Термодинамический режим - Thermodynamic operation

Термодинамической операция является навязанной извне манипуляция , которая влияет на термодинамическую систему. Изменение может происходить либо в связи, либо в стене между термодинамической системой и ее окружением, либо в значении некоторой переменной в окружающей среде, которая контактирует со стенкой системы, что позволяет передавать экстенсивное количество, принадлежащее этой переменной. 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 термодинамическими операциями и термодинамическими процессами содержится в формулировке Кельвина второго закона термодинамики : «Невозможно с помощью неодушевленного материального воздействия получить механический эффект от какой-либо части материи, охлаждая ее. ниже температуры окружающих предметов ". Последовательность событий, произошедшая 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 создать тепловой насос , который, конечно, будет соответствовать второму закону. А демон Максвелла проводит крайне идеализированный и , естественно , несбыточный вид термодинамической работы.

Другой часто используемый термин, обозначающий термодинамическую операцию, - это «изменение ограничения», например, относящийся к удалению стены между двумя изолированными отсеками.

Эдвард А. Гуггенхайм использовал обычное языковое выражение для термодинамической операции : «вмешательство» в тела.

Различие между термодинамическими операциями и термодинамическими процессами

Типичная термодинамическая операция - это внешнее изменение положения поршня, чтобы изменить объем интересующей системы. Другая термодинамическая операция - это удаление изначально разделяющей стенки, манипуляция, которая объединяет две системы в одну неразделенную систему. Типичный термодинамический процесс состоит из перераспределения, при котором сохраняемая величина распространяется между системой и ее окружением через ранее непроницаемую, но недавно полупроницаемую стену между ними.

В более общем смысле процесс можно рассматривать как перенос некоторой величины, которая определяется изменением обширной переменной состояния системы, соответствующей сохраняемой величине, так что можно записать уравнение баланса переноса. По словам Уффинка, «... термодинамические процессы происходят только после внешнего вмешательства в систему (например: удаление перегородки, установление теплового контакта с термостатом, толкание поршня и т. Д.). Они не соответствуют автономное поведение свободной системы ». 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. Количество передаваемого тепла, однако, 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. Опять же, Планк обычно говорил о «процессе», когда в нашей современной терминологии говорится о термодинамической операции, за которой следует термодинамический процесс.

«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. 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 мыслимы 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

Термодинамический цикл строится как последовательность стадий или этапов. Каждая стадия состоит из термодинамической операции, за которой следует термодинамический процесс. Например, начальная термодинамическая операция цикла тепловой машины Карно может быть принята как установка рабочего тела при известной высокой температуре в контакт с тепловым резервуаром той же температуры (горячим резервуаром) через стенка проницаема только для тепла, при этом остается в механическом контакте с рабочим резервуаром. За этой термодинамической операцией следует термодинамический процесс, в котором расширение рабочего тела происходит настолько медленно, что становится практически обратимым, в то время как внутренняя энергия передается в виде тепла от горячего резервуара к рабочему телу и в виде работы от рабочего тела к рабочему телу. 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

Холодильное устройство проходит рабочее вещество через последовательные стадии, в целом , составляющие 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 фактически представляет собой 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 (в результате 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. Это концептуальное устройство было введено в термодинамику в основном в работах Каратеодори и с тех пор широко используется.

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 аддитивностью обширных переменных.

Масштабирование системы

Термодинамическая система, состоящая из одной фазы, в отсутствие внешних сил, в собственном состоянии внутреннего термодинамического равновесия, является однородной. 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. Термодинамическая операция масштабирования - это создание новой однородной системы, размер которой кратен старому размеру, а интенсивные переменные имеют те же значения. Традиционно размер определяется массой системы, но иногда он определяется энтропией или объемом. Для заданной такой системы Ф , масштабированного реальное число Х , чтобы получить новый Л Ф , в функции состояния , X (.) , Таким образом, что Х ( А , Ф) = А , Х (Ф) , называется обширна . Такая функция, как X , называется однородной функцией 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, S a и S b  , имеют идентичные интенсивные переменные, термодинамическая операция удаления стенки может объединить их в единую систему S с одинаковыми интенсивными переменными. Если, например, их внутренняя энергия находится в отношении λ : (1 - λ ) , то составная система S имеет внутреннюю энергию в отношении 1: λ к энергии системы S a . С помощью обратной термодинамической операции система S очевидным образом может быть разделена 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 тот момент, когда система S находится в виде экстремального переходного микроскопического состояния, предусмотренного аргументом рекуррентности Пуанкаре . Такое разделение и перекомпоновка согласуется с описанной выше аддитивностью обширных переменных.

Заявления о законах

Термодинамические операции появляются в формулировках законов термодинамики. Для 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 из утверждений состоит в том, что никакая конечная последовательность термодинамических операций не может привести систему к абсолютному нулю температуры.

Рекомендации

Библиография для цитирования

  • Байлын, М. (1994). Обзор термодинамики , Американский институт физики Press, Нью-Йорк, ISBN   0-88318-797-3 .
  • Каллен, HB (1960/1985). Термодинамика и введение в термостатистику , (1-е издание, 1960 г.), 2-е издание, 1985 г., Wiley, New York, ISBN   0-471-86256-8 .
  • Каратеори, К. (1909). "Untersuchungen über die Grundlagen der Thermodynamik" . Mathematische Annalen . 67 (3): 355–386. DOI : 10.1007 / BF01450409 . Перевод можно найти здесь . Также наиболее надежный перевод можно найти у Kestin, J. (1976). Второй закон термодинамики , Dowden, Hutchinson & Ross, Stroudsburg PA ..
  • Джайлз, Р. (1964). Математические основы термодинамики , Макмиллан, Нью-Йорк.
  • Гуггенхайм, EA (1949/1967). Термодинамика. Передовое лечение для химиков и физиков , пятое переработанное издание, Северная Голландия, Амстердам.
  • Гуггенхайм, EA (1949). «Статистические основы термодинамики», Research , 2 : 450–454.
  • Дьярмати, И. (1967/1970). Неравновесная термодинамика. Теория поля и вариационные принципы , перевод с венгерского 1967 года Э. Дьярмати и У. Ф. Хайнца, Springer-Verlag, Нью-Йорк.
  • Хаазе, Р. (1971). Обзор основных законов, глава 1 термодинамики , страницы 1–97 тома 1, изд. W. Jost, Физическая химия. Расширенный 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, PT (1961). Термодинамика с квантовыми статистическими иллюстрациями , Interscience, Нью-Йорк.
  • Либ, Э. Х., Ингвасон, Дж. (1999). Физико- математические аспекты второго начала термодинамики, Physics Reports , 314 : 1–96, p. 14.
  • Планк, М. (1887). «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 , MIT Press, Cambridge MA.
  • Уффинк, Дж. (2001). Блефуйте во втором законе термодинамики, Стад. Hist. Фил. Мод. Phys. , 32 (3): 305–394, издательство Elsevier Science.