Термодинамическая операция

Термодинамическая операция — это навязанная извне манипуляция, влияющая на термодинамическую систему. Изменение может заключаться либо в связи или стенке между термодинамической системой и ее окружением, либо в значении некоторой переменной в среде, которая контактирует со стенкой системы, что позволяет перенести обширную величину, принадлежащую этой переменной. В термодинамике предполагается, что операция проводится при незнании какой-либо соответствующей микроскопической информации.

Термодинамическая операция требует участия независимого внешнего фактора, который не обусловлен пассивными свойствами систем. Возможно, первое выражение различия между термодинамической операцией и термодинамическим процессом содержится в формулировке Кельвином второго закона термодинамики : «Невозможно с помощью неодушевленного материального средства получить механический эффект от какой-либо части материи путем ее охлаждения». ниже температуры окружающих предметов». Последовательность событий, произошедшая не «посредством неодушевленного материального агента», повлечет за собой действие живого агента или, по крайней мере, независимого внешнего агента. Такое агентство могло бы навязать некоторые термодинамические операции. Например, в результате этих операций можно создать тепловой насос , который, конечно же, будет соответствовать второму закону. Демон Максвелла совершает крайне идеализированную и, естественно, неосуществимую термодинамическую операцию.

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

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

Различие между термодинамической операцией и термодинамическим процессом

Типичная термодинамическая операция — это внешнее изменение положения поршня с целью изменения объема интересующей системы. Другая термодинамическая операция — удаление изначально разделяющей стенки — манипуляция, объединяющая две системы в одну неделимую. Типичный термодинамический процесс состоит из перераспределения, которое распределяет сохраняющееся количество между системой и ее окружением через ранее непроницаемую, но теперь полупроницаемую стену между ними.

В более общем смысле процесс можно рассматривать как передачу некоторой величины, которая определяется изменением обширной переменной состояния системы, соответствующей сохраняющейся величине, так что можно записать уравнение баланса передачи. По мнению Уффинка, «...термодинамические процессы происходят только после внешнего вмешательства в систему (например: удаления перегородки, установления теплового контакта с тепловой баней, толкания поршня и т. д.). Они не соответствуют термодинамическим процессам. автономное поведение свободной системы». Например, для интересующей закрытой системы изменение внутренней энергии (обширной переменной состояния системы) может быть вызвано передачей энергии в виде тепла. В термодинамике тепло не является обширной переменной состояния системы. Однако количество передаваемого тепла определяется количеством адиабатической работы, которая произвела бы такое же изменение внутренней энергии, как и теплопередача; энергия, передаваемая в виде тепла, является сохраняющейся величиной.

С исторической точки зрения различие между термодинамической операцией и термодинамическим процессом не обнаруживается в этих терминах в отчетах девятнадцатого века. Например, Кельвин говорил о «термодинамической операции», когда имел в виду то, что современная терминология называет термодинамической операцией, за которой следует термодинамический процесс. Опять же, Планк обычно говорил о «процессе», тогда как наша современная терминология говорит о термодинамической операции, за которой следует термодинамический процесс.

«Естественные процессы» Планка контрастировали с действиями демона Максвелла.

Планк считал, что все «естественные процессы» (имея в виду в современной терминологии термодинамическую операцию, за которой следует термодинамический процесс) необратимы и протекают в смысле увеличения суммы энтропии. В этих терминах демон Максвелла, если бы он мог существовать, совершал бы противоестественные действия, которые включают в себя переходы в смысле выхода из термодинамического равновесия, именно посредством термодинамических операций. Они физически теоретически мыслимы до определенного момента, но не являются естественными процессами в смысле Планка. Причина в том, что обычные термодинамические операции проводятся при полном незнании той самой микроскопической информации, которая необходима для усилий демона Максвелла.

Примеры термодинамических операций

Термодинамический цикл

строится Термодинамический цикл как последовательность стадий или шагов. Каждый этап состоит из термодинамической операции, за которой следует термодинамический процесс. Например, начальную термодинамическую операцию цикла тепловой машины Карно можно рассматривать как приведение рабочего тела при известной высокой температуре в контакт с тепловым резервуаром той же температуры (горячим резервуаром) через стенка проницаема только для тепла, при этом остается в механическом контакте с рабочим резервуаром. За этой термодинамической операцией следует термодинамический процесс, в котором расширение рабочего тела происходит настолько медленно, что оно эффективно обратимо, а 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 завершается. Затем двигатель подвергается еще одной термодинамической операции, и цикл переходит на другую стадию. Цикл завершается, когда термодинамические переменные (термодинамическое состояние) рабочего тела возвращаются к своим первоначальным значениям.

Виртуальные термодинамические операции

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

Состав систем

Для многих цепочек рассуждений в термодинамике удобно думать об объединении двух систем в одну. Предполагается, что две системы, отделенные от своего окружения, сопоставляются и (путем смены точки зрения) рассматриваются как составляющие новую, составную систему. Композитная система представлена ​​в новом общем окружении. Это создает возможность взаимодействия между двумя подсистемами, а также между составной системой и ее общим окружением, например, обеспечивая контакт через стену с определенным типом проницаемости. Это концептуальное устройство было введено в термодинамику главным образом в работах Каратеодори и с тех пор широко используется.

Аддитивность экстенсивных переменных

Если термодинамическая операция представляет собой полное удаление стенок, то обширные переменные состояния составной системы представляют собой соответствующие суммы переменных состояния составных систем. Это называется аддитивностью экстенсивных переменных.

Масштабирование системы

Термодинамическая система, состоящая из одной фазы, в отсутствие внешних сил, в собственном состоянии внутреннего термодинамического равновесия, является однородной. Это означает, что материал в любой области системы может быть заменен материалом любой конгруэнтной и параллельной области системы, в результате чего система останется термодинамически неизменной. Термодинамическая операция масштабирования — это создание новой однородной системы, размер которой кратен старому размеру и интенсивные переменные которой имеют те же значения. Традиционно размер определяется массой системы, но иногда он определяется энтропией или объемом. Для данной такой системы Φ , масштабированной действительным числом λ для получения новой λ Φ , состояния функция X (.) такая, что X ( λ Φ) = λ X (Φ) , называется экстенсивной . Такая функция, как X, называется однородной функцией степени 1. Здесь упоминаются две разные концепции, имеющие одно и то же название: (а) математическое понятие однородности степени 1 в масштабирующей функции; и (б) физическая концепция пространственной однородности системы. Бывает, что здесь оба сходятся, но это не потому, что они тавтологичны. Это случайный факт термодинамики.

Разделение и рекомпозиция систем

Если две системы S _a и S _b имеют одинаковые интенсивные переменные, термодинамическая операция удаления стенок может объединить их в единую систему S с одинаковыми интенсивными переменными. Если, например, их внутренние энергии находятся в соотношении λ :(1− λ ) , то составная система S имеет внутреннюю энергию в соотношении 1: λ к энергии системы S _a . С помощью обратной термодинамической операции систему S можно очевидным образом разбить на две подсистемы. Как обычно, эти термодинамические операции проводятся при полном незнании микроскопических состояний систем. В частности, для макроскопической термодинамики характерно то, что вероятность исчезает, что операция расщепления происходит в тот момент, когда система S находится в своего рода крайнем переходном микроскопическом состоянии, предусмотренном аргументом рекуррентности Пуанкаре . Такое разделение и рекомпозиция согласуются с определенной выше аддитивностью экстенсивных переменных.

Заявления о законах

Термодинамические операции появляются в формулировках законов термодинамики. Для нулевого закона рассматриваются операции термического соединения и отключения систем. Что касается второго закона, некоторые утверждения предполагают операцию соединения двух изначально не связанных друг с другом систем. Одно из утверждений третьего закона состоит в том, что никакая конечная последовательность термодинамических операций не может привести систему к абсолютной нулевой температуре.

Библиография для цитат

• Бейлин, М. (1994). Обзор термодинамики , Американский институт физики, Нью-Йорк, ISBN   0-88318-797-3 .
• Каллен, Х.Б. (1960/1985). Термодинамика и введение в термостатистику , (1-е издание, 1960 г.), 2-е издание, 1985 г., Уайли, Нью-Йорк, ISBN   0-471-86256-8 .
• Каратеорори, К. (1909). «Исследования по основам термодинамики» . Математические летописи . 67 (3): 355–386. дои : 10.1007/BF01450409 . S2CID   118230148 . Перевод можно найти здесь . Также наиболее надежный перевод можно найти у Кестина Дж. (1976). Второй закон термодинамики , Дауден, Хатчинсон и Росс, Страудсбург, Пенсильвания.
• Джайлз, Р. (1964). Математические основы термодинамики , Макмиллан, Нью-Йорк.
• Гуггенхайм, Э.А. (1949/1967). Термодинамика. Расширенное лечение для химиков и физиков , пятое исправленное издание, Северная Голландия, Амстердам.
• Гуггенхайм, Э.А. (1949). «Статистические основы термодинамики», Исследования , 2 : 450–454.
• Дьярмати, И. (1967/1970). Неравновесная термодинамика. Теория поля и вариационные принципы , перевод с венгерского издания 1967 года Э. Дьярмати и В. Ф. Хайнца, Springer-Verlag, Нью-Йорк.
• 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.
• Кельвин, Лорд (1857). Об изменении температуры при изменении давления в жидкостях. Тр. Рой. Соц. , Июнь .
• Ландсберг, PT (1961). Термодинамика с квантовыми статистическими иллюстрациями , Interscience, Нью-Йорк.
• Либ Э.Х., Ингвасон Дж. (1999). Физика и математика второго начала термодинамики, Physics Reports , 314 : 1–96, с. 14.
• Планк, М. (1887). «О принципе возрастания энтропии», Анналы физики и химии , новая серия 30 : 562–582.
• Планк, М. (1897/1903). Трактат по термодинамике , перевод А. Огга, Longmans, Green, & Co., Лондон.
• Планк, М. (1935). Замечания о количественных параметрах, параметрах интенсивности и устойчивом равновесии, Physica , 2 : 1029–1032.
• Тиса, Л. (1966). Обобщенная термодинамика , MIT Press, Кембридж, Массачусетс.
• Уффинк, Дж. (2001). Блефуйте во втором законе термодинамики, Стад. Хист. Фил. Мод. Физ. , 32 (3): 305–394, издательство Elsevier Science.