Феноменологическая термодинамика необратимых процессов (физические основы) - Гуров К.П.
Скачать (прямая ссылка):
книгах {6, 10].
S
Книга адресована широкому кругу читателей, и для ее чтения необходимо
только знание равновесной термодинамики.
Основой для написания книги послужили лекции, прочитанные мною в
Уральском Политехническом институте (г. Свердловск), по любезному
приглашению члена-корреспондента АН СССР П. В. Гельда. Павел Владимирович
Гельд наметил и круг вопросов, представляющий интерес для широкой
аудитории. Я весьма признателен Павлу Владимировичу, по инициативе
которого по существу и написана эта книга.
В рукописи эту книгу прочел профессор Ю. Л. Кли-монтович. Его
доброжелательная, но "придирчивая" критика помогла мне исправить многие
упущения. В частности, по его настоянию в книгу добавлены отступления в
область микроскопической интерпретации ряда физических принципов
феноменологической теории. Я глубоко благодарен Юрию Львовичу за внимание
и помощь.
Я благодарен также академику АН УССР Адриану Анатольевичу Смирнову,
одобрившему замысел книги, за полезные дискуссии.
К. П. Гуров
§ 1. ВВЕДЕНИЕ
Существует особый класс явлений - так называемые процессы переноса.
Простейшие примеры - перераспределение вещества, тепловой энергии,
импульса. Эти перераспределения могут быть связаны как с чисто
механическим (гидродинамическим) движением вещества, так и с тепловым
движением атомов или молекул, составляющих вещество. Процессы переноса в
чистом виде связаны именно с последним классом движения. Соответствующие
процессы переноса называются диффузией, теплопроводностью, внутренние
трением (вязкостью). Опыт показывает, что чистые процессы переноса
необратимы (например, передача тепла от горячего холодному телу, но не
наоборот). Их необратимость существенным образом связана со спецификой
теплового движения (тепловых явлений).
В теории при изучении физических явлений возможны два подхода -
молекулярно-кинетический (микроскопический) и феноменологический
(макроскопический). Эти два подхода дополняют друг друга.
Феноменологические теории описывают явление в наиболее общем виде
(устанавливая основные закономерности. явления), без использования
модельных представлений о строении вещества и молекулярнокинетическом
механизме явления. В этом - главное достоинство феноменологических
теорий.
Одной из важнейших феноменологических теорий является термодинамика,
описывающая закономерности тепловых явлений.
Общие законы равновесной термодинамики хорошо известны.
Если замкнутая система предоставлена самой себе, то через какое-то
конечное время в системе устанав-
7
л'ивается термодинамическое равновесие й вся система подчиняется вполне
определенному соотношению, связывающему основные термодинамические
характеристики системы (давление, объем, температура и др.),- уравнению
состояния.
Следует, однако, подчеркнуть, что разным системам соответствуют разные
уравнения состояния и в термодинамике они считаются известными, а не
выводятся. Получить их можно только в рамках молекулярно-кинетических
теорий.
Наличие среди термодинамических характеристик конечного объема указывает,
во-первых, что система - макроскопическая, т. е. с точки зрения
молекулярнокинетических представлений состоит из очень большого числа
частиц, составляющих систему, и, во-вторых, в принципе в число
характеристик должны включаться характеристики поверхности,
ограничивающей рассматриваемый объем. Правда, если объем системы
достаточно велик, то вкладом от поверхностных эффектов в
термодинамические свойства системы можно пренебречь. Однако этот вопрос
требует специального рассмотрения в каждом конкретном случае.
Важно подчеркнуть, что наличие реальной физической поверхности конечного
объема системы означает, что понятие "изолированности" системы есть
идеализация, но она допустима в определенных случаях. Чтобы "отделаться"
от поверхности, можно прибегать к чисто математическому приему
предельного перехода по Боголюбову [11, 12]: если V - объем системы, а N
- число частиц, составляющих систему, то совершают предельный переход N-
^oo, У-*-оо, но так, что величина N/V=l/v остается такой же, как и в
реальной системе, т. е. v - конечная величина. Тогда все объемные
свойства "предельной" системы совпадают со свойствами реальной системы, а
в качестве термодинамической характеристики вместо объема системы можно
рассматривать величину v - средний объем, приходящийся на одну частицу (р
= 1/и - средняя плотность числа частиц).
При использовании такой предельной процедуры следует помнить, что она
пригодна для конечных объемов и не дает бесспорных результатов для
системы бесконечного объема (для космогонии),
8
Можно также взамен использовать другую идеализацию-понятие адиабатической
оболочки (поверхности), которая полностью исключает обмен тепловой
энергией и веществом между рассматриваемым телом и окружающей средой.
Итак, равновесная термодинамика оперирует макроскопическими понятиями и
относится к разделу макроскопической физики. Это же верно и для
феноменологической термодинамики неравновесных процессов. Однако
