Адиабатическая стенка

В термодинамике адиабатическая стенка между двумя термодинамическими системами не позволяет проходить через нее теплу или химическим веществам , другими словами, отсутствует теплообмен или массоперенос .

В теоретических исследованиях иногда предполагается, что одна из двух систем является окружением другой. Тогда предполагается, что переданная работа обратима внутри системы, но в термодинамике не предполагается, что переданная работа обратима внутри системы. Допущение об обратимости окружающей среды приводит к тому, что количество передаваемой работы четко определяется макроскопическими переменными окружающей среды. Соответственно, иногда говорят, что окружающая среда имеет обратимый рабочий резервуар.

Наряду с идеей адиабатической стенки существует идея адиабатической оболочки. Вполне возможно, что в системе некоторые граничные стенки являются адиабатическими, а другие нет. Если некоторые из них не адиабатические, то система не является адиабатически замкнутой, хотя адиабатическая передача энергии в виде работы может происходить через адиабатические стенки.

Адиабатическая оболочка важна, потому что, по словам одного широко цитируемого автора, Герберта Каллена , «важной предпосылкой для измерения энергии является существование стенок, которые не позволяют передавать энергию в форме тепла». В термодинамике принято априори предполагать физическое существование адиабатических оболочек, хотя отдельно это предположение не принято называть аксиомой или нумерованным законом.

Построение концепции адиабатического кожуха

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, прежде всего, с теоретической точки зрения, чтобы определить его как остаточную величину после того, как для процесса была определена передача энергии в виде макроскопической работы между двумя телами или закрытыми системами. 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 процессе передачи энергии между двумя телами или замкнутыми системами переданное тепло определяется как остаточное количество переданной энергии после того, как определена энергия, переданная в виде работы, принимая для расчета закон сохранения энергии, безотносительно к понятию 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 размышлений 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.

Счета адиабатической стенки

Авторы Бухдал, Каллен и Хаазе не упоминают о прохождении излучения, теплового или когерентного, через их адиабатические стенки. Каратеодори подробно обсуждает проблемы, связанные с тепловым излучением, которое является некогерентным, и он, вероятно, не знал о практической возможности лазерного когерентного света. Каратеодори в 1909 году говорит, что оставляет подобные вопросы без ответа.

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

Для механического мышления важен точный способ определения адиабатической стенки.

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 явно постулирует существование стен, проницаемых только для тепла, то есть непроницаемых для работы и материи, но все же каким-то неопределенным образом проницаемых для энергии. Можно было бы простить вывод из этого, что тепло — это энергия, передаваемая через стены, проницаемые только для тепла, и что такие стены существуют как неопределенные постулируемые примитивы.

В широко цитируемой презентации Каллена вводится понятие адиабатической стенки как границы стенки, плохо проводящей тепло. Хотя Каллен здесь явно не упоминает температуру, он рассматривает случай эксперимента с таянием льда, проведенного в летний день, когда, как может предположить читатель, температура окружающей среды была бы выше. Тем не менее, когда дело доходит до четкого определения, Каллен не использует это вводное описание. В конце концов он, как и Каратеодори, определяет адиабатическое окружение, что оно передает энергию только как работу и не пропускает материю. Соответственно, он определяет тепло как энергию, которая передается через границу замкнутой системы не посредством работы.

Как предположил, например, Каратеодори и использовал, например, Каллен, предпочтительным примером адиабатической стенки является сосуд Дьюара . Сосуд Дьюара имеет жесткие стенки. Тем не менее Каратеодори требует, чтобы его адиабатические стенки представлялись гибкими и чтобы давление на эти гибкие стенки регулировалось и контролировалось извне так, чтобы стенки не деформировались, если только не будет предпринят процесс, в котором работа передается через стенки. Работа, рассматриваемая Каратеодори, представляет собой работу давления-объема. В другом тексте асбест и стекловолокно рассматриваются как хорошие примеры материалов, которые образуют практически осуществимую адиабатическую стену.

Таким образом, механический поток мышления рассматривает свойство адиабатической оболочки не допускать передачи тепла через себя как вывод из аксиом термодинамики Каратеодори.

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.
• Каллен, Х.Б. (1960/1985). Термодинамика и введение в термостатистику , второе издание, John Wiley & Sons, Нью-Йорк, ISBN   0-471-86256-8 .
• К. Каратеодори (1909). «Исследования по основам термодинамики» . Математические летописи . 67 :355-386. дои : 10.1007/BF01450409 . S2CID   118230148 . Перевод можно найти здесь . Архивировано 12 октября 2019 г. на Wayback Machine . 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 А. Огга (первое издание), Лондон: Longmans, Green and Co. * Рейф, Ф. (1965). Основы статистической и теплофизики . Нью-Йорк: McGraw-Hill, Inc.