Диатермическая стена

В термодинамике диатермальная стенка между двумя термодинамическими системами обеспечивает передачу тепла , но не позволяет передавать вещество через нее.

Диатермическая стенка важна, потому что в термодинамике принято априори предполагать для закрытой системы физическое существование переноса энергии через стенку, которая непроницаема для вещества, но не является адиабатической , перенос, который называется переносом энергии. как тепло, хотя это предположение не принято обозначать отдельно как аксиому или нумерованный закон.

Определения передачи тепла

В теоретической термодинамике авторитетные авторы различаются в подходах к определению количества передаваемого тепла. Есть два основных направления мышления. Один из них - с преимущественно эмпирической точки зрения (который здесь будет называться термодинамическим потоком) - определить теплообмен как происходящий только с помощью определенных макроскопических механизмов; грубо говоря, этот подход исторически старше. Другой (который здесь будет называться механическим потоком) предназначен в первую очередь с теоретической точки зрения, чтобы определить его как остаточную величину, рассчитанную после того, как передача энергии в виде макроскопической работы между двумя телами или закрытыми системами была определена для процесса. , чтобы соответствовать принципу сохранения энергии или первому закону термодинамики для закрытых систем; этот подход получил распространение в двадцатом веке, хотя частично проявился в девятнадцатом.

Термодинамический поток мышления

В термодинамическом потоке мышления указанными механизмами теплопередачи являются проводимость и излучение . Эти механизмы предполагают распознавание температуры ; для этой цели достаточно эмпирической температуры, хотя может служить и абсолютная температура. В этом потоке мыслей количество тепла определяется в первую очередь с помощью калориметрии .

Хотя их определение отличается от определения механического потока мышления, эмпирический поток мышления, тем не менее, предполагает существование адиабатических оболочек. Он определяет их через понятия тепла и температуры. Эти две концепции согласованно связаны в том смысле, что они возникают совместно при описании экспериментов по передаче энергии в виде тепла.

Механический поток мыслей

В механическом потоке размышлений о закрытых системах переданное тепло определяется как рассчитанное остаточное количество энергии, переданной после того, как определена энергия, переданная в виде работы, принимая для расчета закон сохранения энергии, без ссылки на концепцию температуры. . В основе теории лежат пять основных элементов.

• Существование состояний термодинамического равновесия, определяемых ровно одной (называемой недеформационной переменной) более переменной состояния, чем количество независимых переменных работы (деформации).
• То, что состояние внутреннего термодинамического равновесия тела обладает четко определенной внутренней энергией, постулируется первым законом термодинамики.
• Универсальность закона сохранения энергии.
• Признание работы как формы передачи энергии.
• Всеобщая необратимость природных процессов.
• Существование адиабатических оболочек.
• Наличие стен, проницаемых только для тепла.

Аксиоматические представления этого направления мышления немного различаются, но они намерены избегать понятий тепла и температуры в своих аксиомах. Для этого направления мышления важно, что тепло не предполагается измеряемым с помощью калориметрии. Для этого направления размышлений важно, чтобы для описания термодинамического состояния тела или замкнутой системы в дополнение к переменным состояния, называемым переменными деформации, существовала ровно одна дополнительная переменная состояния с действительным числом, называемая переменная недеформации, хотя ее не следует аксиоматически признавать эмпирической температурой, даже если она удовлетворяет критериям таковой.

Отчеты о диатермической стене

Как упоминалось выше, диатермическая стена может передавать энергию в виде тепла за счет теплопроводности, но не материю. Диатермическая стена может двигаться и, таким образом, участвовать в передаче энергии в виде работы. Среди стенок, непроницаемых для вещества, противоположными являются диатермические и адиабатические стенки.

В отношении радиации могут оказаться полезными некоторые дополнительные комментарии.

В классической термодинамике не рассматривается одностороннее излучение от одной системы к другой. Двустороннее излучение между двумя системами является одним из двух механизмов передачи энергии в виде тепла. Это может происходить в вакууме, когда две системы отделены от промежуточного вакуума стенками, проницаемыми только для излучения; такое расположение соответствует определению диатермической стены. Баланс лучистой передачи – это передача тепла.

В термодинамике не обязательно, чтобы радиационная передача тепла осуществлялась ни чистым излучением черного тела, ни некогерентным излучением. Конечно, излучение черного тела некогерентно. Таким образом, лазерное излучение считается в термодинамике односторонним компонентом двустороннего излучения, то есть теплопередачи. Кроме того, согласно принципу взаимности Гельмгольца, целевая система излучает в систему лазерного источника, хотя, конечно, относительно слабо по сравнению с лазерным светом. Согласно Планку, некогерентный монохроматический луч света переносит энтропию и имеет температуру. Чтобы передача квалифицировалась как работа, она должна быть обратима в окружающей среде, например, в концепции обратимого рабочего резервуара. Лазерный свет необратим в окружающей среде и поэтому является компонентом передачи энергии в виде тепла, а не работы.

В теории переноса излучения рассматривается одностороннее излучение. Для исследования закона теплового излучения Кирхгофа необходимы понятия поглощательной и излучательной способности , и они основаны на идее одностороннего излучения. Эти вещи важны для изучения коэффициентов Эйнштейна , которое частично опирается на понятие термодинамического равновесия .

В термодинамическом потоке мышления понятие эмпирической температуры одновременно предполагается в понятии теплопередачи для определения адиабатической стенки.

Для механического потока мышления важно точное определение стен.

В изложении Каратеодори важно, чтобы определение адиабатической стенки никоим образом не зависело от понятий теплоты или температуры. Это достигается тщательными формулировками и ссылкой на передачу энергии только как работу. Бухдал проявляет такую ​​же осторожность. Тем не менее Каратеодори прямо постулирует существование стен, проницаемых только для тепла, то есть непроницаемых для работы и материи, но все же каким-то неопределенным образом проницаемых для энергии; их называют диатермическими стенками. Можно было бы простить вывод из этого, что тепло — это энергия, передаваемая через стены, проницаемые только для тепла, и что такие стены признаются неотмеченными как постулируемые примитивы.

Таким образом, механическое течение мышления рассматривает свойство адиабатической оболочки не допускать переноса тепла через себя как вывод из аксиом термодинамики Каратеодори и рассматривает передачу тепла как остаточную, а не первичную концепцию.

Ссылки

Библиография

• Бейлин, М. (1994). Обзор термодинамики , Американский институт физики, Нью-Йорк, ISBN   0-88318-797-3 .
• Битти, Дж. А., Оппенгейм, И. (1979). Принципы термодинамики , Elsevier, Амстердам, ISBN   0-444-41806-7 .
• Борн, М. (1921). Критические соображения по поводу традиционных представлений термодинамики, физики. Журнал 22 :218-224.
• Брайан, GH (1907). Термодинамика. Вводный трактат, посвященный главным образом первым принципам и их прямому применению , Б. Г. Тойбнер, Лейпциг.
• Бухдал, ХА (1957/1966). Концепции классической термодинамики , Издательство Кембриджского университета, Лондон.
• Каратеодори, К. (1909). «Исследования по основам термодинамики» . Математические летописи . 67 (3): 355–386. дои : 10.1007/BF01450409 . S2CID   118230148 . Перевод можно найти здесь . Частично надежный перевод можно найти у Кестина Дж. (1976). Второй закон термодинамики , Дауден, Хатчинсон и Росс, Страудсбург, Пенсильвания.
• Гуггенхайм, Э.А. (1967) [1949], Термодинамика. Расширенное лечение химиков и физиков (пятое изд.), Амстердам: Издательство Северной Голландии.
• Хаазе, Р. (1971). Обзор фундаментальных законов, глава 1 «Термодинамики» , страницы 1–97 тома 1, изд. В. Йост, физическая химия. Продвинутый трактат , изд. Х. Айринг, Д. Хендерсон, В. Йост, Academic Press, Нью-Йорк, lcn 73–117081.
• Кирквуд, Дж. Г. , Оппенгейм, И. (1961). Химическая термодинамика , МакГроу-Хилл, Нью-Йорк.
• Максвелл, Дж. К. (1871), Теория тепла (первое изд.), Лондон: Longmans, Green and Co.
• Планк, М. (1903) [1897], Трактат по термодинамике , перевод Огга А. (первое издание), Лондон: Longmans, Green and Co.
• Планк. М. (1914). Теория теплового излучения , перевод Масиуса М. второго немецкого издания, P. Blakiston's Son & Co., Филадельфия.