термодинамики открытых систем. Нужно определить ее возможности в биологии. Неравновесная термодинамика с успехом применяется к анализу ряда биофизических проблем.

Здесь приводится значительно более РїРѕРґСЂРѕР±РЅРѕРµ изложение.  [13]

Берталанффи считает биологические явления познаваемыми средствами точной науки.

РњРЅРёРјРѕРµ противоречие СЃ термодинамикой снимается, если учесть, что организмы — открытые системы, обменивающиеся СЃ окружающей средой Рё веществом Рё энергией.

Между тем каноническая термодинамика относится к изолированным системам.

Поэтому для физического истолкования биологических явлений необходима термодинамика открытых систем, неравновесная термодинамика. Берталанффи усматривает РѕСЃРЅРѕРІСѓ теоретической биологии РІ теории систем. Система — совокупность объектов, взаимодействующих РґСЂСѓРі СЃ РґСЂСѓРіРѕРј.  [14]

Следует подчеркнуть, что представления об аморфной структуре как об абсолютно неупорядоченной некорректно.

Согласно доказанной РІ теории чисел теореме Рамсея [16], любое достаточно большое количество / R ( i j) чисел, точек или объектов — элементов структуры — обязательно содержит СЃ высоким РїРѕСЂСЏРґРєРѕРј подсистему РёР· N. Поэтому абсолютная неупорядоченность больших систем ( структур) невозможна. Показано [7], что стремление конденсированных систем Рє самоорганизации РІ масштабно инвариантных, мультифрактальных формах является следствием фундаментальных принципов термодинамики открытых систем, a dq определяется конкуренцией близких Рё дальних межатомных взаимодействий, определяющих соответственно объемную сжимаемость Рё СЃРґРІРёРіРѕРІСѓСЋ жесткость твердых тел. Поскольку кластерная Рё фрактальная модели рассматривают полимер как Р±С‹ СЃ РґРІСѓС… сторон, то РѕРЅРё превосходно дополняют РґСЂСѓРі РґСЂСѓРіР°.  [15]

Страницы:      1    2

Источник: https://www.ngpedia.ru/id510123p1.html

Открытая термодинамика

Открытая термодинамика

Определение 1

Под открытой в физике понимают термодинамическую систему, способную обмениваться с окружающей средой не сколько теплотой и работой, сколько также и массой.

Рисунок 1. Виды термодинамических систем. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Живые системы считаются системами открытого типа и по этой причине будут относиться к неравновесным. Подобная термодинамически открытая система характеризуется тем, что в ней наблюдается постоянное протекание химических реакций. Биохимические реакции на каждой стадии в совокупности считаются каталитическими. Катализаторами в таких реакциях становятся белки-ферменты.

Живой организм способен получать пищу из внешней среды (и также — кислород, воду) и выделять в нее, наряду с тем, различные вещества. Теплообмен производится между организмом и средой.

В таких условиях пребывает, например, космонавт внутри космического корабля. Его организм при этом является открытой по отношению к кораблю системой.

В то же время, сам корабль является отлично изолированным от внешней среды.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Открытые системы в термодинамике

Рисунок 2. Открытые системы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Открытые системы производят непосредственный энергетический обмен с окружающей средой веществом, информацией и импульсом. Все реальные системы при этом считаются открытыми. К самому важному типу откры­тых систем можно отнести химические системы, в рамках которых наблюдаются химические реакции (поступление реагентов осуществляется извне, а продукты взаимодействия при этом отводятся).

Биологические системы и живые организмы возможны также к рассмотрению в формате открытых химических систем.

Подобный подход к живым организмам делает возможным исследование процессов их развития и жизнедеятельности, основываясь при этом на законы термодинамики неравновесных процессов, химической и физической кинетики.

В условиях неорганической природы, открытые системы производят обмен с внешней средой, также состоящей из различных систем, которым свойственны энергия и вещество.

В этом случае неравновесное состояние характеризуется аналогичными равновесному параметрами:

  • температурой;
  • химическими потенциалами компонентов системы и др.

В открытых системах энтропия также будет переменной, поскольку в них выполняются необратимые процессы, однако она при этом не накапливается, аналогично закрытым системам, а будет выводиться в окружающую среду.

Энтропия открытых систем в термодинамике

Рисунок 3. Энтропия в термодинамике. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Энтропия открытых систем в условиях неравновесного состояния определяется в виде суммы значений энтропий отдельно взятых малых элементов системы, пребывающих в состоянии локального равновесия (в результате аддитивности энтропии).

Процесс отклонений параметров термодинамики от их равновесных значений провоцируют в системе потоки:

Рост энтропии системы становится возможным благодаря процессам переноса. В рамках замкнутых систем энтропия начнет возрастать и стремиться к своему равновесному и максимальному значению.

В открытой системе вероятны стационарные состояния с постоянной энтропией (то есть при ее постоянном производстве), которая при этом должна быть отведена от системы. Стационарное состояние представляет в термодинамике открытых систем роль, аналогичную термодинамическому равновесию в термодинамике равновесных процессов для изолированных систем.

Энтропия открытых систем в таком состоянии, несмотря на постоянство, допускает несоответствие этого стационарного состояния ее максимуму.

Свойства открытых систем

Замечание 1

Самые уникальные свойства открытых систем могут выявляться в условиях нелинейных процессов (когда в них наблюдается вероятность возникновения термодинамически устойчивых неравновесных состояний, которые далеки от состояния термодинамического равновесия). Они при этом характеризуются определенной временной (пространственной) упорядоченностью (диссипативная структура, существование которой подразумевает непрерывный обмен между веществом (энергией) и окружающей средой.

Первое определение открытой системы смог дать австрийский физик Э. Шредингер, который подчеркнул, что особен­ность биологических систем должна состоять в непосредственном обмене энергией и веще­ством с окружающей средой.

Средство, посредством которого организм способен поддерживать себя на определенном высоком уровне упорядоченности (на довольно низком уровне энтропии), заключается в непрерывном процессе извлечения упорядоченности из окружающей среды.

Взаимодействующая со средой система не способна оставаться замкнутой, поскольку она нуждается в получении извне новых веществ или энергии и одновременно – в выведении в окружающее ее пространство использованного вещества (отработанной энергии).

С поступлением новой энергии (вещества) начинает возрастать неравновесность в системе. В конечном итоге, это провоцирует разрушение прежней связи элементов системы между собой, определяющей ее структуру. Тогда начинают появляться новые связи между элементами, способствующие кооперативным процессам. Схематически становится возможным процесс самоорганизации в открытых системах.

Примером процессов самоорганизации выступает лазер и его работа.

Так, хаотические колебательные движения частиц кристалла, за счет энергетического поступления извне, будут приводиться в согласованное движение, что провоцирует увеличение мощности лазерного излучения.

При исследовании процессов самоорганизации в лазере, немецкий физик Г. Хакен представил новое направление исследований — синергетику («взаимодействие»).

Еще одним примером может послужить самоорганизация в химических реакциях, связанная с поступлением новых реагентов извне, веществ, обеспечивающих продолжение процесса реакции, с одной стороны, и выведение ее продуктов в окружающую среду — с другой.

Нелинейные процессы в рамках открытых систем изучаются на основании уравнений химической кинетики (баланса скоростей химических реакций со скоростью подачи реагентов).

Накопление в открытых системах активных продуктов реакции (теплоты) может спровоцировать автоколебательный (самоподдерживающийся) режим реакций.

Для этого потребуется реализация в системе обратной связи (ускорение реакции под влиянием или продукта, или выделяющейся при реакции теплоты).

В открытой химической системе с присутствием положительной обратной связи появляются саморегулирующиеся незатухающие химические реакции. Внешнее проявление самоорганизации происходит с появлением в жидкой среде концентрических волн, что особо заметным становится в автоколебательных реакциях, открытых Б. Белоусовым и изученных А. Жаботинским.

На экспериментальном основании периодических реакций И. Пригожину удалось построить теоретическую модель (брюсселятор), которая впоследствии легла в основу новой (неравновесной или нелинейной) термодинамики.

Под нелинейностью в термодинамике понимается то, что в ней задействованы нелинейные математические уравнения с содержанием переменных во второй или выше степени.

Линейные уравнения, в условиях открытых систем или интенсивных воздействий на них, становятся нерациональными.

Открытие самоорганизации в условиях простейших систем неорганической природы, играют очень важное значение (научное и мировоззренческое), показывая, что подобные процессы возможны к осуществлению в основе материи, и проливая тем самым свет на взаимосвязи неорганиче­ской и органической природы.

Отсюда и возникновение жизни на нашей планете теперь не кажется случайным и редким явлением. С позиции самоорганизации становится очевидным, что весь окружающий мир и Вселенная представляют комплекс разносторонних самоорганизующихся процессов, служащих в качестве основания для любой эволюции.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/termodinamika/otkrytaya_termodinamika/

Закрытые и открытые термодинамические системы

Открытая термодинамика

Всякий объект, состоящий из большого числа частиц, называется макроскопической системой.Размеры макроскопических систем значительно больше размеров атомов и молекул. Все макроскопические признаки, характеризующие такую систему макроскопическими параметрами.

К их числу относятся плотность, объем, концентрация, поляризованность, намагниченность и т.д. Макроскопические параметры разделяются на внешние и внутренние. Величины, определяемые положением не входящих в нашу систему внешних тел, называются внешними параметрами,например напряженность силового поля, объем системы и т.д.

Следовательно внешние параметры являются функциями координат внешних тел. Величины, определяемые совокупным движением и распределением в пространстве входящих в систему частиц, называются внутренними параметрами, например энергия, давление, плотность, намагниченность, поляризованность и т.д.

(так как их значения зависят от движения и положения частиц системы и входящих в них зарядов). Совокупность независимых макроскопических параметров определяет состояние системы, т.е. форму ее бытия. Величины не зависящие от предыстории системы и полностью определяемые ее состоянием в данный момент (т.е.

совокупностью независимых параметров), называются функциями состояния. Состояние называется стационарным,если параметры системы с течением времени не изменяются.

Если, кроме того, в системе не только все параметры постоянны во времени, но и нет никаких стационарных потоков за счет действия каких-либо внешних источников, то такое состояние системы называется равновесным(состояние термодинамического равновесия).

Термодинамическими системами обычно называют не всякие, а только те макроскопические системы, которые находятся в термодинамическом равновесии. Аналогично, термодинамическими параметрами называются те параметры, которые характеризуют систему в термодинамическом равновесии. Внутренние параметры системы разделяются на интенсивные и экстенсивные.

Параметры, не зависящие от массы и числа частиц в системе, называются интенсивными(давление, температура и др.). Параметры пропорциональные массе или числу частиц в системе, называются аддитивнымиилиэкстенсивными(энергия , энтропия и др.). Экстенсивные параметры характеризуют систему как целое, в то время как интенсивные могут принимать определенные значения в каждой точке системы. По способу передачи энергии, вещества и информации между рассматриваемой системы и окружающей средой термодинамические системы классифицируются:

1. Замкнутая (изолированная) система— это система в которой нет обмена с внешними телами ни энергией, ни веществом (в том числе и излучением), ни информацией .

2. Закрытая система – система, в которой есть обмен только с энергией.

3. Адиабатно изолированная система —это система в которой есть обмен энергией только в форме теплоты.

4. Открытая система — это система, которая обменивается и энергией, и веществом, и информацией.

Первое начало термодинамики устанавливает что внутренняя энергия системы является однозначная функция ее состояния и изменяется только под влиянием внешних воздействий.

В термодинамике рассматриваются два типа внешних взаимодействий: воздействие, связанное с изменением внешних параметров системы (система совершает работу W), и воздействие не связанные с изменением внешних параметров и обусловленные изменением внутренних параметров или температуры (системе сообщается некоторое количество теплоты Q). Поэтому, согласно первому началу, изменение внутренней энергии U2-U1 системы при ее переходе под влиянием этих воздействий из первого состояния во второе равно алгебраической сумме Q и W, что для конечного процесса запишется в виде уравнения U2 – U1 = Q – W (14.5.)

или Q = U2 – U1 + Q. (14.6.)

Первое начало формируется как постулат и является обобщением большого количества опытных данных. Для элементарного процесса уравнение первого начала такого: δQ = δU + δW. (14.7.)

.δQи δWне являются полным дифференциалом, так как зависят от пути следования. Зависимость Qи Wот пути видна на простейшем примере расширение газа.

Из первого начала термодинамики следует, что работа может совершаться или за счет изменения внутренней энергии, или за счет сообщения системе количества теплоты.

В случае если процесс круговой , начальное и конечное состояние совпадают U2- U1 = 0 и W = Q, то есть работа при круговом процессе может совершаться только за счет получения системой теплоты от внешних тел.Первое начало можно сформулировать в нескольких видах :

1. Невозможно возникновение и уничтожение энергии

2. Любая форма движения способна и должна превращаться в любую другую форму движения

3. Внутренняя энергия является однозначной формой состояния

4. Вечный двигатель первого рода невозможен

5. Бесконечно малое изменение внутренней энергии является полным дифференциалом.

6. Сумма количества теплоты и работы не зависит от пути процесса.

Первый закон термодинамики, постулируя закон сохранения

энергии для термодинамической системы, не указывает направление происходящих в природе процессов. Направление термодинамических процессов устанавливает второе начало термодинамики.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/11_58683_zakritie-i-otkritie-termodinamicheskie-sistemi.html

Термодинамика (стр. 1 из 8)

Открытая термодинамика

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ

1.1. Закрытые и открытые термодинамические системы.

1.2. Нулевое начало термодинамики.

1.3. Первое начало термодинамики.

1.4. Второе начало термодинамики.

1.4.1. Обратимые и необратимые процессы.

1.4.2. Энтропия.

1.5. Третье начало термодинамики.

ГЛАВА 2

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПОЛОЖЕНИЯ СИНЕРГЕТИКИ.

САМООРГАНИЗАЦИЯ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМ.

2.1. Общая характеристика открытых систем.

2.1.1. Диссипативные структуры.

2.2. Самоорганизация различных систем и синергетики.

2.3. Примеры самоорганизации различных систем.

2.3.1. Физические системы.

2.3.2. Химические системы.

2.3.3. Биологические системы.

2.3.4. Социальные системы.

Постановка задачи.

ГЛАВА 3

АНАЛИТИЧЕСКИЕ И ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМ.

3.1. Ячейки Бенара.

3.2. Лазер, как самоорганизованная система.

3.3. Биологическая система.

3.3.1. Динамика популяций. Экология.

3.3.2. Система «Жертва — Хищник».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

ЛИТЕРАТУРА.

ВВЕДЕНИЕ.

Наука зародилась очень давно, на Древнем Востоке, и затем интенсивно развивалась в Европе. В научных традициях долгое время оставался недостаточно изученным вопрос о

взаимоотношениях целого и части. Как стало ясно в середине

20 века часть может преобразовать целое радикальным и неожиданным образом.

Из классической термодинамики известно, что изолированные термодинамические системы в соответствии со вторым началом термодинамики для необратимых процессов энтропия системы S возрастает до тех пор, пока не достигнет своего максимального значения в состоянии термодинамического равновесия. Возрастание энтропии сопровождается потерей информации о системе.

Со временем открытия второго закона термодинамики встал вопрос о том, как можно согласовать возрастание со временем энтропии в замкнутых системах с процессами самоорганизации в живой и не живой природе.

Долгое время казалось, что существует противоречие между выводом второго закона термодинамики и выводами эволюционной теории Дарвина, согласно которой в живой природе благодаря принципу отбора непрерывно происходит процесс самоорганизации.

Противоречие между вторым началом термодинамики и примерами высокоорганизованного окружающего нас мира было разрешено с появлением более пятидесяти лет назад и последующим естественным развитием нелинейной неравновесной термодинамики.

Ее еще называют термодинамикой открытых систем. Большой вклад в становление этой новой науки внесли И.Р.Пригожин, П.Гленсдорф, Г.Хакен.

Бельгийский физик русского происхождения Илья Романович Пригожин за работы в этой области в 1977 году был удостоен Нобелевской премии.

Как итог развития нелинейной неравновесной термодинамики появилась совершенно новая научная дисциплина синергетика — наука о самоорганизации и устойчивости структур различных сложных неравновесных систем: физических, химических, биологических и социальных.

В настоящей работе исследуется самоорганизация различных систем аналитическими и численными методами.

ГЛАВА 1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

ТЕРМОДИНАМИКИ.

ЗАКРЫТЫЕ И ОТКРЫТЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ

СИСТЕМЫ.

Всякий материальный объект, всякое тело , состоящее из большого числа частиц, называется макроскопической системой . Размеры макроскопических систем значительно больше размеров атомов и молекул.

Все макроскопические признаки , характеризующие такую систему и ее отношение к окружающим телам , называются макроскопическими параметрами .

К их числу относятся такие , например , как плотность , объем , упругость , концентрация , поляризованность , намогниченность и т.д. Макроскопические параметры разделяются на внешние и внутренние .

Величины , определяемые положением не входящих в нашу систему внешних тел , называются внешними параметрами , например напряженность силового поля ( так как зависят от положения источников поля — зарядов и токов , не входящих в нашу систему ) , объем системы ( так как определяется расположением внешних тел ) и т.д.

Следовательно внешние поараметры являются функциями координат внешних тел. Величины, определяемые совокупным движением и распределением в пространстве входящих в систему частиц , называются внутренними параметрами , например энергия , давление , плотность , намогниченность , поляризованность и т.д.

( так как их значения зависят от движения и положения частиц системы и входящих в них зарядов ).

Совокупность независимых макроскопических параметров определяет состояние системы , т.е. форму ее бытия . Величины не зивисящие от предыстории системы и полностью определяемые ее состоянием в данный момент ( т.е. совокупностью независимых параметров ), называются функциями состояния.

Состояние называется стационарным , если параметры системы с течением времени не изменяются.

Если , кроме того , в системе не только все параметры постоянны во времени , но и нет никаких стационарных потоков за счет действия каких-либо внешних источников , то такое состояние системы называется равновесным ( состояние термодинамического равновесия ).

Термодинамическими системами обычно называют не всякие , а только те макроскопические системы , которые находятся в термодинамическом равновесии.

Аналогично , термодинамическими параметрами называются те параметры , которые характеризуют систему в термодинамическом равновесии.

Внутренние параметры системы разделяются на интенсивные и экстенсивные . Параметры не зависящие от массы и числа частиц в системе , называются интенсивными ( давление , температура и др.) .

Параметры пропорциональные массе или числу частиц в системе , называются аддитивными или экстенсивными ( энергия , энтропия и др. ) .

Экстенсивные параметры характеризуют систему как целое , в то время как интенсивные могут принимать определенные значения в каждой точке системы .

По способу передачи энергии , вещества и информации между рассматриваемой системы и окружающей средой термодинамические системы классифицируются :

Замкнутая ( изолированная ) система — это система в которой нет обмена с внешними телами ни энергией , ни веществом ( в том числе и излучением ) , ни информацией .

Закрытая система — система в которой есть обмен только с энергией .

Адиабатно изолированная система — это система в которой есть обмен энергией только в форме теплоты .

Открытая система — это система , которая обменивается и энергией , и веществом , и информацией .

НУЛЕВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ .

Нулевое начало термодинамики сформулированное всего около 50 лет назад , по существу представляет собой полученное «задним числом» логическое оправдание для введения понятия температуры физических тел . Температура — одно из самых глубоких понятий термодинамики .

Температура играет столь же важную роль в термодинамике , как , например процессы.

Впервые центральное место в физике занял совершенно абстрактное понятие ; оно пришло на смену введенному еще во времена Ньютона ( 17 век) понятию силы — на первый взгляд более конкретному и «осязаемому» и к тому же успешно « математезированному» Ньютоном.

Первое начало термодинамики устанавливает внутренняя энергия системы является однозначная функция ее состояния и изменяется только под влиянием внешних воздействий.

В термодинамике рассматриваются два типа внешних взаимодействий: воздействие , связанное с изменением внешних параметров системы ( система совершает работу W ), и воздействие не связанные с изменением внешних параметров и обусловленные изменением внутренних параметров или температуры ( системе сообщается некоторое количество теплоты Q ).

Поэтому , согласно первому началу , изменение внутренней энергии U2-U1 системы при ее переходе под влиянием этих воздействий из первого состояния во второе равно алгебраической сумме Q и W , что для конечного процесса запишется в виде уравнения

U2 — U1 = Q — W или Q = U2 — U1 + W (1.1)

Первое начало формируется как постулат и является обобщением большого количества опытных данных .

Для элементарного процесса уравнение первого начала такого :

dQ = dU + dW (1.2)

dQ и dW не являются полным дифференциалом, так как зависят от пути следования.

Зависимость Q и W от пути видна на простейшем примере расширение газа. Работа совершенная системой при переходе ее из состояния 1 в 2 ( рис. 1) по пути а изображается площадью, ограниченной контуром А1а2ВА :

Wа = p(V,T) dV ;

а работа при переходе по пути в — площадью ограниченную контуром А1в2ВА:

Wb = p(V,T) dV.

Рис. 1

Поскольку давление зависит не только от объема, но и от температуры, то при различных изменениях температуры на пути а и в при переходе одного и того же начального состояния (p1,V1) в одно и тоже конечное (p2,V2) работа получается разной. Отсюда видно , что при замкнутом процессе (цикле) 1а2в1 система совершает работу не равную нулю. На этом основана работа всех тепловых двигателей.

Из первого начала термодинамики следует, что работа может совершаться или за счет изменения внутренней энергии , или за счет сообщения системе количества теплоты . В случае если процесс круговой , начальное и конечное состояние совпадают U2- U1 = 0 и W = Q , то есть работа при круговом процессе может совершаться только за счет получения системой теплоты от внешних тел .

Источник: https://mirznanii.com/a/321028/termodinamika

Термодинамика открытых систем

Открытая термодинамика

Введение.

1. Формулировки второго начала термодинамики.

2.Термодинамика открытых систем.

3. Производство Энтропии. Теорема Пригожина-Гленсдорфа.

4. Суть “Демона Больцмана”.

Список литературы.  
Everything on the earth appears and develops due to energy
,

and everything collapses and dies with entropy grows…

                (Всё на Земле возникает и развивается

                                                    благодаря энергии  и вce разрушается

                                          и умирает с ростом энтропии…)

Введение

В сознании широкой публики второе начало термодинамики окружено странным магическим ореолом. Знаменитый английский писатель Ч.П.

Сноу предлагал тест на общую культуру, согласно которому незнание второго начала термодинамики приравнивается незнанию произведений Шекспира.

Только хорошо поняв второе начало термодинамики, можно ответить на вопрос, почему вообще возможна жизнь, ибо живые существа должны поддерживать внутренний порядок, противостоя всеобщей тенденции к рассеянию и хаосу. Именно эту тенденцию и описывает второе начало.

Являясь ключевым элементом в науке о теплоте, этот физический закон говорит о невозможности передачи тепла от более холодного тела к более горячему в изолированной системе, о стремлении Вселенной к более беспорядочному и хаотическому состоянию. Прямо и доступно объяснить этот закон весьма сложно. Людвиг Больцман, крупнейший физик Австро-Венгерской империи, потратил большую часть жизни, стараясь определить его смысл и прояснить его суть.

У этого закона имеется как минимум три равноправные формулировки, предложенные в разные годы физиками разных поколений. 

1. Формулировки второго начала термодинамики

Начнем с первой формулировки, принадлежащей немецкому физику Рудольфу Клаузиусу. Вот простая и наглядная иллюстрация этой формулировки: берем из холодильника кубик льда и кладем его в раковину.

По прошествии некоторого времени кубик льда растает, потому что теплота от более теплого тела (воздуха) передастся более холодному (кубику льда).

С точки зрения закона сохранения энергии, нет причин для того, чтобы теплота передавалась именно в таком направлении: даже если бы лед становился всё холоднее, а воздух всё теплее, закон сохранения энергии всё равно бы выполнялся.

Тот факт, что этого не происходит, как раз и свидетельствует об уже упоминавшейся направленности физических процессов. повышается. Именно это мы имеем в виду, когда говорим, что тепло передается от воздуха ко льду. И в рамках этой модели первая формулировка второго начала термодинамики логически вытекает из поведения молекул.

Невозможна самопроизвольная передача теплоты от холодного тела к теплому. (1)

Проиллюстрировать вторую формулировку в действии несложно. Представим себе цилиндр двигателя внутреннего сгорания автомобиля. В него впрыскивается топливная смесь, которая сжимается поршнем до высокого давления, после чего она воспламеняется.

При взрывном сгорании смеси выделяется значительное количество теплоты в виде раскаленных и расширяющихся продуктов сгорания, давление которых толкает поршень вниз.

В идеальном мире мы могли бы достичь КПД использования выделившейся тепловой энергии на уровне 100%, полностью переведя ее в механическую работу поршня. 

Никакой двигатель не может преобразовывать теплоту в работу со стопроцентной  эффективностью. (2)

Третья формулировка второго начала термодинамики, приписываемая обычно австрийскому физику Людвигу Больцману, пожалуй, наиболее известна. Энтропия — это показатель неупорядоченности системы. Чем выше энтропия — тем хаотичнее движение материальных частиц, составляющих систему.

Больцману удалось разработать формулу для прямого математического описания степени упорядоченности системы. Посмотрим, как она работает, на примере воды.

В жидком состоянии вода представляет собой довольно неупорядоченную структуру, поскольку молекулы свободно перемещаются друг относительно друга, и пространственная ориентация у них может быть произвольной. Другое дело лед — в нем молекулы воды упорядочены, будучи включенными в кристаллическую решетку.

Формулировка второго начала термодинамики Больцмана, условно говоря, гласит, что лед, растаяв и превратившись в воду (процесс, сопровождающийся снижением степени упорядоченности и повышением энтропии) сам по себе никогда из воды не возродится. И снова мы видим пример необратимого природного физического явления.

Тут важно понимать, что речь не идет о том, что в этой формулировке второе начало термодинамики провозглашает, что энтропия не может снижаться нигде и никогда. В конце концов, растопленный лед можно поместить обратно в морозильную камеру и снова заморозить.

Смысл в том, что энтропия не может уменьшаться в замкнутых системах — то есть, в системах, не получающих внешней энергетической подпитки. А это приводит еще к одной формулировке второго начала: Холодильник не работает, если он не включен в розетку.

В замкнутой системе энтропия не может убывать. (3)  

  2.Термодинамика открытых систем.

  Определим замкнутую систему как систему, полностью изолированную от среды, т. е. не обменивающуюся энергией и веществом со средой. Такую систему, во всех отношениях отделенную от среды, называют также изолированной системой.

Условие полной изоляции на практике, естественно, можно выполнить лишь частично, например поместив систему в сосуд Дьюара. Система, которая отделена от внешнего мира стенкой, совершенно непроницаемой для вещества, называется закрытой.

Закрытые системы могут обмениваться энергией со средой, например, путем теплопередачи или совершения работы.  Открытые системы характеризуются тем, что могут обмениваться со средой как энергией, так и веществом.

Обмен веществом со средой, который по определению обязательно имеет место в открытой системе, может происходить как свободно (через отверстие, вентиль и т.п.), так и через граничные поверхности, обладающие избирательным пропусканием (мембраны, сита и т.п.).

Необходимо четко различать понятия замкнутой (полностью изолированной), закрытой (не имеющей обмена веществом) и открытой (обменивающейся веществом) систем.  Для открытой системы изменение экстенсивной величины Z за время dt может быть представлено в виде суммы двух вкладов: deZ, обусловленного внешними факторами, и diZ, связанного с внутренними свойствами самой системы, т. е.

Применительно к внутренней энергии U, молярному числу k-го компонента  nk и энтропии S это выражение принимает вид

Упомянем также, что между изменениями тепла и работы невозможно провести четкое разграничение, поэтому здесь необходимо сделать целесообразные допущения.

  В то время как внешние вклады deU, denkи deS за интервал времени dt могут иметь любой знак и величину, на «внутренние налагаются определенные ограничения. Из первого закона термодинамики следует

                        diU = 0,                     (5)

  т.е. внутри системы энергия не вырабатывается и не исчезает; это фундаментальный закон сохранения энергии. Внутри системы энергия может лишь преобразовываться из высших форм в низшие.

Молярные числа могут изменяться внутри системы только засчет химических  реакций.   Пронумеруем  возможны реакции 1, 2..R (R — любое число).

Если обозначить через νkrстехиометрические коэффициенты k-говещества в r-йреакции, то получим

                                            (6)

    Здесь ξr — число оборотов r-й реакции, показывающее насколько хорошо протекает реакция; ξr = 0 означает, что в результате r-йреакции не образуется ни одного моля вещества.

ξr = 1 указывает, что в r-й реакции образуется  νkr молей к-го вещества.

Наконец, изменение энтропии, обусловленное процессами внутри системы, в соответствии со вторым законом термодинамики должно быть неотрицательной величиной

                                                         (7)

  Теперь же нас ocобенно интересует вопрос,  при каких условиях энтропия системы может уменьшаться. Ответ на этот вопрос   заключается   в   фундаментальных зависимостях (4), (7) . Изменение энтропии произвольной системы состоит из двух компонент, причем «внутренний» вклад должен быть всегда положительным.

Изменение энтропии за счет процессов притока и оттока может быть как положительным, так и отрицательным. Таким образом, система, способная отдавать энтропию среде, или, иными словами, поглощать отрицательную энтропию (негэнтропию), может уменьшать свою энтропию.

Поведение энтропии в открытой системе может, таким образом, принципиально отличаться от поведения энтропии в изолированной системе. В открытых системах могут без нарушения второго закона термодинамики образовываться и существовать структуры. Последовательная теория открытых систем была разработана Пригожиным.

Пригожин и Гленсдорф обобщили эту теорию на случай нелинейных систем.

  Берталанфи указал также на важную роль текущего равновесия в природе. Под текущим равновесием мы понимаем стационарное (не зависящее от времени) неравновесное состояние открытой системы, устойчивое по отношению к малым отклонениям.

  В состоянии текущего равновесия термодинамические функции остаются неизменными, dZ = 0, так что можно записать

  Для поддержания текущего равновесия (устойчиoгo стационарного состояния) должен происходить приток отрицательной энтропии. в объем системы, компенсирующий производство энтропии в системе, а также приток вещества, компенсирующий изменения вызванные химическими реакциями.

Напротив, наличие результирующего притока энергии в систему не совместимо с поддержанием состояния текущего равновесия. С достаточными критериями существования текущего равновесия связаны с понятием производства энтропии. Принципиальное различие между термодинамическим равновесием и текущим равновесием заключается в наличии при последнем конечного производства энтропии.

При текущем равновесии dtS > 0, и в (11) остается только знак строгого неравенства. В отличии от термодинамического равновесия при текущем равновесии существуют не равные нулю потоки энтропии и вещества, которые, однако, в общем не влияют на   баланс   термодинамических   величин   благодаря эффектам компенсации [см. соотношения (10) и (11)].

С достаточными критериями существования текущего равновесия связано с понятием производства энтропии.

 3. Производство Энтропии. Теорема Пригожина-Гленсдорфа

 Подчиняются ли процессы  структурообразования   общим   физичеким принципам, подобным второму началу термодинамики, или же эти процессы носят особый характер. Фундаментальные исследования Пригожина и Гленсдорфа доказали существование вариационных принципов для стационарных нелинейных процессов.

физическая величина, исследуемая новой теорией, — это производство энтропии, которое играет в необратимых процессах столь же важную роль, как энтропия в равновесных системах. К этой величине относятся  вышеупомянутые общие физические принципы,   которые   также   называются   критериями эволюции.

   Термин   «эволюция»   используется   здесь, как у Пригожина и Гленсдорфа, в узком смысле «физической эволюции», т. е. относится к направленному развитию физических систем.

     Определим производство энтропии в системе как

Рассмотрим сейчас частный случай – замкнутую систему. Поскольку deS = 0, имеет место неравенство

Энтропия как функция некоторого физического параметра системы акбудет изменяться до тех пор, пока не достигнет энтропия равновесного состояния при значении параметра  ак(0) ,для которого 

Источник: https://www.stud24.ru/phisics/termodinamika-otkrytyh-sistem/32589-102417-page1.html

Booksm
Добавить комментарий