Неравновесная термодинамика

Неравновесная термодинамика

Неравновесная термодинамика — раздел термодинамики, изучающий системы вне состояния термодинамического равновесия и необратимые процессы. Возникновение этой области знания связано главным образом с тем, что подавляющее большинство встречающихся в природе систем находятся вдали от термодинамического равновесия.

Содержание

История

Необходимость в создании новой теории возникла в первой половине двадцатого века. Пионером в этом направлении стал Ларс Онзагер, в 1931 году опубликовавший две работы, посвященные неравновесной термодинамике.[1][2] В дальнейшем значительный вклад в развитие неравновесной термодинамики внесли Эккарт[3], Майкснер и Райк[4], Д. Н. Зубарев[5], Пригожин[6], Де Гроот и Мазур[7], Гуров К. П. и другие. Следует отметить, что теория неравновесных систем активно развивается и в настоящее время.

Классическая формулировка неравновесной термодинамики

Основные положения

Классическая неравновесная термодинамика основана на фундаментальном предположении о локальном равновесии. Концепция локального равновесия заключается в том, что равновесные термодинамические соотношения справедливы для термодинамических переменных, определенных в элементарном объеме, то есть рассматриваемая система может быть мысленно разделена в пространстве на множество элементарных ячеек, достаточно больших, чтобы рассматривать их как макроскопические системы, но в то же время достаточно малых для того, чтобы состояние каждой из них было близко к состоянию равновесия. Данное предположение справедливо для очень широкого класса физических систем, что и определяет успех классической формулировки неравновесной термодинамики.

Концепция локального равновесия подразумевает, что все экстенсивные переменные (энтропия, внутренняя энергия, массовая доля компонента k) заменяются своими плотностями:

s=s(\mathbf{x}, t), \;\;\;\; u=u(\mathbf{x}, t), \;\;\;\; c_k=c_k(\mathbf{x}, t).

В то же время все интенсивные переменные, такие как температура, давление и химический потенциал должны быть заменены соответствующими функциями координат и времени:

T=T(\mathbf{x}, t), \;\;\;\; p=p(\mathbf{x}, t), \;\;\;\; \mu_k=\mu_k(\mathbf{x}, t),

при этом они определяются так же, как и в равновесном случае, т.е. T^{-1}=\frac{\partial s}{\partial u}, \; T^{-1} p=\frac{\partial s}{\partial v}, \; T^{-1}\mu_k=\frac{\partial s}{\partial c_k}.

Далее, посредством введенных выше функций переписываются законы и соотношения из равновесной термодинамики в локальной форме. Первое начало (закон сохранения энергии):

\frac{\partial e}{\partial t} + \nabla \cdot \boldsymbol{J}^e = 0, e — сумма плотностей кинетической и внутренней энергий, \boldsymbol{J}^e — поток энергии.

Второе начало:

производство энтропии в каждой части системы, вызванное необратимыми процессами неотрицательно, то есть \frac{\partial s}{\partial t} + \nabla \cdot \boldsymbol{J}^s = \sigma, \; \sigma \geqslant 0.

Важную роль в классической неравновесной термодинамике играет локальная форма уравнения Гиббса—Дюгема:

T ds = du + p dv - \sum_k \mu_k dc_k

Переписав на последнем соотношении с учетом локальной формы закона сохранения энергии, массы, и сравнив с локальной формой второго начала, нетрудно получить следующий вид для производства энтропии:

\sigma = \boldsymbol{q} \cdot \nabla \left(\frac{1}{T} \right) - \sum_k \boldsymbol{J}_k \cdot \nabla \left(\frac{\mu_k}{T} \right) - \frac{1}{T} p^\nu \nabla \cdot \boldsymbol{\nu} - \frac{1}{T} \overset{0}{\mathbf{P}^\nu} : \overset{0}\mathbf{V} + \frac{\rho}{T} \sum_l A_l \dot{\xi}_l+\frac{1}{T} \boldsymbol{\varepsilon} \cdot \boldsymbol{i}.

Здесь:

  • \boldsymbol{q} — поток теплоты,
  • \boldsymbol{\nu}=\frac{1}{\rho} \sum_k\rho_k \boldsymbol{\nu}_k — скорость центра масс,
  • \boldsymbol{J}_k=\rho_k (\boldsymbol{\nu}_k - \boldsymbol{\nu}) — поток диффузии,
  • тензор вязких напряжений разложен следующим образом: \mathbf{P} = p \mathbf{U} + p^\nu \mathbf{U} + \overset{0}{\mathbf{P}^\nu}, где тензор вязкого давления \mathbf{P}^\nu разложен на объемное вязкое давление p^\nu и девиатор с нулевым следом \overset{0}{\mathbf{P}^\nu},
  • аналогично, тензор скоростей деформации может быть разложен следующим образом: \mathbf{V} = \frac{1}{3} (\nabla \cdot \boldsymbol{\nu}) \mathbf{U} + \overset{0}{\mathbf{V}^\nu},
  • двоеточие : — двойное скалярное произведение тензоров,
  • A_l — химическое сродство реакции l, \xi_l — соответствующая степень полноты реакции,
  • \boldsymbol{\varepsilon} = \boldsymbol{E} + \boldsymbol{\nu} \times \boldsymbol{B} — электрическое поле в системе координат, движущейся со скоростью \boldsymbol{\nu}, \boldsymbol{i} = \sum_k z_k \boldsymbol{J}_k — ток проводимости.

Потоки и силы

В рамках классической неравновесной термодинамики описание необратимых процессов происходит при помощи термодинамических сил и термодинамических потоков. Основанием для введения данных величин является то, что через них производство энтропии выражается в простой форме. Дадим явные выражения для различных сил и потоков. Из приведенного выше выражения для производства энтропии видно, что \sigma представляет собой билинейную форму:

\sigma = \sum_\alpha J_\alpha X_\alpha,

где J_\alpha — термодинамический поток, X_\alpha — термодинамическая сила. Следует особо подчеркнуть произвольность разделения на термодинамические потоки и силы. Например, множитель \frac{1}{T} можно отнести не к силе, а к потоку. Силы и потоки можно даже поменять местами, однако всё же естественно считать, что термодинамические силы порождают термодинамические потоки, как градиент температуры порождает поток теплоты. Пример разделения сил и потоков показан в таблице:

Сила X_\alpha \nabla \frac{1}{T} -\nabla \frac{\mu_k}{T} - \frac{1}{T} \nabla \cdot \boldsymbol{\nu} - \frac{1}{T} \overset{0}\mathbf{V} - \frac{1}{T} A_l - \frac{1}{T} \boldsymbol{\varepsilon}
Поток J_\alpha \boldsymbol{q} \boldsymbol{J}_k p^\nu \overset{0}{\mathbf{P}^\nu} \rho \dot{\xi} \boldsymbol{i}

Как видно, потоки и силы могут быть не только скалярами, но также векторами и тензорами.

Линейные материальные уравнения

Основная статья: Линейная неравновесная термодинамика

Потоки являются неизвестными величинами, в отличие от сил, которые представляют собой функции от переменных состояния и/или их градиентов. Экспериментально установлено, что потоки и силы связаны друг с другом, причем заданный поток зависит не только от своей силы, но может зависеть также от других термодинамических сил и от переменных состояния:

J_\alpha = J_\alpha(X_1, \dots X_\alpha ; \, T, p, c_k).

Соотношения такого вида между потоками и силами называются феноменологическими соотношениями или материальными уравнениями. Они в совокупности с уравнениями баланса массы, импульса и энергии представляют замкнутую систему уравнений, которая может быть решена при заданных начальных и граничных условиях. Так как в положении термодинамического равновесия силы и потоки обращаются в нуль, то разложение материального уравнения вблизи положения равновесия принимает следующий вид:

J_\alpha = \sum_\beta L_{\alpha \beta} X_\beta, \;\;\;\; L_{\alpha \beta} = \frac{\partial J_\alpha}{\partial X_\beta}.

Величины L_{\alpha \beta} называются феноменологическими коэффициентами и в общем случае зависят от переменных состояния T, p и c_k. Важно отдавать себе отчет в том, что, например, такая сила, как \nabla \frac{1}{T} способна вызывать не только поток теплоты \boldsymbol{q}, но электрический ток \boldsymbol{i}. На феноменологические коэффициенты накладывается ряд ограничений, подробнее о них изложено в соответствующей статье.

Другим важным результатом, полученном в рамках линейной неравновесной термодинамики является теорема о минимуме производства энтропии:

В линейном режиме полное производство энтропии в системе, подверженной потоку энергии и вещества, в неравновесном стационарном состоянии достигает минимального значения.

Так же в это случае (линейный режим, стационарное состояние) показано, что потоки с собственными нулевыми силами равны нулю. Таким образом, например, при наличии постоянного градиента температуры, но при отсутствии поддерживаемого градиента концентрации система приходит к состоянию с постоянным потоком тепла, но с отсутствием потока вещества.

Системы вне локального равновесия

Несмотря на успехи классического подхода, у него есть существенный недостаток — он основывается на предположении о локальном равновесии, что может оказаться слишком грубым допущением для достаточно обширного класса систем и процессов. Примеры включают в себя такие явления, как распространение ультразвука в газах, суспензии, растворы полимеров, гидродинамика фононов, ударные волны, разреженные газы и т.д. С целью преодоления этого недостатка был создан целый ряд различных подходов.

Рациональная термодинамика

Planned section.svg
 Этот раздел статьи ещё не написан.
Согласно замыслу одного из участников Википедии, на этом месте должен располагаться специальный раздел.
Вы можете помочь проекту, написав этот раздел.

Расширенная необратимая термодинамика

Planned section.svg
 Этот раздел статьи ещё не написан.
Согласно замыслу одного из участников Википедии, на этом месте должен располагаться специальный раздел.
Вы можете помочь проекту, написав этот раздел.

Гамильтоновы формулировки неравновесной термодинамики

Planned section.svg
 Этот раздел статьи ещё не написан.
Согласно замыслу одного из участников Википедии, на этом месте должен располагаться специальный раздел.
Вы можете помочь проекту, написав этот раздел.

См. также

Неравновесный статистический оператор

Примечания

  1. ↑ L. Onsager, Phys. Rev. 37 (1931) 405
  2. ↑ L. Onsager, Phys. Rev. 38 (1931) 2265
  3. ↑ C. Eckart, Phys. Rev. 58 (1940) 267, 269, 919
  4. ↑ J. Meixner and H. Reik, Thermodynamik der Irreversiblen Prozesse (Handbuch der Physik III/2), (S. Flugge, ed.), Springer,Berlin, 1959.
  5. ↑ D. N. Zubarev, Double-time Green functions in statistical physics, Sov. Phys. Uspekhi, 1960, 3(3), 320—345.
  6. ↑ I. Prigogine, Introduction to Thermodynamics of Irreversible Processes, Interscience, New York, 1961.
  7. ↑ S.R. de Groot and P. Mazur, Non-equlibrium Thermodynamics, North-Holland, Amsterdam, 1962.

Литература


Wikimedia Foundation. 2010.

Игры ⚽ Поможем решить контрольную работу

Полезное


Смотреть что такое "Неравновесная термодинамика" в других словарях:

  • Термодинамика — Термодинамика …   Википедия

  • ТЕРМОДИНАМИКА НЕОБРАТИМЫХ ПРОЦЕССОВ — (неравновесная термодинамика), изучает общие закономерности поведения систем, не находящихся в состоянии термодинамического равновесия. В таких системах имеют место разнообразные неравновесные процессы (теплопередача, диффузия, электрич. ток, хим …   Химическая энциклопедия

  • ТЕРМОДИНАМИКА НЕРАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССОВ — общая теория макроскопич. описания термодинамически неравновесных процессов. Её наз, также н е р а вн о в е с н о й т е р м о д и н а м и к о й или т ер м о д и н а м и к о й н е о б р а т и м ы х п р о ц е с с о в. Впервые термодинамич,… …   Физическая энциклопедия

  • Термодинамика неравновесных процессов —         общая теория макроскопического описания неравновесных процессов (См. Неравновесные процессы). Она называется также неравновесной термодинамикой или термодинамикой необратимых процессов.          Классическая термодинамика изучает… …   Большая советская энциклопедия

  • Классическая термодинамика — (от др. греч. θερμη  тепло и др. греч. δυναμις  сила)  раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. В отдельные дисциплины выделились химическая термодинамика, изучающая физико химические… …   Википедия

  • ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА — раздел термодинамики и физ. химии, изучающий зависимости термодинамич. свойств в в от их состава, строения и условий существования, а также разл. хим. и физико хим. Процессы (хим. реакции, фазовые переходы в сложных системах, адсорбцию и др.).… …   Физическая энциклопедия

  • СТАТИСТИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА — (равновесная статистическая термодинамика) раздел статистической физики, посвящённый обоснованию законов термодинамики равновесных процессов (на основе статистич. механикиДж. У. Гиббса, J. W. Gibbs) и вычислениям термодинамич. характеристик физ …   Физическая энциклопедия

  • Статистическая термодинамика —         равновесная, раздел статистической физики (См. Статистическая физика), дающий статистическое обоснование законов термодинамики (См. Термодинамика) основе статистической механики Дж. У. Гиббса и посвященный вычислениям термодинамических… …   Большая советская энциклопедия

  • РЕЛЯТИВИСТСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА — раздел термодинамики, изучающий преобразование термоди намич. величин при переходе от неподвижной системы к движущейся со скоростью, близкой к скорости света. Р. т. основывается на объединении идей специальной и общей теории относительности с… …   Физическая энциклопедия

  • СТАТИСТИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА — раздел стати стич. физики, посвященный обоснованию законов термодинамики на основе законов взаимод. и движения составляющих систему частиц. Для систем в равновесном состоянии С. т. позволяет вычислять термодинамические потенциалы, записывать… …   Химическая энциклопедия


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
… Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»