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

109 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

73798. Психокоррекционная и развивающая работа, как одно из направлений деятельности практического психолога 18.96 KB
  Термин коррекция психического развития как обозначение определенной формы психологической деятельности впервые возник в дефектологии применительно к вариантам аномального развития. В психологии психокоррекция стала трактоваться как совокупность мер психологического воздействия направленных на доформирование отсутствующих психических...
73799. Программирование разветвлений 524 KB
  Блок-схема алгоритма Условные операторы Для программирования разветвляющейся структуры на Фортране предусмотрено несколько видов условных операторов: условный логический оператор условный блочный оператор условный структурный оператор. В записи алгоритма эти операторы заменяют шаг ЕСЛИ в блокс-хемах. В этих операторах условие записывается в виде логического выражения которое может принимать лишь два значения...
73800. Философия Нового Времени 94.5 KB
  Развитие принципов научного познания в европейской философии XVII века Философия нового времени. Гоббс: единство эмпирических и рациональных методов познания. Развитие принципов научного познания в европейской философии XVII века Философия нового времени Общественный прогресс определяемый глубокими экономическими причинами все в большей степени выявляет необходимость развития научного познания и науки в целом. Именно в это время создаются первые системы научного познания всесторонне обсуждаются возможности человеческого разума...
73801. Реконструкция, модернизация и капитальный ремонт общественных и жилых зданий 45.5 KB
  Характеристика существующего фонда общественных и жилых зданий. Фонд общественных и гражданских зданий составляют в основном здания постройки второй половины Х1Х века и нашего столетия. Кроме того в тот период для выполнения строительно-монтажных работ имелся достаточный парк строительных машин и механизмов способных обеспечить строительство зданий такой высоты.
73803. Немецкая классическая философия XIX века 67.5 KB
  Общая характеристика Становление немецкой классической философии проходило на фоне радикальных социально-экономических преобразований в некоторых европейских странах высшей точкой которых стала Французская буржуазная революция 1789-1794 гг. Критическая философия Иммануила Канта Иммануил Кант 1724-1804 основатель немецкой классической философии...
73804. Примеры программ с циклическим алгоритмом 458.5 KB
  Вычисление суммы конечного числа слагаемых алгоритм накопления суммы Рассмотрим сумму конечного числа слагаемых: 1 Здесь n слагаемое или общий член суммы с номером n. В математике принята следующая сокращенная запись такой суммы: Здесь n слагаемое или общий член суммы с номером индексом суммирования n. Вычислять данную сумму будем последовательно добавляя очередное слагаемое к ранее вычисленному значению суммы. Алгоритм накопления суммы:...
73805. Основные направления западной философии конца XIX-XX веков 123 KB
  Основные направления западной философии конца XIX-XX веков. Основными тенденциями в развитии современной философии выступают сциентизм и антропологизм. Первая проявляется в позитивизме философии науки структурализме и других. Необходимо также отметить что тенденции к ограничению теоретического разума отчетливо проявлялись в недрах самой классической философии.
73806. Русская философия 104.5 KB
  Исследователи неоднократно отмечали что самое оригинальное и значительное было создано русскими мыслителями в области философии истории историософия и социальной философии. Высокая духовность обоснование нравственности как необходимого условия человеческого бытия важнейшая черта русской философии неизменный вектор многовековой социокультурной традиции. Кажется что грани этой вечной проблемы во многом определяют напряженное поле отечественной культуры и философии стремящихся определить свое собственное место в лоне мировой цивилизации....