Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
внешние, либо как внутренние. Например, давление газа в сосуде может рассматриваться как внутренний параметр, если фиксировать объем газа. Объем в этом случае
является внешним параметром. Если же газ
находится в сосуде, закрытом поршнем, к
которому приложена постоянная сила (рис. 44), то внешним параметром будет давление, так как его
значение задается внешними условиями. Объем газа здесь можно
рассматривать как внутренний параметр.
Состояние термодинамической системы. В механике состояние системы в некоторый момент времени определяется заданием значений координат и импульсов всех входящих в нее частиц. Понимаемое в таком смысле состояние мы будем называть микроскопическим состоянием системы или микросостоянием. Наряду с ним можно рассматривать макроскопическое состояние или макросостояние, характеризуемое заданием только макроскопических параметров. Одному и тому же макросостоянию системы может соответствовать множество ее различных микросостояний. В термодинамике рассматриваются только макроскопические состояния, которые в дальнейшем для краткости будем называть просто состояниями.
Термодинамический процесс. Всякое изменение в термодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного из ее макроскопических параметров, называется термодинамическим процессом. Другими словами, термодинамический процесс в системе есть изменение ее состояния.
Рис. 44. В сосуде, закрытом поршнем, давление газа задается внешними условиями
§ 14. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ
117
Стационарные и равновесные состояния. Состояние называется стационарным, если все макроскопические параметры системы не меняются со временем. Стационарное состояние может поддерживаться внешними по отношению к системе процессами. Например, неизменный во времени перепад температур между концами стержня можно создать, нагревая все время один его конец и охлаждая другой.
Если стационарность состояния не обусловлена внешними процессами, то состояние называется равновесным или состоянием термодинамического равновесия. Когда макроскопическая система находится в состоянии термодинамического равновесия, то все макроскопические части, на которые можно мысленно или реально разбить эту систему, также находятся в равновесии как сами по себе, так и друг с другом.
Время релаксации и локальное равновесие. Из любого неравновесного состояния замкнутая, или изолированная, система, т. е. система, никак не взаимодействующая с окружением, приходит в состояние термодинамического равновесия за некоторое время, называемое временем релаксации. Некоторые из макроскопических параметров имеют определенные для всей системы значения только в состоянии равновесия.
В некоторых случаях всю систему можно мысленно разделить на слабо взаимодействующие между собой макроскопические части, равновесие в которых устанавливается значительно быстрее, чем во всей системе. При этом можно говорить о локальном равновесии, когда макроскопические параметры имеют определенные значения для каждой из таких частей, но эти значения могут быть разными для различных частей системы. Характерные времена установления локального равновесия могут существенно (на несколько порядков) различаться для разных макроскопических параметров.
В неравновесных системах существуют потоки, связанные с переносом массы, заряда, энергии и т. п. из одного места в другое. Когда в системе существует локальное равновесие, эти потоки обычно пропорциональны градиентам (т. е. быстроте изменения в пространстве) определенных макроскопических параметров. Например, поток вещества пропорционален градиенту давления, поток электрического заряда — электрический ток — пропорционален градиенту потенциала, т. е. напряженности электрического поля, и т. д.
Закон сохранения и превращения энергии в термодинамике.
Как уже отмечалось, термодинамика занимается поисками соотношений между различными свойствами вещества, не углубляясь в детали его внутреннего строения. Она основана на изучении энергетических превращений и опирается на закон сохранения энергии.
118
IV. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
Закон сохранения энергии является всеобъемлющим законом природы. Мы не знаем ни одного исключения из него. Более того, если обнаруживается, что в каком-либо физическом явлении энергия не сохраняется, то это означает, что здесь просто оказалась не учтенной какая-то из ее форм. Именно многообразие различных видов энергии и особенности превращений энергии из одних видов в другие и обусловливают эффективность термодинамического подхода к изучению природы. Обилие существующих форм энергии, способных к взаимным превращениям, выделяет закон сохранения энергии из других фундаментальных законов, таких как законы сохранения импульса и момента импульса.
Существование механической, электромагнитной, ядерной и других форм энергии означает, что этой физической величине нельзя дать общего определения, применимого сразу ко всем ее видам. В то же время отсюда следует, что общий закон сохранения энергии нельзя вывести из других физических законов, хотя для каждого из видов энергии ее сохранение вытекает из соответствующих динамических законов для тех явлений, в которых не происходят превращения энергии в другие виды.
