Термодинамическая система

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Термодинамическая система»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( декабрь 2010 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Термодинамическая система является органом материи и / или радиации , ограничен в пространстве стен, с определенными проницаемостями, которые отделяют его от окружающей среды. Окружающая среда может включать другие термодинамические системы или физические системы, не являющиеся термодинамическими системами. Стенка термодинамической системы может быть чисто условной, когда она описывается как «проницаемая» для всей материи, всего излучения и всех сил.

Широко используется различие между изолированными , закрытыми и открытыми термодинамическими системами. Изолированная термодинамическая система имеет стенки , которые являются непроводящим теплом и отлично отражают все излучения, которые являются жесткими и неподвижны, и которые являются непроницаемыми для всех форм материи и всех сил. (Некоторые авторы используют слово «закрытый», когда здесь употребляется слово «изолированный».)

Замкнутая термодинамическая система ограничена стенками, которые непроницаемы для значения, но, с помощью термодинамических операций, альтернативно , может быть проницаемым (описано как «диатермическими») или непроницаемыми ( «адиабатический») для нагрева, и что для термодинамических процессов (инициировано и прекращается термодинамическими операциями), альтернативно может быть разрешено или не разрешено движение, с изменением объема системы или перемешиванием с внутренним трением в содержимом системы, как в оригинальной демонстрации Джоуля механического эквивалента тепла, и альтернативно может быть сделано грубым или гладким , чтобы разрешить или запретить нагрев системы за счет трения о ее поверхность.

Открытая термодинамическая система имеет по меньшей мере одну стенку , которая отделяет его от другого термодинамической системы, которая для этой цели подсчитывались как часть окружения открытой системы, стенка является проницаемым , по меньшей мере , одного химического вещества, а также к радиации; такая стенка, когда открытая система находится в термодинамическом равновесии, не выдерживает разницы температур внутри себя.

Кроме того, состояние термодинамической системы описывается переменными термодинамического состояния , которые могут быть интенсивными, такими как температура или давление , или экстенсивными, такими как энтропия или внутренняя энергия .

Термодинамическая система подвержена внешним воздействиям, называемым термодинамическими операциями ; они изменяют стены системы или ее окружение; в результате в системе происходят переходные термодинамические процессы в соответствии с принципами термодинамики . Такие операции и процессы влияют на изменение термодинамического состояния системы.

Когда переменные интенсивного состояния ее содержимого изменяются в пространстве, термодинамическую систему можно рассматривать как множество систем, смежных друг с другом, каждая из которых является отдельной термодинамической системой.

Термодинамическая система может включать несколько фаз, таких как лед, жидкая вода и водяной пар, во взаимном термодинамическом равновесии, взаимно не разделенных какой-либо стенкой. Или он может быть однородным. Такие системы можно считать «простыми».

«Составная» термодинамическая система может включать несколько простых термодинамических подсистем, разделенных между собой одной или несколькими стенками с определенной проницаемостью. Часто бывает удобно рассматривать такую ​​составную систему, первоначально изолированную в состоянии термодинамического равновесия, а затем подвергшуюся термодинамической операции увеличения проницаемости стенок некоторой межсистемной системы, чтобы инициировать переходный термодинамический процесс, с тем чтобы произвести окончательный новое состояние термодинамического равновесия. Эту идею использовал и, возможно, ввел Каратеодори. В составной системе, изначально изолированной в состоянии термодинамического равновесия, уменьшение проницаемости стенки не влияет ни на термодинамический процесс, ни на изменение термодинамического состояния. Это различие выражает второй закон термодинамики.. Это показывает, что увеличение энтропии приводит к увеличению рассеивания энергии за счет увеличения доступности микросостояний. ^[1]

В равновесной термодинамике состояние термодинамической системы - это состояние термодинамического равновесия , в отличие от неравновесного состояния.

В соответствии с проницаемостью стенок системы, между ней и окружающей средой происходит передача энергии и вещества, которые считаются неизменными во времени, пока не будет достигнуто состояние термодинамического равновесия. Единственные состояния, рассматриваемые в равновесной термодинамике, - это состояния равновесия. Классическая термодинамика включает (а) равновесную термодинамику; (б) системы, рассматриваемые в терминах циклических последовательностей процессов, а не состояний системы; они были исторически важны в концептуальном развитии предмета. Системы, рассматриваемые с точки зрения непрерывно продолжающихся процессов, описываемых устойчивыми потоками, важны в технике.

Само существование термодинамического равновесия, определяющего состояния термодинамических систем, является существенным, характерным и наиболее фундаментальным постулатом термодинамики, хотя он лишь изредка упоминается как пронумерованный закон. ^{[2] [3] [4]} Согласно Бейлину, обычно репетируемое утверждение нулевого закона термодинамики является следствием этого фундаментального постулата. ^[5] На самом деле практически ничто в природе не находится в строгом термодинамическом равновесии, но постулат термодинамического равновесия часто обеспечивает очень полезные идеализации или приближения, как теоретически, так и экспериментально; Эксперименты могут предоставить сценарии практического термодинамического равновесия.

В равновесной термодинамике переменные состояния не включают потоки, потому что в состоянии термодинамического равновесия все потоки по определению имеют нулевые значения. Равновесные термодинамические процессы могут включать потоки, но они должны прекратиться к моменту завершения термодинамического процесса или операции, приводящего систему к ее окончательному термодинамическому состоянию. Неравновесная термодинамика позволяет его переменные состояния , чтобы включать в себя ненулевые потоки, которые описывают передачу массы или энергии или энтропии между системой и ее окружением. ^[6]

В 1824 году Сади Карно описал термодинамическую систему как рабочее вещество (например, объем пара) любой изучаемой тепловой машины.

Обзор [ править ]

Термодинамика
Классический тепловой двигатель Карно
ветви Классический Статистический Химическая Квантовая термодинамика Равновесие  / Неравновесие
Законы Zeroth Первый Второй В третьих
Системы Закрытая система Изолированная система Состояние Уравнение состояния Идеальный газ Настоящий газ Состояние вопроса Равновесие Контрольный объем Инструменты Процессы Изобарический Изохорический Изотермический Адиабатический Изэнтропический Изентальпический Квазистатический Политропный Бесплатное расширение Обратимость Необратимость Необратимость Циклы Тепловые двигатели Тепловые насосы Тепловая эффективность
Свойства системы Примечание: Сопряженные переменные в курсивом Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства Функции процесса Работа Высокая температура Функции государства Температура  / энтропия  ( введение ) Давление  / Объем Химический потенциал  / число частиц Качество пара Сниженные свойства
Свойства материала Базы данных недвижимости Удельная теплоемкость  ${\ displaystyle c =}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \ partial S}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle \ partial T}$ Сжимаемость  ${\ displaystyle \ beta = -}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial p}$ Тепловое расширение  ${\ Displaystyle \ альфа =}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial T}$
Уравнения Теорема Карно Теорема Клаузиуса Фундаментальное отношение Закон идеального газа Максвелл отношения Взаимные отношения Онзагера Уравнения Бриджмена Таблица термодинамических уравнений
Потенциал Свободная энергия Свободная энтропия Внутренняя энергия ${\ Displaystyle U (S, V)}$ Энтальпия ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ Свободная энергия Гельмгольца ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ Свободная энергия Гиббса ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
История Культура История Общий Энтропия Газовые законы Машины "вечный двигатель" Философия Энтропия и время Энтропия и жизнь Броуновская трещотка Демон Максвелла Парадокс тепловой смерти Парадокс лошмидта Синергетика Теории Теория калорийности Теория тепла Vis viva («живая сила») Механический эквивалент тепла Сила мотивации Ключевые публикации " Экспериментальное исследование ... тепла " « О равновесии гетерогенных веществ » « Размышления о движущей силе огня » Сроки Термодинамика Тепловые двигатели Изобразительное искусство Образование Термодинамическая поверхность Максвелла Энтропия как рассеивание энергии
Ученые Бернулли Больцман Карно Клапейрон Клаузиус Каратеодори Duhem Гиббс фон Гельмгольц Джоуль Максвелл фон Майер Онсагер Ренкин Смитон Шталь Томпсон Томсон ван дер Ваальс Waterston
Книга Категория
v т е

Термодинамическое равновесие характеризуется отсутствием потока массы или энергии. Равновесная термодинамика, как предмет физики, рассматривает макроскопические тела материи и энергии в состояниях внутреннего термодинамического равновесия. Он использует концепцию термодинамических процессов., при котором тела переходят из одного состояния равновесия в другое путем передачи вещества и энергии между ними. Термин «термодинамическая система» используется для обозначения тел материи и энергии в специальном контексте термодинамики. Возможные состояния равновесия между телами определяются физическими свойствами стенок, разделяющих тела. Равновесная термодинамика вообще не измеряет время. Равновесная термодинамика - относительно простой и хорошо изученный предмет. Одна из причин этого - существование четко определенной физической величины, называемой энтропией тела.

Неравновесная термодинамика, как предмет физики, рассматривает тела материи и энергии, которые не находятся в состояниях внутреннего термодинамического равновесия, но обычно участвуют в процессах переноса, которые достаточно медленны, чтобы их можно было описать в терминах тесно связанных величин. к термодинамическим переменным состояния. Для него характерно наличие потоков вещества и энергии. Применительно к этой теме очень часто рассматриваемые тела имеют гладкие пространственные неоднородности, поэтому пространственные градиенты, например градиент температуры, достаточно хорошо определены. Таким образом, описание неравновесных термодинамических систем является теорией поля, более сложной, чем теория равновесной термодинамики. Неравновесная термодинамика - это растущая тема, а не устоявшаяся конструкция. В общем случае невозможно найти точно определенную энтропию для неравновесных задач. Для многих неравновесных термодинамических задач очень полезна приблизительно определенная величина, называемая «скорость производства энтропии». Неравновесная термодинамика по большей части выходит за рамки данной статьи.

Другой вид термодинамической системы рассматривается в технике. Он участвует в поточном процессе. Отчет ведется в терминах, которые достаточно хорошо на практике во многих случаях аппроксимируют равновесные термодинамические концепции. Это в основном выходит за рамки данной статьи и изложено в других статьях, например, в процессе потока статей .

История [ править ]

Первым, кто создал концепцию термодинамической системы, был французский физик Сади Карно, чьи « Размышления о движущей силе огня в 1824 году» изучали то, что он называл рабочим веществом , например, обычно массой водяного пара в паровых двигателях , в отношении способность системы выполнять работу при воздействии на нее тепла. Рабочее тело могло контактировать либо с тепловым резервуаром (котел), либо с холодным резервуаром (потоком холодной воды), либо с поршнем (на который рабочее тело могло выполнять работу, давя на него). В 1850 году немецкий физик Рудольф Клаузиусобобщил эту картину, включив в нее концепцию окружающей среды, и начал называть систему «рабочим телом». В своей рукописи 1850 года « О движущей силе огня» Клаузиус писал:

«При каждом изменении объема (рабочего тела) определенная работа должна выполняться газом или над ним, поскольку при расширении он преодолевает внешнее давление, и поскольку его сжатие может быть вызвано только действием внешнего давления. Этому избытку работы, выполняемой газом или над ним, должен соответствовать, по нашему принципу, пропорциональный избыток потребляемого или производимого тепла , и газ не может отдавать «окружающей среде» такое же количество тепла, как и он. получает. "

В статье Карно о тепловом двигателе показана оригинальная диаграмма поршня и цилиндра, которую Карно использовал при обсуждении своего идеального двигателя; ниже мы видим двигатель Карно, который обычно моделируется при текущем использовании:

На показанной диаграмме «рабочее тело» (система), термин, введенный Клаузиусом в 1850 году, может быть любым жидким или парообразным телом, через которое тепло Q может вводиться или передаваться для производства работы . В 1824 году Сади Карно в своей знаменитой статье « Размышления о движущей силе огня» предположил, что жидким телом может быть любое вещество, способное к расширению, такое как пар воды, пар спирта, пары ртути, постоянный газ, или воздух и т. д. Хотя в те ранние годы двигатели выпускались в нескольких конфигурациях, обычно Q _H поставлялся котлом, в котором вода кипела над печью; Q _C обычно представлял собой струю холодной текущей воды в видеконденсатор расположен на отдельной части двигателя. Выходная работа W представляла собой движение поршня, когда он вращал кривошип, который обычно поворачивал шкив для подъема воды из затопленных соляных шахт. Карно определил работу как «поднятие тяжестей на высоту».

Системы в равновесии [ править ]

При термодинамическом равновесии свойства системы по определению не изменяются во времени. Системы, находящиеся в равновесии, намного проще и легче понять, чем системы, не находящиеся в равновесии. В некоторых случаях при анализе термодинамического процесса можно предположить, что каждое промежуточное состояние в процессе находится в равновесии. Это значительно упрощает анализ.

В изолированных системах постоянно наблюдается, что с течением времени внутренние перестройки уменьшаются и приближаются к стабильным условиям. Давление и температура имеют тенденцию выравниваться, и вещество распределяется в одну или несколько относительно однородных фаз . Система, в которой практически завершились все процессы изменения, считается находящейся в состоянии термодинамического равновесия . Термодинамические свойства системы, находящейся в равновесии, не меняются во времени. Состояния равновесной системы намного легче описать детерминированным образом, чем состояния неравновесия.

Чтобы процесс был обратимым , каждый шаг в процессе должен быть обратимым. Чтобы шаг в процессе был обратимым, система должна находиться в равновесии на протяжении всего шага. Этот идеал не может быть реализован на практике, потому что ни один шаг не может быть сделан, не нарушив равновесие системы, но к идеалу можно приблизиться, медленно внося изменения.

Стены [ править ]

Виды разрешенных переводов

по типам стены

тип стены	тип перевода
	Иметь значение	Работа	Высокая температура
проницаемый для материи	Y	N	N
проницаемый для энергии, но непроницаемый для материи	N	Y	Y
адиабатический	N	Y	N
адинамический и непроницаемый для материи	N	N	Y
изоляция	N	N	N

Система окружена стенами, которые связывают ее с окружающей средой. ^{[7] [8] [9] [10] [11] [12]} Часто стена ограничивает проход через нее какой-либо формой материи или энергии, делая связь косвенной. Иногда стена представляет собой не более чем воображаемую двумерную замкнутую поверхность, через которую осуществляется прямая связь с окружающей средой.

Стенка может быть неподвижной (например, реактор постоянного объема) или подвижной (например, поршень). Например, в поршневом двигателе неподвижная стенка означает, что поршень заблокирован в своем положении; тогда может происходить процесс постоянного объема. В том же самом двигателе поршень может быть разблокирован, и он может входить и выходить. В идеале стена может быть объявлена адиабатической , диатермальной , непроницаемой, проницаемой или полупроницаемой . Реальные физические материалы, которые придают стенам такие идеализированные свойства, не всегда легко доступны.

Система ограничена стенами или границами, действительными или условными, через которые сохраняемые (например, материя и энергия) или несохраняемые (например, энтропия) количества могут входить и выходить из системы. Пространство вне термодинамической системы известно как окружение , резервуар или среда . Свойства стен определяют, какие переносы могут происходить. Стена, которая позволяет переносить какое-либо количество, называется проницаемой для нее, а термодинамическая система классифицируется по проницаемости нескольких ее стенок. Передача между системой и окружающей средой может происходить при контакте, например, теплопроводности, или под действием дальнодействующих сил, таких как электрическое поле в окружающей среде.

Система со стенами, препятствующими перемещению, называется изолированной . Это идеализированная концепция, потому что на практике всегда возможен некоторый перенос, например, за счет гравитационных сил. Аксиома термодинамики состоит в том, что изолированная система в конечном итоге достигает внутреннего термодинамического равновесия , когда ее состояние больше не меняется со временем.

Стенки замкнутой системы позволяют передавать энергию в виде тепла и работы, но не материи, между ней и окружающей средой. Стены открытой системы позволяют передавать как материю, так и энергию. ^{[13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]} Эта схема определения терминов не используется единообразно, хотя она удобна для некоторых целей. В частности, некоторые авторы используют «закрытую систему», в то время как здесь используется «изолированная система». ^{[20] [21]}

Все, что пересекает границу и приводит к изменению содержимого системы, должно быть учтено в соответствующем уравнении баланса. Объем может быть областью, окружающей единственный атом, резонирующий с энергией, такой как Макс Планк, определенный в 1900 году; это может быть тело из пара или воздуха в паровом двигателе , такое как Сади Карно определил в 1824 году. Это также может быть только один нуклид (то есть система кварков ), как предполагалось в квантовой термодинамике .

Окрестности [ править ]

Система - это изучаемая часть Вселенной, а окружение - это остаток Вселенной, лежащий за пределами системы. Он также известен как окружающая среда и резервуар . В зависимости от типа системы он может взаимодействовать с системой путем обмена массой, энергией (включая тепло и работу), импульсом , электрическим зарядом или другими сохраняемыми свойствами . Окружающая среда игнорируется при анализе системы, за исключением этих взаимодействий.

Закрытая система [ править ]

В закрытой системе никакая масса не может передаваться внутрь или за пределы системы. Система всегда содержит одинаковое количество вещества, но тепло и работа могут передаваться через границу системы. Способна ли система обмениваться теплом, работой или и тем, и другим, зависит от свойств ее границ.

• Адиабатическая граница - отсутствие теплообмена: термически изолированная система
• Жесткая граница - не допускающая обмена работами: механически изолированная система

Одним из примеров является сжатие жидкости поршнем в цилиндре. Другой пример замкнутой системы - калориметр бомбы, тип калориметра постоянного объема, используемый для измерения теплоты сгорания конкретной реакции. Электрическая энергия проходит через границу, вызывая искру между электродами и инициируя горение. Теплообмен происходит через границу после сгорания, но массообмен в любом случае не происходит.

Начиная с первого закона термодинамики для открытой системы, это выражается как:

${\displaystyle \Delta U=Q-W+m_{i}(h+{\frac {1}{2}}v^{2}+gz)_{i}-m_{e}(h+{\frac {1}{2}}v^{2}+gz)_{e}}$

где U - внутренняя энергия, Q - тепло, добавляемое к системе, W - работа, совершаемая системой, и поскольку масса не передается в систему или из нее, оба выражения, включающие массовый расход, равны нулю, и первый закон термодинамики для замкнутой системы. Первый закон термодинамики для замкнутой системы гласит, что увеличение внутренней энергии системы равно количеству тепла, добавленного к системе, за вычетом работы, выполняемой системой. Для бесконечно малых изменений первый закон для закрытых систем сформулирован следующим образом:

${\displaystyle \mathrm {d} U=\delta Q-\delta W.}$

Если работа связана с увеличением объема на d V при давлении P, то:

${\displaystyle \delta W=P\mathrm {d} V.}$

Для однородной системы, претерпевающей обратимый процесс, второй закон термодинамики гласит:

${\displaystyle \delta Q=T\mathrm {d} S}$

где T - абсолютная температура, а S - энтропия системы. С помощью этих соотношений фундаментальное термодинамическое соотношение , используемое для вычисления изменений внутренней энергии, выражается как:

${\displaystyle \mathrm {d} U=T\mathrm {d} S-P\mathrm {d} V.}$

Для простой системы, состоящей только из одного типа частиц (атома или молекула), замкнутая система представляет собой постоянное количество частиц. Однако для систем, подвергающихся химической реакции , в процессе реакции могут генерироваться и разрушаться всевозможные молекулы. В этом случае тот факт, что система замкнута, выражается утверждением, что общее количество каждого элементарного атома сохраняется, независимо от того, частью какой молекулы он может быть. Математически:

${\displaystyle \sum _{j=1}^{m}a_{ij}N_{j}=b_{i}^{0}}$

где N _j - количество молекул j-типа, a _ij - количество атомов элемента i в молекуле j, а b _i ⁰ - общее количество атомов элемента i в системе, которое остается постоянным, поскольку система закрыто. Для каждого элемента системы существует одно такое уравнение.

Изолированная система [ править ]

Изолированная система более строгая, чем закрытая, поскольку она никак не взаимодействует с окружающей средой. Масса и энергия остаются постоянными в системе, и передача энергии или массы через границу не происходит. Со временем в изолированной системе внутренние различия в системе имеют тенденцию выравниваться, а давление и температура имеют тенденцию выравниваться, как и различия в плотности. Система, в которой все процессы уравнивания практически завершены, находится в состоянии термодинамического равновесия .

По-настоящему изолированные физические системы не существуют в действительности (за исключением, возможно, Вселенной в целом), потому что, например, всегда существует гравитация между системой с массой и массами в другом месте. ^{[22] [23] [24] [25] [26]} Однако реальные системы могут вести себя почти как изолированные системы в течение конечного (возможно, очень долгого) времени. Концепция изолированной системы может служить полезной моделью, приближающей многие реальные ситуации. Это приемлемая идеализация, используемая при построении математических моделей определенных природных явлений .

Пытаясь обосновать постулат увеличения энтропии во втором законе термодинамики , H-теорема Больцмана использовала уравнения , которые предполагали, что система (например, газ ) изолирована. То есть все механические степени свободы можно задать, рассматривая стены просто как зеркальные граничные условия . Это неизбежно привело к парадоксу Лошмидта . Однако, если рассматривать стохастическое поведение молекул в реальных стенках, наряду с хаотическим эффектом окружающей среды, фоновое тепловое излучение, Предположение Больцмана о молекулярном хаосе может быть оправдано.

Второй закон термодинамики для изолированных систем гласит, что энтропия изолированной системы, не находящейся в равновесии, имеет тенденцию увеличиваться со временем, приближаясь к максимальному значению в состоянии равновесия. В целом, в изолированной системе внутренняя энергия постоянна, и энтропия никогда не может уменьшиться. А замкнутая энтропия системы может уменьшиться , например , когда тепло извлекается из системы.

Важно отметить, что изолированные системы не эквивалентны закрытым системам. Замкнутые системы не могут обмениваться веществом с окружающей средой, но могут обмениваться энергией. Изолированные системы не могут обмениваться ни материей, ни энергией со своим окружением, и как таковые являются только теоретическими и не существуют в действительности (кроме, возможно, всей вселенной).

Стоит отметить, что «замкнутая система» часто используется в обсуждениях термодинамики, когда «изолированная система» была бы правильной, т.е. есть предположение, что энергия не входит и не покидает систему.

Селективный перенос материи [ править ]

Для термодинамического процесса важны точные физические свойства стенок и окружающей среды системы, поскольку они определяют возможные процессы.

Открытая система имеет одну или несколько стенок, через которые осуществляется перенос вещества. Чтобы учесть внутреннюю энергию открытой системы, необходимы термины передачи энергии в дополнение к термину для тепла и работы. Это также приводит к идее о химическом потенциале .

Стена, избирательно проницаемая только для чистого вещества, может привести систему в диффузионный контакт с резервуаром этого чистого вещества в окружающей среде. Тогда возможен процесс, в котором это чистое вещество переносится между системой и окружающей средой. Также через эту стену возможно контактное равновесие по отношению к этому веществу. С помощью подходящих термодинамических операций резервуар чистого вещества можно рассматривать как закрытую систему. Его внутренняя энергия и его энтропия могут быть определены как функции его температуры, давления и числа молей.

Термодинамическая операция может сделать непроницаемыми для вещества все стенки системы, кроме контактной равновесной стенки для этого вещества. Это позволяет определить интенсивную переменную состояния по отношению к эталонному состоянию окружающей среды для этого вещества. Интенсивная переменная называется химическим потенциалом; для компонентного вещества i его обычно обозначают μ _i . Соответствующей обширной переменной может быть число молей N _i составляющего вещества в системе.

Для контактного равновесия через стенку, проницаемую для вещества, химические потенциалы вещества должны быть одинаковыми по обе стороны от стены. Это часть природы термодинамического равновесия, и ее можно рассматривать как связанную с нулевым законом термодинамики. ^[27]

Открытая система [ править ]

В открытой системе происходит обмен энергией и веществом между системой и окружающей средой. Присутствие реагентов в открытом стакане является примером открытой системы. Здесь граница - это воображаемая поверхность, окружающая стакан и реагенты. Он называется закрытым , если границы непроницаемы для вещества, но допускают передачу энергии в виде тепла, и изолированным , если нет обмена теплом и веществами. Открытая система не может существовать в состоянии равновесия. Для описания отклонения термодинамической системы от равновесия, помимо определяющих переменных, описанных выше, используется набор внутренних переменных , которые называются внутренними переменными.${\displaystyle \xi _{1},\xi _{2},\ldots }$были введены. Состояние равновесия считается устойчивым. и главное свойство внутренних переменных, как меры неравновесности системы, - это их тенденция к исчезновению; локальный закон исчезновения можно записать как уравнение релаксации для каждой внутренней переменной

${\displaystyle {\frac {d\xi _{i}}{dt}}=-{\frac {1}{\tau _{i}}}\,\left(\xi _{i}-\xi _{i}^{(0)}\right),\quad i=1,\,2,\ldots ,}$

( 1 )

где - время релаксации соответствующих переменных. Удобно считать, что начальное значение равно нулю.${\displaystyle \tau _{i}=\tau _{i}(T,x_{1},x_{2},\ldots ,x_{n})}$${\displaystyle \xi _{i}^{0}}$

Существенный вклад в термодинамику открытых неравновесных систем внес Илья Пригожин , когда он и его сотрудники исследовали системы химически реагирующих веществ. Стационарные состояния таких систем существуют за счет обмена как частицами, так и энергией с окружающей средой. В разделе 8 третьей главы своей книги ^[28] Пригожин указал три вклада в изменение энтропии рассматриваемой открытой системы при заданном объеме и постоянной температуре . Приращение энтропии можно рассчитать по формуле ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle S}$

${\displaystyle T\,dS=\Delta Q-\sum _{j}\,\Xi _{j}\,\Delta \xi _{j}+\sum _{\alpha =1}^{k}\,\mu _{\alpha }\,\Delta N_{\alpha }.}$

( 1 )

Первый член в правой части уравнения представляет собой поток тепловой энергии в систему; последний термин - поток энергии в систему, идущий с потоком частиц вещества, который может быть положительным или отрицательным, - это химический потенциал вещества . Средний член в (1) показывает диссипацию энергии ( производство энтропии ) из-за релаксации внутренних переменных . В случае химически реагирующих веществ, который исследовал Пригожин, внутренние переменные оказываются мерами незавершенности химических реакций, то есть мерами того, насколько рассматриваемая система с химическими реакциями находится в неравновесном состоянии. Теория может быть обобщена ^[29]${\displaystyle \Delta N_{\alpha }}$${\displaystyle \mu _{\alpha }}$${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \xi _{j}}$^[30] рассматривать любое отклонение от состояния равновесия как внутреннюю переменную, так что мы считаем, что набор внутренних переменных в уравнении (1) состоит из величин, определяющих не только степени полноты всех химических реакций, происходящих в системе, но также структура системы, градиенты температуры, разница концентраций веществ и так далее.${\displaystyle \xi _{j}}$

Подход Пригожина к открытой системе позволяет описывать рост и развитие живых объектов в термодинамических терминах.

См. Также [ править ]

• Динамическая система
• Энергетическая система
• Изолированная система
• Механическая система
• Физическая система
• Квантовая система
• Термодинамический цикл
• Термодинамический процесс
• Квантовая система с двумя состояниями

Ссылки [ править ]

Источники [ править ]

• Эбботт, ММ; ван Хесс, HG (1989). Термодинамика с химическими приложениями (2-е изд.). Макгроу Хилл.
• Каллен, HB (1960/1985). Термодинамика и введение в термостатистику , (1-е издание, 1960 г.), 2-е издание, 1985 г., Wiley, New York, ISBN 0-471-86256-8 . 
• Холлидей, Дэвид; Резник, Роберт; Уокер, Джерл (2008). Основы физики (8-е изд.). Вайли.
• Моран, Майкл Дж .; Шапиро, Ховард Н. (2008). Основы инженерной термодинамики (6-е изд.). Вайли.