Термодинамический режим - Thermodynamic operation - Wikipedia

А термодинамический режим это внешняя манипуляция, влияющая на термодинамическую систему. Изменение может быть либо в соединении, либо в стене между термодинамическая система и его окружение, или в значении некоторой переменной в окружении, которое соприкасается со стенкой системы, что позволяет передавать экстенсивное количество, принадлежащее этой переменной.[1][2][3][4] В термодинамике предполагается, что операция проводится без учета какой-либо соответствующей микроскопической информации.

Термодинамическая операция требует участия независимого внешнего фактора, который не связан с пассивными свойствами систем. Возможно, первое выражение различия между термодинамической операцией и термодинамическим процессом находится в заявлении Кельвина о второй закон термодинамики: «Невозможно с помощью неодушевленных материалов вызвать механический эффект из любой части материи, охладив ее ниже температуры окружающих предметов». Последовательность событий, произошедших не «посредством неодушевленного материального фактора», повлечет за собой действие одушевленного агентства или, по крайней мере, независимого внешнего агентства. Такое агентство могло бы наложить некоторые термодинамические операции. Например, эти операции могут привести к созданию теплового насоса, который, конечно, будет соответствовать второму закону. А Демон Максвелла проводит чрезвычайно идеализированный и естественно неосуществимый вид термодинамической операции.[5]

Обычное языковое выражение для термодинамической операции используется Эдвард А. Гуггенхайм: "фальсификация" тел.[6]

Различие между термодинамической операцией и термодинамическим процессом

Типичная термодинамическая операция - это внешнее изменение положения поршня для изменения объема интересующей системы. Другая термодинамическая операция - это удаление первоначально разделяющей стенки, манипуляция, которая объединяет две системы в одну неразделенную систему. Типичный термодинамический процесс состоит из перераспределения, которое распределяет сохраняемую величину между системой и ее окружением через ранее непроницаемую, но недавно полупроницаемую стену между ними.[7]

В более общем плане процесс можно рассматривать как передачу некоторой величины, которая определяется изменением обширной переменной состояния системы, соответствующей сохраняемой величине, так что можно записать уравнение баланса передачи.[8] По словам Уффинка, «... термодинамические процессы происходят только после внешнего вмешательства в систему (например, удаления перегородки, установления теплового контакта с термостатом, толкания поршня и т. Д.). Они не соответствуют автономное поведение свободной системы ».[9] Например, для интересующей замкнутой системы изменение внутренней энергии (обширная переменная состояния системы) может быть вызвано передачей энергии в виде тепла. В термодинамике тепло не является обширной переменной состояния системы. Однако количество переданного тепла определяется величиной адиабатической работы, которая вызывает такое же изменение внутренней энергии, как и передача тепла; энергия, передаваемая в виде тепла, является сохраняемой величиной.

С исторической точки зрения различие между термодинамической операцией и термодинамическим процессом в этих терминах не встречается в отчетах XIX века. Например, Кельвин говорил о «термодинамической операции», имея в виду то, что в современной терминологии называется термодинамической операцией, за которой следует термодинамический процесс.[10] Опять же, Планк обычно говорил о «процессе», когда в нашей современной терминологии говорится о термодинамической операции, за которой следует термодинамический процесс.[11][12]

«Естественные процессы» Планка в сравнении с действиями демона Максвелла.

Планк считал, что все «естественные процессы» (означающие, в современной терминологии, термодинамическая операция, за которой следует термодинамический процесс) необратимы и протекают в смысле увеличения суммы энтропии.[13] В этих терминах, это было бы термодинамическими операциями, что, если бы он мог существовать, демон Максвелла вел бы неестественные дела, которые включают переходы в смысле от термодинамического равновесия. Они физически теоретически возможны до определенной степени, но не являются естественными процессами в смысле Планка. Причина в том, что обычные термодинамические операции проводятся при полном игнорировании тех самых видов микроскопической информации, которая необходима для усилий демона Максвелла.

Примеры термодинамических операций

Термодинамический цикл

А термодинамический цикл строится как последовательность этапов или шагов. Каждая стадия состоит из термодинамической операции, за которой следует термодинамический процесс. Например, начальная термодинамическая операция цикла Тепловой двигатель Карно можно рассматривать как установку рабочего тела при известной высокой температуре в контакт с тепловым резервуаром той же температуры (горячим резервуаром) через стенку, проницаемую только для тепла, при этом он остается в механическом контакте с изделием. резервуар. За этой термодинамической операцией следует термодинамический процесс, в котором расширение рабочего тела происходит настолько медленно, что становится практически обратимым, а внутренняя энергия передается в виде тепла от горячего резервуара к рабочему телу и в виде работы от рабочего тела к рабочий резервуар. Теоретически процесс в конце концов завершается, и на этом стадия заканчивается. Затем двигатель подвергается другой термодинамической операции, и цикл переходит в другую стадию. Цикл завершается, когда термодинамические переменные (термодинамическое состояние) рабочего тела возвращаются к своим исходным значениям.

Виртуальные термодинамические операции

А холодильное устройство проходит рабочее вещество через последовательные стадии, составляя в целом цикл. Это может быть вызвано не перемещением или изменением разделительных стенок вокруг неподвижного тела рабочего вещества, а скорее перемещением тела рабочего вещества, чтобы вызвать воздействие циклической последовательности неподвижных неизменных стенок. Эффект представляет собой фактически цикл термодинамических операций. Кинетическая энергия объемного движения рабочего тела не является существенной характеристикой устройства, и рабочее тело практически можно рассматривать как почти покоящееся.

Состав систем

Для многих цепочек рассуждений в термодинамике удобно думать о сочетании двух систем в одну. Предполагается, что две системы, отделенные от своего окружения, сопоставляются и (путем изменения точки зрения) рассматриваются как составляющие новую составную систему. Композитная система представлена ​​в новом общем окружении. Это устанавливает возможность взаимодействия между двумя подсистемами и между композитной системой и ее общим окружением, например, позволяя контактировать через стену с определенным типом проницаемости. Этот концептуальный прием был введен в термодинамику в основном в работах Каратеодори и с тех пор широко используется.[2][3][14][15][16][17]

Аддитивность обширных переменных

Если термодинамическая операция представляет собой полное удаление стенок, то обширные переменные состояния составной системы являются соответствующими суммами переменных состояния компонентных систем. Это называется аддитивность обширных переменных.

Масштабирование системы

Термодинамическая система, состоящая из одной фазы, в отсутствие внешних сил, в собственном состоянии внутреннего термодинамического равновесия, является однородной.[18] Это означает, что материал в любой области системы может быть заменен материалом любой конгруэнтной и параллельной области системы, и в результате система остается термодинамически неизменной. Термодинамическое действие масштабирование представляет собой создание новой однородной системы, размер которой кратен старому размеру и чей интенсивные переменные имеют одинаковые значения. Традиционно размер определяется массой системы, но иногда он определяется энтропией или объемом.[19][20][21][22] Для данной такой системы Φ, в масштабе действительного числа λ дать новый λΦ, а государственная функция, Икс(.), так что Икс(λΦ) = λ X(Φ), как говорят, обширный. Такая функция как Икс называется однородная функция степени 1. Здесь упоминаются две разные концепции, имеющие одно и то же название: (а) математическая концепция однородности степени 1 в функции масштабирования; и (б) физическая концепция пространственной однородности системы. Бывает, что оба согласны здесь, но не потому, что они тавтологичны. Это случайный факт термодинамики.

Разделение и перекомпоновка систем

Если две системы, Sа и Sб , имеют одинаковые интенсивные переменные, термодинамическая операция удаления стенки может составить их в единую систему, S, с такими же интенсивными переменными. Если, например, их внутренние энергии находятся в соотношении λ:(1−λ), то составная система, S, имеет внутреннюю энергию в соотношении 1:λ к системе Sа. Обратной термодинамической операцией система S очевидным образом можно разделить на две подсистемы. Как обычно, эти термодинамические операции проводятся при полном игнорировании микроскопических состояний систем. В частности, для макроскопической термодинамики характерно то, что вероятность равна нулю, что операция расщепления происходит в момент, когда система S находится в экстремальном переходном микроскопическом состоянии, предусмотренном Повторение Пуанкаре аргумент. Такое разделение и перекомпоновка согласуется с описанной выше аддитивностью обширных переменных.

Заявления о законах

Термодинамические операции появляются в формулировках законов термодинамики. В рамках нулевого закона рассматриваются операции термического соединения и отключения систем. Что касается второго закона, некоторые утверждения предполагают операцию соединения двух изначально не связанных систем. Что касается третьего закона, одно утверждение состоит в том, что никакая конечная последовательность термодинамических операций не может привести систему к абсолютному нулю температуры.

Рекомендации

  1. ^ Тиса, Л. (1966), стр. 41, 109, 121, первоначально опубликованная как «Термодинамика фазового равновесия», Анналы физики, 13: 1–92.
  2. ^ а б Джайлз Р. (1964), стр. 22.
  3. ^ а б Либ, Э. Х., Ингвасон, Дж. (1999).
  4. ^ Каллен, Х. (1960/1985), стр. 15.
  5. ^ Байлин М. (1994), стр. 88, 100.
  6. ^ Гуггенхайм, Э.А. (1949).
  7. ^ Тиса, Л. (1966), стр. 47.
  8. ^ Дьярмати, И. (1970), стр. 18.
  9. ^ Уффинк, Дж. (2001).
  10. ^ Кельвин, лорд (1857).
  11. ^ Планк, М. (1887).
  12. ^ Планк, М. (1897/1903), стр. 104.
  13. ^ Гуггенхайм, A.E. (1949/1967), стр. 12.
  14. ^ Тиса, Л. (1966), стр. 41, 50, 121.
  15. ^ Каратеодори, К. (1909).
  16. ^ Планк, М. (1935).
  17. ^ Каллен, Х. (1960/1985), стр. 18.
  18. ^ Планк, М. (1897/1903), стр. 3.
  19. ^ Ландсберг, П. (1961), стр. 129–130.
  20. ^ Тиса, Л., (1966), стр. 45.
  21. ^ Haase, R. (1971), стр. 3.
  22. ^ Каллен, Х. (1960/1985), стр. 28–29.

Библиография для цитирования

  • Байлын, М. (1994). Обзор термодинамики, Американский институт физики Press, Нью-Йорк, ISBN  0-88318-797-3.
  • Каллен, Х. (1960/1985). Термодинамика и введение в термостатистику, (1-е издание, 1960 г.) 2-е издание, 1985 г., Вили, Нью-Йорк, ISBN  0-471-86256-8.
  • Каратеорири, К. (1909). "Untersuchungen über die Grundlagen der Thermodynamik". Mathematische Annalen. 67 (3): 355–386. Дои:10.1007 / BF01450409. Перевод можно найти здесь. Также в основном надежный перевод должен быть найден в Kestin, J. (1976). Второй закон термодинамики, Дауден, Хатчинсон и Росс, Страудсбург, Пенсильвания.
  • Джайлз, Р. (1964). Математические основы термодинамики, Макмиллан, Нью-Йорк.
  • Гуггенхайм, Э.А. (1949/1967). Термодинамика. Передовое лечение для химиков и физиков, пятое исправленное издание, Северная Голландия, Амстердам.
  • Гуггенхайм, Э.А. (1949). «Статистические основы термодинамики», Исследование, 2: 450–454.
  • Дьярмати, И. (1967/1970). Неравновесная термодинамика. Теория поля и вариационные принципы, перевод с венгерского 1967 Э. Дьярмати и В.Ф. Хайнц, Спрингер-Верлаг, Нью-Йорк.
  • Хаазе Р. (1971). Обзор основных законов, глава 1 Термодинамика, страницы 1–97 тома 1, изд. В. Йост, из Физическая химия. Продвинутый трактат, изд. Х. Эйринг, Д. Хендерсон, У. Йост, Academic Press, Нью-Йорк, lcn 73–117081.
  • Кельвин, лорд (1857). Об изменении температуры при изменении давления в жидкостях, Proc. Рой. Soc., Июнь.
  • Ландсберг, П. (1961). Термодинамика с квантовыми статистическими иллюстрациями, Interscience, Нью-Йорк.
  • Либ, Э. Х., Ингвасон, Дж. (1999). Физико-математические науки второго начала термодинамики, Отчеты по физике, 314: 1–96, с. 14.
  • Планк, М. (1887 г.). 'Ueber das Princip der Vermehrung der Entropie', Annalen der Physik und Chemie, новая серия 30: 562–582.
  • Планк, М., (1897/1903). Трактат по термодинамике, перевод A. Ogg, Longmans, Green, & Co., Лондон.
  • Планк, М. (1935). Bemerkungen über Quantitätsparameter, Intenstitätsparameter und stabiles Gleichgewicht, Physica, 2: 1029–1032.
  • Тиса, Л. (1966). Обобщенная термодинамика, M.I.T Press, Cambridge MA.
  • Уффинк, Дж. (2001). Обманите свой путь вторым законом термодинамики, Stud. Hist. Фил. Мод. Phys., 32(3): 305–394, издательство Elsevier Science.