Термодинамика

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.

 

Термодина́мика  — раздел физики, изучающий наиболее общие свойства макроскопических систем[1] и способы передачи и превращения энергии в таких системах[2]. В термодинамике изучаются состояния и процессы, для описания которых можно ввести понятие температуры.

Термодинамика — это феноменологическая наука, опирающаяся на обобщения опытных фактов. Процессы, происходящие в термодинамических системах, описываются макроскопическими величинами (температура,давление, концентрации компонентов), которые вводятся для описания систем, состоящих из большого числа частиц, и не применимы к отдельным молекулам и атомам, в отличие, например, от величин, вводимых в механике или электродинамике.

Современная феноменологическая термодинамика является строгой теорией, развиваемой на основе нескольких постулатов. Однако связь этих постулатов со свойствами и законами взаимодействия частиц, из которых построены термодинамические системы, даётся статистической физикой. Статистическая физика позволяет выяснить также и границы применимости термодинамики[3].

Законы термодинамики носят общий характер и не зависят от конкретных деталей строения вещества на атомарном уровне. Поэтому термодинамика успешно применяется в широком круге вопросов науки и техники, таких как энергетика, теплотехника, фазовые переходы, химические реакции, явления переноса и даже чёрные дыры. Термодинамика имеет важное значение для самых разных областей физики и химии, химической технологии, аэрокосмической техники, машиностроения, клеточной биологии, биомедицинской инженерии, материаловедения и находит своё применение даже в таких областях, как экономика[4][5].

Разделы термодинамики

Современную феноменологическую термодинамику принято делить на равновесную (или классическую) термодинамику, изучающую равновесные термодинамические системы и процессы в таких системах, и неравновесную термодинамику, изучающую неравновесные процессы в системах, в которых отклонение от термодинамического равновесия относительно невелико и ещё допускает термодинамическое описание.

В равновесной термодинамике вводятся такие переменные, как внутренняя энергия, температура, энтропия, химический потенциал. Все они носят название термодинамических параметров (величин). Классическая термодинамика изучает связи термодинамических параметров между собой и с физическими величинами, вводимыми в рассмотрение в других разделах физики, например, с гравитационным или электромагнитным полем, действующим на систему. Химические реакции и фазовые переходы также входят в предмет изучения классической термодинамики. Однако изучение термодинамических систем, в которых существенную роль играют химические превращения, составляет предмет химической термодинамики, а техническими приложениями занимается теплотехника.

В системах, не находящихся в состоянии термодинамического равновесия, например, в движущемся газе, может применяться приближение локального равновесия, в котором считается, что соотношения равновесной термодинамики выполняются локально в каждой точке системы. Однако в неравновесной термодинамике переменные рассматриваются как локальные не только в пространстве, но и во времени, то есть в её формулы время может входить в явном виде. Отметим, что посвящённая вопросам теплопроводности классическая работа Фурье «Аналитическая теория тепла» (1822) опередила не только появление неравновесной термодинамики, но и работу Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824), которую принято считать точкой отсчёта в истории классической термодинамики.

Классическая термодинамика включает в себя следующие разделы:

• начала термодинамики (иногда также называемые законами или аксиомами)

• уравнения состояния и свойства простых термодинамических систем (идеальный газ, реальный газ, диэлектрики и магнетики и т. д.)

• равновесные процессы с простыми системами, термодинамические циклы

• неравновесные процессы и закон не убывания энтропии

• термодинамические фазы и фазовые переходы

Кроме этого, современная термодинамика включает также следующие направления:

• строгая математическая формулировка термодинамики на основе выпуклого анализа

• не экстенсивная термодинамика

• применение термодинамики к нестандартным системам (см. термодинамика чёрных дыр)

• Основы термодинамики
• Термодинамика изучает системы, состоящие из очень большого числа частиц. Описание таких систем методами классической механики не только не представляется возможным, но и фактически лишено смысла. Особенности термодинамического описания возникают вследствие того, что поведение больших ансамблей частиц подчиняется статистическим закономерностям и не может быть сведено к анализу детерминированной эволюции динамических систем. Однако исторически термодинамика развивалась без опоры на представления статистической теории, и основные положения термодинамики могут быть сформулированы на основе ограниченного числа постулатов, являющихся обобщениями опытных фактов. Число этих постулатов варьируется у разных авторов в соответствии с тем, как строитсяаксиоматика термодинамики, но традиционно считается, что можно выделить четыре начала термодинамики.

 

 

 

 

 

 

Термодинамические системы

• В термодинамике изучаются физические системы, состоящие из большого числа частиц и находящиеся в состоянии термодинамического равновесия или близком к нему. Такие системы называются термодинамическими системами. Это понятие в общем случае достаточно сложно определить строго, поэтому используется описательное определение, в котором термодинамической системой называется макроскопическая система, которая каким-то образом (например, с помощью реальной или воображаемой оболочки) выделена из окружающей среды и способна взаимодействовать с ней
• Термодинамические системы бывают трех видов: 1. Изолированные (нет обмена ни веществом, ни энергией с окружающей средой). Пример – герметичный сосуд с газом с теплоизоляционной оболочкой, Вселенная в целом. 2. Замкнутые (нет обмена веществом с окружающей средой). Пример – герметичный сосуд. 3. Открытые (есть и энерго- и массообмен с окружающей средой). Пример – костер, человек.

 В химической термодинамике  изучаются только изолированные  и замкнутые системы.

III. Параметры термодинамической  системы

 Состояния систем характеризуются  параметрами состояния и функциями  состояния. Параметры состояния  системы – это свойства, однозначно  характеризующие однородные части  системы. Например, для идеального  газа параметрами являются четыре  свойства – давление P, объём V, температура T и количества молей µ . Любые три из них – независимы. Это означает, что, задав произвольно любые три из четырех параметров, мы по уравнению состояния (в данном случае это будет уравнение Клапейрона- Менделеева) найдем четвертый: PV= µ RT. Для более сложных систем могут появиться дополнительные параметры состояния – например, химический состав. Параметры делятся на интенсивные и экстенсивные. Интенсивные параметры не зависят от количества вещества в системе (давление, температура, напряженность электрического поля ), а экстенсивные – зависят (объем, масса, заряд и др.)

IV. Функции состояния термодинамической системы

Параметры состояния связаны друг с другом функциональными зависимостями. Те из функций, которые не зависят от истории системы, т.е. от того, как она попала в данное состояние, называются функциями состояния. Они однозначно характеризующие это состояние. В качестве примера приведём такую функцию состояния системы как внутренняя энергия U. К термодинамическому пониманию этой величины мы вернемся позже, пока же достаточно того, что мы знаем об энергии – в изолированных системах она сохраняется во времени.

 

• Термодинамическое равновесие
• Фундаментальным для классической термодинамики является понятие термодинамического равновесия, которое тоже плохо поддаётся логическому определению и формулируется как обобщение экспериментальных фактов. Утверждается, что любая замкнутая термодинамическая система, для которой внешние условия остаются неизменными, с течением времени переходит в равновесное состояние, в котором прекращаются все макроскопические процессы. При этом в системе на микроскопическом уровне могут происходить самые разные процессы, например, химические реакции, которые могут протекать и в прямом, и в обратном направлении, однако в среднем эти процессы компенсируют друг друга, и макроскопические параметры системы остаются неизменными, флуктуируя относительно равновесного значения. Флуктуации изучаются в статистической физике.
• Термодинамические параметры
• Термодинамика не рассматривает особенности строения тел на молекулярном уровне. Равновесные состояния термодинамических систем могут быть описаны с помощью небольшого числа макроскопических параметров, таких как температура, давление, плотность, концентрации компонентов и т. д., которые могут быть измерены макроскопическими приборами. Описанное таким образом состояние называется макроскопическим состоянием, и законы термодинамики позволяют установить связь между макроскопическими параметрами. Если параметр имеет одно и то же значение, не зависящее от размера любой выделенной части равновесной системы, то он называется неаддитивным или интенсивным, если же значение параметра пропорционально размеру части системы, то он называетсяаддитивным или экстенсивным[11]. Давление и температура — неаддитивные параметры, а внутренняя энергия и энтропия — аддитивные параметры.
• Макроскопические параметры могут подразделяться на внутренние, характеризующие состояние системы как таковой, и внешние, описывающие взаимодействие системы с окружающей средой и силовыми полями, воздействующими на систему, однако это разделение достаточно условно. Так, если газ заключен в сосуд с подвижными стенками и его объём определяется положением стенок, то объём является внешним параметром, а давление газа зависит от скоростей теплового движения молекул и является внутренним параметром. Напротив, если задаётся внешнее давление, то его можно считать внешним параметром, а объём газа — внутренним параметром. Постулируется, что в состоянии термодинамического равновесия каждый внутренний параметр может быть выражен через внешние параметры и температуру системы. Такая функциональная связь называется обобщённым уравнением состояния системы[12].
• Термодинамические процессы[править | править вики-текст]