Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Термодинамической операция является навязанной извне манипуляция , которая влияет на термодинамическую систему. Изменение может происходить либо в связи, либо в стене между термодинамической системой и ее окружением, либо в значении некоторой переменной в окружающей среде, которая контактирует со стенкой системы, которая позволяет передавать экстенсивное количество, принадлежащее этой переменной. [1] [2] [3] [4] В термодинамике предполагается, что операция проводится без учета какой-либо соответствующей микроскопической информации.

Термодинамическая операция требует участия независимого внешнего фактора, который не связан с пассивными свойствами систем. Возможно, первое выражение различия между термодинамическими операциями и термодинамическими процессами содержится в формулировке Кельвина второго закона термодинамики.: «Невозможно с помощью неодушевленных материалов вызвать механический эффект от какой-либо части материи, охладив ее ниже температуры окружающих предметов». Последовательность событий, произошедшая не «посредством неодушевленного материального фактора», повлечет за собой действие одушевленного агентства или, по крайней мере, независимого внешнего агентства. Такое агентство могло бы наложить некоторые термодинамические операции. Например, эти операции могут создать тепловой насос, который, конечно, будет соответствовать второму закону. А демон Максвелла проводит крайне идеализированный и , естественно , несбыточный вид термодинамической работы. [5]

Другой часто используемый термин, обозначающий термодинамическую операцию, - это «изменение ограничения», например, относящийся к удалению стены между двумя изолированными друг от друга отсеками.

Эдвард А. Гуггенхайм использовал обычное языковое выражение для термодинамической операции : «вмешательство» в тела. [6]

Различие между термодинамическими операциями и термодинамическими процессами [ править ]

Типичная термодинамическая операция - это внешнее изменение положения поршня, чтобы изменить объем интересующей системы. Другая термодинамическая операция - это удаление изначально разделяющей стенки, манипуляция, которая объединяет две системы в одну неразделенную систему. Типичный термодинамический процесс состоит из перераспределения, при котором сохраняющаяся величина распространяется между системой и ее окружением через ранее непроницаемую, но недавно полупроницаемую стену между ними. [7]

В более общем смысле процесс можно рассматривать как передачу некоторой величины, которая определяется изменением обширной переменной состояния системы, соответствующей сохраняемой величине, так что можно записать уравнение баланса переноса. [8] Согласно Уффинку, «... термодинамические процессы происходят только после внешнего вмешательства в систему (например, удаления перегородки, установления теплового контакта с термостатом, толкания поршня и т. Д.). соответствуют автономному поведению свободной системы ». [9]Например, для интересующей замкнутой системы изменение внутренней энергии (обширная переменная состояния системы) может быть вызвано передачей энергии в виде тепла. В термодинамике тепло не является обширной переменной состояния системы. Количество переданного тепла, однако, определяется величиной адиабатической работы, которая вызывает такое же изменение внутренней энергии, как и передача тепла; энергия, передаваемая в виде тепла, является сохраняемой величиной.

С исторической точки зрения различие между термодинамической операцией и термодинамическим процессом в этих терминах не встречается в отчетах XIX века. Например, Кельвин говорил о «термодинамической операции», имея в виду то, что в современной терминологии называется термодинамической операцией, за которой следует термодинамический процесс. [10] Опять же, Планк обычно говорил о «процессе», когда в нашей современной терминологии говорится о термодинамической операции, за которой следует термодинамический процесс. [11] [12]

«Естественные процессы» Планка в сравнении с действиями демона Максвелла [ править ]

Планк считал, что все «естественные процессы» (означающие, в современной терминологии, термодинамическая операция, за которой следует термодинамический процесс) необратимы и протекают в смысле увеличения суммы энтропии. [13] В этих терминах, это было бы термодинамическими операциями, что, если бы он мог существовать, демон Максвелла вел бы неестественные дела, которые включают переходы в смысле от термодинамического равновесия. Они физически теоретически мыслимы до определенной степени, но не являются естественными процессами в смысле Планка. Причина в том, что обычные термодинамические операции проводятся при полном игнорировании тех самых видов микроскопической информации, которая необходима для усилий демона Максвелла.

Примеры термодинамических операций [ править ]

Термодинамический цикл [ править ]

Термодинамический цикл строится как последовательность стадий или этапов. Каждая стадия состоит из термодинамической операции, за которой следует термодинамический процесс. Например, начальная термодинамическая операция цикла тепловой машины Карноможно рассматривать как установку рабочего тела при известной высокой температуре в контакт с тепловым резервуаром той же температуры (горячим резервуаром) через стенку, проницаемую только для тепла, при этом он остается в механическом контакте с изделием резервуар. За этой термодинамической операцией следует термодинамический процесс, при котором расширение рабочего тела настолько медленное, что становится практически обратимым, в то время как внутренняя энергия передается в виде тепла от горячего резервуара к рабочему телу и в виде работы от рабочего тела к рабочему телу. рабочий резервуар. Теоретически процесс в конце концов завершается, и на этом стадия заканчивается. Затем двигатель подвергается другой термодинамической операции, и цикл переходит в другую стадию.Цикл завершается, когда термодинамические переменные (термодинамическое состояние) рабочего тела возвращаются к своим исходным значениям.

Виртуальные термодинамические операции [ править ]

Холодильное устройство проходит рабочее вещество через последовательные стадии, в целом , составляющие цикл. Это может быть вызвано не перемещением или изменением разделительных стенок вокруг неподвижного тела рабочего вещества, а скорее перемещением тела рабочего вещества, чтобы вызвать воздействие циклической последовательности неподвижных неизменных стенок. Эффект фактически представляет собой цикл термодинамических операций. Кинетическая энергия объемного движения рабочего тела не является существенной характеристикой устройства, и рабочее тело практически можно рассматривать как почти покоящееся.

Состав систем [ править ]

Для многих цепочек рассуждений в термодинамике удобно думать о сочетании двух систем в одну. Предполагается, что две системы, отделенные от своего окружения, сопоставляются и (в результате изменения точки зрения) рассматриваются как составляющие новую составную систему. Композитная система представлена ​​в новом общем окружении. Это устанавливает возможность взаимодействия между двумя подсистемами и между композитной системой и ее общим окружением, например, позволяя контактировать через стену с определенным типом проницаемости. Этот концептуальный прием был введен в термодинамику в основном в работах Каратеодори и с тех пор широко используется. [2] [3] [14] [15] [16] [17]

Аддитивность обширных переменных [ править ]

Если термодинамическая операция представляет собой полное удаление стенок, то обширные переменные состояния составной системы являются соответствующими суммами переменных состояния компонентных систем. Это называется аддитивностью обширных переменных.

Масштабирование системы [ править ]

Термодинамическая система, состоящая из одной фазы, в отсутствие внешних сил, в собственном состоянии внутреннего термодинамического равновесия, является однородной. [18] Это означает, что материал в любой области системы может быть заменен материалом любой конгруэнтной и параллельной области системы, и в результате система остается термодинамически неизменной. Термодинамическая операция масштабирования - это создание новой однородной системы, размер которой кратен старому размеру, а интенсивные переменные имеют те же значения. Традиционно размер определяется массой системы, но иногда он определяется энтропией или объемом. [19] [20] [21] [22]Для заданной такой системы Ф , масштабированного реальное число Х , чтобы получить новый Л Ф , в функции состояния , X (.) , Таким образом, что Х ( А , Ф) = А , Х (Ф) , называется обширна . Такая функция, как X , называется однородной функцией.степени 1. Здесь упоминаются две разные концепции, имеющие одно и то же название: (а) математическая концепция однородности степени 1 в функции масштабирования; и (б) физическая концепция пространственной однородности системы. Бывает, что оба согласны здесь, но не потому, что они тавтологичны. Это случайный факт термодинамики.

Splitting and recomposition of systems[edit]

If two systems, Sa and Sb , have identical intensive variables, a thermodynamic operation of wall removal can compose them into a single system, S, with the same intensive variables. If, for example, their internal energies are in the ratio λ:(1−λ), then the composed system, S, has internal energy in the ratio of 1:λ to that of the system Sa. By the inverse thermodynamic operation, the system Sможно очевидным образом разделить на две подсистемы. Как обычно, эти термодинамические операции проводятся при полном игнорировании микроскопических состояний систем. Более конкретно, для макроскопической термодинамики характерно то, что вероятность равна нулю, что операция расщепления происходит в тот момент, когда система S находится в виде экстремального переходного микроскопического состояния, предусмотренного аргументом рекуррентности Пуанкаре . Такое разделение и перекомпоновка согласуется с описанной выше аддитивностью обширных переменных.

Положения законов [ править ]

Thermodynamic operations appear in the statements of the laws of thermodynamics. For the zeroth law, one considers operations of thermally connecting and disconnecting systems. For the second law, some statements contemplate an operation of connecting two initially unconnected systems. For the third law, one statement is that no finite sequence of thermodynamic operations can bring a system to absolute zero temperature.

References[edit]

  1. ^ Tisza, L. (1966), pp. 41, 109, 121, originally published as 'The thermodynamics of phase equilibrium', Annals of Physics, 13: 1–92.
  2. ^ a b Giles, R. (1964), p. 22.
  3. ^ a b Lieb, E.H., Yngvason, J. (1999).
  4. ^ Callen, H.B.(1960/1985), p. 15.
  5. ^ Bailyn, M. (1994), pp. 88, 100.
  6. ^ Guggenheim, E.A. (1949).
  7. ^ Tisza, L. (1966), p. 47.
  8. ^ Gyarmati, I. (1970), p. 18.
  9. ^ Uffink, J. (2001).
  10. ^ Kelvin, Lord (1857).
  11. ^ Planck, M. (1887).
  12. ^ Planck, M. (1897/1903), p. 104.
  13. ^ Guggenheim, A.E. (1949/1967), p. 12.
  14. ^ Tisza, L. (1966), pp. 41, 50, 121.
  15. ^ Carathéodory, C. (1909).
  16. ^ Planck, M. (1935).
  17. ^ Callen, H.B. (1960/1985), p. 18.
  18. ^ Planck, M. (1897/1903), p. 3.
  19. ^ Landsberg, P.T. (1961), pp. 129–130.
  20. ^ Tisza, L., (1966), p. 45.
  21. ^ Haase, R. (1971), p. 3.
  22. ^ Callen, H.B. (1960/1985), pp. 28–29.

Bibliography for citations[edit]

  • Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics, American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3.
  • Callen, H.B. (1960/1985). Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, (1st edition 1960) 2nd edition 1985, Wiley, New York, ISBN 0-471-86256-8.
  • Carathéorory, C. (1909). "Untersuchungen über die Grundlagen der Thermodynamik". Mathematische Annalen. 67 (3): 355–386. doi:10.1007/BF01450409. A translation may be found here. Also a mostly reliable translation is to be found at Kestin, J. (1976). The Second Law of Thermodynamics, Dowden, Hutchinson & Ross, Stroudsburg PA..
  • Giles, R. (1964). Mathematical Foundations of Thermodynamics, Macmillan, New York.
  • Guggenheim, E.A. (1949/1967). Thermodynamics. An Advanced Treatment for Chemists and Physicists, fifth revised edition, North-Holland, Amsterdam.
  • Guggenheim, E.A. (1949). 'Statistical basis of thermodynamics', Research, 2: 450–454.
  • Gyarmati, I. (1967/1970). Non-equilibrium Thermodynamics. Field Theory and Variational Principles, translated from the 1967 Hungarian by E. Gyarmati and W.F. Heinz, Springer-Verlag, New York.
  • Haase, R. (1971). Survey of Fundamental Laws, chapter 1 of Thermodynamics, pages 1–97 of volume 1, ed. W. Jost, of Physical Chemistry. An Advanced Treatise, ed. H. Eyring, D. Henderson, W. Jost, Academic Press, New York, lcn 73–117081.
  • Kelvin, Lord (1857). On the alteration of temperature accompanying changes of pressure in fluids, Proc. Roy. Soc., June.
  • Landsberg, P.T. (1961). Thermodynamics with Quantum Statistical Illustrations, Interscience, New York.
  • Lieb, E.H., Yngvason, J. (1999). The physics and mathematics of the second law of thermodynamics, Physics Reports, 314: 1–96, p. 14.
  • Planck, M. (1887). 'Ueber das Princip der Vermehrung der Entropie', Annalen der Physik und Chemie, new series 30: 562–582.
  • Planck, M., (1897/1903). Treatise on Thermodynamics, translated by A. Ogg, Longmans, Green, & Co., London.
  • Planck, M. (1935). Bemerkungen über Quantitätsparameter, Intenstitätsparameter und stabiles Gleichgewicht, Physica, 2: 1029–1032.
  • Tisza, L. (1966). Generalized Thermodynamics, M.I.T Press, Cambridge MA.
  • Uffink, J. (2001). Bluff your way in the second law of thermodynamics, Stud. Hist. Phil. Mod. Phys., 32(3): 305–394, publisher Elsevier Science.