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

45506. Общая характеристика процесса проектирования АСОИУ. Цели и этапы разработки консалтинговых проектов 41 KB
  Проект проектноконструкторская и технологическая документация в которой представлено описание проектных решений по созданию и эксплуатации системы в конкретной программнотехнической среде. Проектирование системы процесс преобразования входной информации об объекте проектирования о методах проектирования и об опыте проектирования объектов аналогичного назначения в соответствии с ГОСТом в проект АСОИУ. Проектирование АСОИУ сводится к последовательной формализации проектных решений на различных стадиях жизненного цикла системы....
45507. Структурный подход к проектированию ИС. Функциональная модель АСОИУ 72.5 KB
  Сущность структурного подхода к разработке ИС заключается в ее декомпозиции на автоматизированные функции. Основные элементы этой методологии основываются на следующих концепциях: графическое представление блочного моделирования функции изображаются в виде блока интерфейсы дуг входящих и выходящих взаимодействие блоков с помощью интерфейсных дуг. Блок детализируется на другой диаграмме с помощью нескольких блоков эти блоки представляют подфункции исходной функции. Обратные связи итерации продолжающие процессы и перекрывающая во...
45508. Разработка модели защиты данных в АСОИУ 29.5 KB
  Разработка модели защиты данных в АСОИУ Большое внимание в настоящее время уделяется вопросам формирования принципов построения механизмов защиты информации ЗИ и системы требований к ним. На основе имеющегося опыта можно сформулировать следующие фундаментальные принципы организации защиты информации: системность; специализированность; неформальность. Основные требования принципа системности сводятся к тому что для обеспечения надежной защиты информации в современных АСОИУ должна быть обеспечена надежная и согласованная защита во всех...
45509. Разработка пользовательского интерфейса 44 KB
  Интерфейс пользователя эта та часть программы которая находится у всех на виду. Процесс разработки ПИ разбивается на этапы ЖЦ: Анализ трудовой деятельности пользователя объединение бизнесфункций в роли. Формулировка требований к работе пользователя и выбор показателей оценки пользовательского интерфейса. Разработка обобщенного сценария взаимодействия пользователя с программным модулем функциональной модели и его предварительная оценка пользователями и Заказчиком.
45510. Разработка программы для исследования веб-камер для стрелкового тренажера 3.1 MB
  В процессе работы была разработана программа для исследования веб-камер и микрофонов в качестве регистратора точки прицеливания и спускового крючка для стрелкового тренажера на общедоступных компонентах.
45511. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЕКТОМ АСОИУ 35.5 KB
  Таким образом система управления проектами является одним из важнейших компонентов всей системы управления организацией. Основные преимущества использования системы управления проектами включают: централизованное хранение информации по графику работ ресурсам и стоимости; возможности быстрого анализа влияния изменений в графике ресурсном обеспечении и финансировании на план проекта; возможность распределенной поддержки и обновления данных в сетевом режиме; возможности автоматизированной генерации отчетов и графических диаграмм...
45512. Проектная документация АСОИУ 54.5 KB
  Пояснительные записки к эскизному техническому проектам содержат разделы: общие положения; описание процесса деятельности; основные технические решения; мероприятия по подготовке объекта автоматизации к вводу системы в действие. Описание автоматизируемых функций содержит разделы: исходные данные; цели АС и автоматизированные функции; характеристика функциональной структуры; типовые решения при наличии. Описание постановки задачи комплекса задач содержит разделы: характеристики комплекса задач; выходная информация; входная информация....
45513. Восстановление данных в БД 46 KB
  Обычно используется копия дедотецсын.1 В 4 контрольной точке затирается дед отец становится дедом сын отцом и появляется новый сын. сын RIDмассивы ж сбой К.4 журнал журнал сын отец Отец дед дед К.
45514. Индексация. Достоинства и недостатки. Примеры 45 KB
  Индекс это таблица состоящая из двух полей первое поле это ключ второе поле это ссылка на запись в БД с этим ключом индексации. Индекс позволяет выполнить две работы: Выполнить сортировку файла не перемещая физически его записи; Ускорить поиск информации. Файл а1: адреса А1 А2 А3 0 d 1 F 1 2 M 2 C 3 F 3 B 4 M 4 Z 3 M 5 I 2 F 6 J 2 M 7 k 5 M Организуем индексацию по полю А1 индекс будет плотный т. индексируются все значения ключа.