Эргодические проблемы классической механики - Арнольд В.И.
Скачать (прямая ссылка):
Система с двумя компонентами называется бинарной или двойной (смесь двух газов, жидкостей или твердых тел и др.), с тремя компонентами—тернарной или тройной и т. д.
§ 4. РАВНОВЕСНЫЕ И НЕРАВНОВЕСНЫЕ ПРОЦЕССЫ
До сих пор мы рассматривали свойства систем в термодинамически равновесном состоянии, когда пи один параметр системы со временем не изменяйся и внутри системы нет никаких макроскопических движений.
Если некоторые параметры системы изменяются со временем, го мы говорим, что в такой системе происходит процесс. Например, при изменении объема происходит процесс расширения системы; при изменении характеристик внешнего поля—процесс намагничивания или поляризации системы и т. д. Если система выведепа из состояния равновесия и предоставлена самой себе, то, согласно первому исходному положению термодинамики, через некоторое время она снова придет в равновесное состояние. Этот процесс перехода системы из неравновесного состояния в равновесное называется релаксацией, а промежуток времени, в течение которого система возвращается в состояние равновесия, назьтвается временем релаксации*}.
Процесс называется равновесным или квазистатическим, если все параметры системы изменяются физически бесконечно медленно, так что система все время находится в равновесных состояниях.
Указавие, что при квазистатических процессах все параметры (как шгген-сивные, гак и экстенсивные) изменяются физически бесконечно медленно, исключает нвеление ненужного для термодинамических исследований понятия о псевдоравновесных процессах (при которых некоторые интенсивные параметры искусственно изменяются на конечную величину). Кроме того, как видно из приведенного определения, квазистатические процессы не только физически бесконечно медлешсы, но и всегд.і начинаются с некоторою равновесного состояния Это исключает ненужное в термодинамике подчеркивание, что хотя всякий равновесный процесс является кваз и статическим, но не всякий кваз астатический процесс (как бесконечно ме пленный) равновесный (в качестве примера такого неравновесного, но бесконечно медленного процесса приводится обычно процесс
*' Для разных процессов время релаксации различно от Ю-10 с для установления равновесного давления в газе до нескольких лег при выравнивании концентрации в твердых сплавах. В термодинамике берегся наибольшее время релаксации, в течение которого уаанавливается равновесие ,тля всех параметров данной системы.
23 теплообмена межлу і елами и различными темпераї урами, сколь vi одно замедленный введением между ними іермического сопротивления) Замедленная теплоотдача между і ел а чи с разными температурами не является равновесным процессом и, следовательно, нестатичиа (хотя и бесконечно медленна), так как в начальный момент при установлении теплового контакіа между телами было нарушено равновесие. Нестатичен и бесконечно медленный процесс расширения газа в пустоту из-за отсутствия равновесия в начальный момент вследствие потока газа
Физически бесконечно медленным или равновесным изменением какого-либо параметра а называют такое его изменение со временем, когда скорость da/dt значительно меньше средней скорости изменения этого параметра при релаксации; так, если при релаксации параметр а изменился на Да, а время релаксации равно т, то при равновесных процессах
Jr^ T'
Если изменение какого-либо параметра а происходит за время I, меньшее или равное времени релаксации t (/ < т), так что
<її ^ T'
то такой процесс называется неравновесным или неапитическим. Сам процесс релаксации является, следовательно, неравновесным процессом.
Представление о равновесном процессе и все рассуждения, связанные с ним, оказываются возможными лишь на основе общего начала термодинамики о самоиеиарушаемости равновесного состояния. Действительно, направление равновесного процесса будет вполне определено характером внешних воздействий юлько в том случае, если исключены спонтанные изменения термодинамического состояния системы.
Изучение равновесных процессов важно потому, что, как оказывается (см. § 17, 18), при этих процессах ряд важных величин (рабога, коэффициент полезного действия машин и др.) имеет предельные, максимально возможные значения. Поэтому выводы, получаемые термодинамикой для равновесных процессов, играют в ней роль своего рода предельных іеорем.
§ 5. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ СИСТЕМЫ. РАБОТА И ТЕПЛОТА
Всякая термодинамическая система состоит из огромного числа частиц. Энергия этих непрерывно движущихся и взаимодействующих частиц называется энергией системы.
Полная энергия системы разделяется на внешнюю и внутреннюю, Часть энергии, состоящая из энергии движения системы как целого и потенциальной энергии системы в поле внешних
24 сил, называйся внешней энергией. Остальная часть энергии системы называется внутренней энергией.
В термодинамике не рассматриваются движение системы как целого и изменение ее потенциальной энерт ии при гаком движении, поэтому энергией системы является ее внутренняя энергия*'. В статистической физике внутренняя энергия системы состоит из энергии разных видов движения и взаимодействия входящих в систему частиц: энергия поступательного и вращательного движений молекул и колебательною движения атомов, энергия молекулярного взаимодействия, внутриатомная энергия заполненных электронных уровней, внутриядерная энергия и др.
