32777

Термодинамика необратимых процессов. Явления переноса в термодинамически неравновесных системах. Опытные законы диффузии, теплопроводности и внутреннего трения

Доклад

Физика

Термодинамика необратимых процессов. ТЕРМОДИНАМИКА НЕОБРАТИМЫХ ПРОЦЕССОВ неравновесная термодинамика изучает общие закономерности поведения систем не находящихся в состоянии термодинамического равновесия. процессов изменение энтропии системы dS равно: где deS = Q T внешнее изменение энтропии связанное с обратимым теплообменом с окружающей средой Qбесконечно малое колво теплоты Tабс. тра diS внутреннее изменение энтропии обусловленное самопроизвольным протеканием в системе необратимых процессов.

Русский

2013-09-05

48.5 KB

111 чел.

53.Термодинамика необратимых процессов. Явления переноса в термодинамически неравновесных системах. Опытные законы диффузии, теплопроводности и внутреннего трения.

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. р-ции и т. п.), к-рые являются необратимыми в термодинамич. смысле (см. Обратимые и необратимые процессы). Согласно ур-нию Клаузиуса, для неадиабатич. процессов изменение энтропии системы dS равно:

где deS = Q/T- "внешнее" изменение энтропии, связанное с обратимым теплообменом с окружающей средой (Q-бесконечно малое кол-во теплоты, T-абс. т-ра), diS- "внутреннее" изменение энтропии, обусловленное самопроизвольным протеканием в системе необратимых процессов. При этом di SО, где знак равенства относится к состоянию равновесия или к случаю обратимых (квазистатич.) процессов. Величина diS играет центр. роль в Т. н. п.

К осн. задачам Т. н. п. относят исследование балансов физ. величин (энергии, массы, энтропии и др.) при переходах, превращениях и диссипации энергии, а также установление законов эволюции макроскопич. систем. В этой связи в Т.н.п. появляется и играет важную роль время t-переменная, отсутствующая в равновесной термодинамике (равновесные в термодинамич. смысле процессы протекают бесконечно медленно). Поэтому вместо (1) рассматривается соотношение:

dS/dt = deS/dt + diS/dt,

где величина P = diS/dt наз. глобальным произ-вом энтропии (т.е. относящееся ко всему объему системы).

Различают феноменологическую Т. н. п. и статистич. теорию неравновесных процессов. Феноменологическая Т. н. п., в свою очередь, подразделяется на линейную и нелинейную теории. Обычно в Т. н. п. рассматриваются три типа систем: однородные, прерывные и непрерывные. В однородных системах в любой момент времени интенсивные св-ва (параметры состояния) - т-ра, давление, хим. потенциал - одинаковы по всему объему. Прерывные (вентильные, гетерогенные) системы состоят из двух и более однородных частей, разделенных либо границей раздела фаз, либо вентилем (напр., газы в сосудах, соединенных мембраной или капилляром), так что св-ва меняются скачком при переходе из одной части в другую. Непрерывными наз. системы, интенсивные св-ва к-рых можно считать непрерывными ф-циями координат точки внутри системы (полевых переменных) и времени.

Соотношения, характеризующие процессы переноса массы, энергии, заряда, энтропии и т.д., записываются в виде балансовых ур-ний. Такие ур-ния м. б. записаны как для непрерывных, так и для прерывных систем. В них всегда фигурируют величины двух типов, одни из к-рых трактуются как потоки, другие-как силы. Потоки характеризуют скорость переноса физ. величины (энергии, массы, энтропии и т.д.) через воображаемую единичную площадку или скорость хим. р-ции. Термодинамич. силы-это причины, порождающие потоки. Для процессов переноса в непрерывных системах силы имеют характер градиентов (т-ры, концентрации и т.п.), в прерывных - конечных разностей этих величин.

Неравновесные процессы принято подразделять на скалярные, векторные и тензорные, если потоки и силы являются соотв. скалярами, векторами или тензорами. В зависимости от этого для описания процессов нужно использовать скалярное, векторное поле или поле тензора 2-го ранга. К группе скалярных процессов относят, в частности, хим. р-ции (скорость р-ции в каждой точке внутри системы характеризуется скалярной величиной). К векторным процессам относят, напр., теплопроводность и диффузию (с ними связаны поля векторов потоков тепла и в-ва). Примером тензорного процесса служит вязкое течение. Классификация процессов по тензорным св-вам не является формальной, но связана с содержанием принципа Кюри (см. ниже). Ур-ния балансов массы, импульса, полной энергии имеют смысл законов сохранения. Баланс внутр. энергии суть первое начало термодинамики. Его можно представить в виде ур-ния:

где и, u, q-уд. локальные (относящиеся к нек-рому выделенному элементу объема) внутр. энергия, объем и кол-во тепла соотв.; p -давление; Jk- диффузионный поток k-го компонента в поле внеш. силы Fk, действующей на единицу массы k-го компонента (точка означает скалярное произведение); V-вектор скорости центра масс системы в поле внутр. напряжений; П-тензор вязких напряжений (вязкий тензор давления); (двоеточие означает двукратную свертку). Для невязких систем в поле сил тяготения последние два слагаемых обращаются в нуль, и приведенная формулировка первого начала аналогична формулировкам, принятым в равновесной термодинамике.

Явление переноса в термодинамически неравновесных системах

В термодинамических неравновесных системах возникают особые необратимые процессы, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы и импульса.

Если газ находится в состоянии равновесия, макроскопические параметры в различных частях системы одинаковы. Однако если в произвольной части системы один из параметров изменился, т. е. система стала неравновесной, возникнут процессы, стремящиеся вернуть систему в равновесное состояние, и эти процессы называют явлением переноса.

В зависимости от того, какой параметр изменяется, различают:

      теплопроводность — перенос энергии;

      диффузия — перенос массы;

      вязкость (или внутреннее трение) — перенос импульса.

Теплопроводность

Если в одной области газа средняя кинетическая энергия молекул больше, чем в другой, то с течением времени вследствие постоянных столкновений молекул происходит процесс выравнивания средних кинетических энергий молекул, т. е. выравнивание температур.

Законы диффузии

Нам следует изучить перенос газов через барьер между альвеолярным воздухом и кровью. Этот перенос происходит за счет диффузии. Всего лишь 40 лет назад некоторые физиологи считали, что в легких происходит секреция кислорода в капилляры, т. е. его перемещение против градиента парциального давления. Такой процесс, требующий затрат энергии, протекает в плавательном пузыре рыбы. Однако в дальнейшем с помощью более точных методик было показано, что все газы в легких проходят через альвеолярную стенку исключительно путем пассивной диффузии.
Диффузия веществ через ткани описывается законом Фика, согласно которому скорость переноса газа через слой ткани прямо пропорциональна площади этого слоя и разнице парциального давления газа по обе его стороны и обратно пропорциональна толщине слоя. Площадь альвеолярно-капиллярного барьера в легких огромна (50—100 м
2), а толщина его менее 0,5 мкм, т. е. по своим размерам он прекрасно подходит для диффузии.

Закон внутреннего трения Ньютона

Предположение о линейной зависимости силы внутреннего трения (молекулярной вязкости) от производной скорости V по нормали к плоскости движения

Здесь τ — сила внутреннего трения, отнесенная к единице поверхности (напряжение трения); η—коэффициент вязкости, определяемый в случае газа его природой и температурой, а в случае капельной жидкости — также и давлением.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

44945. Александр Николаевич Самохвалов 24.39 KB
  Александр Николаевич Самохвалов 21 августа 1894 Бежецк Тверская губерния Российская империя 20 августа 1971 Ленинград СССР крупнейший советский художник живописец график прикладник монументалист Заслуженный деятель искусств Российской Федерации член Ленинградской организации Союза художников РСФСР. Самохвалов Александр Николаевич родился 8 21 августа 1894 года в городе Бежецк Тверской губернии. Его отец Николай Дмитриевич Самохвалов занимался мелкой торговлей умер в 1917 году. Мать Самохвалова Елена Фёдоровна в девичестве...
44946. Организация вычисляемого перехода 41.46 KB
  Вычисляемый переход осуществляется при помощи команды ddwf PCF которая формально описывается так: сложить содержимое регистров W и PC с сохранением результата сложения в регистре PC имеется ввиду младший байт счетчика команд с названием PCL. Для вычисляемого перехода адрес в PC на момент исполнения команды ddwf PCF является как бы начальной точкой отсчета т. число находящееся в регистре W на момент исполнения команды ddwf PCF которое и будет приращением счетчика команд PC.
44947. Динамическая индикация 59.87 KB
  Для краткости эти регистры обозначим под названиями LED с соответствующей нумерацией. Например если результат измерения подсчета нужно вывести на индикацию как 4 разрядное десятичное число то двоичный результат измерения âпрогоняетсяâ через двоично-десятичное преобразование о нем позднее в итоге которого результат измерения помещается в младшие полубайты 4х регистров LED от LED0 до LED3.0 MHz ; DtL equ 0Ch DtH equ 0Dh D_H equ 0Eh D_L equ 0Fh Step equ 1Bh Led0 equ 1Ch Led1...
44949. Работа с EEPROM памятью данных 61.93 KB
  Поставим перед собой достаточно простую и конкретную задачу (что-то типа задания на первоначальную разработку). Допустим, что в ходе исполнения программы нужно изменить (модифицировать) содержимое пяти ячеек EEPROM памяти, начиная с адреса 7. Для простоты модификации (и для обеспечения наглядности наблюдения за происходящими в EEPROM памяти изменениями) к первому числу (по адресу 7) необходимо добавить 1...
44950. Однокристальные микроконтроллеры серии PIC 231 KB
  Микроконтроллеры семейств PIC (Peripheral Interface Controller) компании Microchip, обладающие особой популярностью, построены на основе передовых технологий микроконтроллеров. Им свойственны следующие особенности: электрически программируемые пользователем ППЗУ, минимальное энергопотребление, высокая производительность, хорошо развитая RISC-архитектура
44952. Автоколебательный мультивибратор 33.87 KB
  Проанализируем нашу программу, реализующую функцию автоколебательного мультивибратора, с одним выходом. Форма сигнала меандр (скважность, т.е. отношение периода к длительности импульса – 2). Под этот выход можно назначить любой из выводов порта А или В...
44953. Устройство формирования сигнала тонального вызова 87.52 KB
  Полупериоды формируем используя закольцовку рабочей точки программы в подпрограммах задержки по аналогии с программой Multi. К моменту начала составления текста программы желательно определиться с как можно большим количеством исходных данных. Так как программа должна исполняться непрерывно то в случае нахождения устройства в режиме ожидания включения на передачу рабочая точка программы должна закольцеваться до последующего нажатия на кнопку в какой-нибудь подпрограмме. Часто такого рода закольцовки осуществляют в...