Расширенная необратимая термодинамика
Расширенная необратимая термодинамика — раздел неравновесной термодинамики , выходящий за рамки гипотезы локального равновесия классической необратимой термодинамики .Пространство переменных состояния расширяется за счет включения потоков массы, импульса и энергии и, в конечном итоге, потоков более высокого порядка.Формализм хорошо подходит для описания высокочастотных процессов и материалов малых размеров.
Обзор
[ редактировать ]За последние десятилетия было предпринято немало усилий по обобщению классических законов Фурье (теплопроводности), Фика (диффузии вещества), Ньютона (вязких потоков) и Ома (электропереноса).Действительно, современные технологии стремятся к миниатюрным устройствам, высокочастотным и сильно нелинейным процессам, требующим нового концептуального подхода.С этой целью было разработано несколько классов теорий, и одна из них, известная под названием « Расширенная необратимая термодинамика» (EIT), вызвала особый растущий интерес.Отцовство ЭИТ можно проследить до Джеймса Клерка Максвелла, который в 1867 г. [ нужна ссылка ] ввел производные по времени в материальные уравнения идеальных газов .
Основные понятия
[ редактировать ]Основная идея, лежащая в основе ЭИТ, заключается в переводе в статус независимых переменных неравновесной внутренней энергии, вещества, импульса и электрических потоков.Выбор потоков в качестве переменных уходит своими корнями в тринадцатиминутную кинетическую теорию газов Града, которая, таким образом, обеспечивает естественную основу для развития ЭИТ.Основным следствием выбора потоков в качестве переменных состояния является то, что определяющие уравнения Фурье, Фика, Ньютона и Ома заменяются уравнениями эволюции во времени первого порядка, включая эффекты памяти и нелокальные эффекты.Выбор потоков в качестве переменных не является простым произволом, если вспомнить, что в повседневной жизни потоки могут играть ведущую роль. [ нужна ссылка ] как, например, в управлении дорожным движением (поток автомобилей), экономике (поток денег) и Всемирной паутине (поток информации).
Расширение классической необратимой термодинамики.
[ редактировать ]EIT можно рассматривать как естественное продолжение классической необратимой термодинамики (CIT).
Разработанная главным образом бельгийско-голландской школой во главе с И. Пригожиным, работающей над простой гипотезой локального термодинамического равновесия, КИТ предполагает существование законов поля диффузионного типа. Математически это параболические уравнения в частных производных . Они подразумевают, что локально приложенное возмущение распространяется по телу с бесконечной скоростью. Это противоречит как экспериментальным данным, так и принципу причинности. Последнее требует, чтобы следствие наступало после применения его причины.
В ЭИТ отказываются от идеи локального термодинамического равновесия. В отличие от CIT, уравнения поля EIT являются гиперболическими, что позволяет избежать парадокса сигналов, движущихся с бесконечной скоростью.
Приложения
[ редактировать ]Диапазон применения ЭИТ не ограничивается ситуациями, близкими к равновесию, а охватывает несколько различных областей, включая
-эффекты памяти (быстрые процессы, полимеры , сверхтекучие жидкости ),
-нелокальные эффекты (микро- и наноматериалы ),
-нелинейные эффекты (большие мощности, ударные волны ).
Однако дискуссия не закрыта. Некоторые фундаментальные вопросы, такие как определение неравновесности энтропии и температуры, статус Второго закона термодинамики , однозначный выбор переменных состояния, получают лишь частичные ответы и требуют более однозначных ответов.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Джоу Д., Касас-Васкес Дж., Лебон Г. (1988), Расширенная необратимая термодинамика, Rep. Prog. Физ 51 1105-1179
- ^ Лебон Г., Касас-Васкес Дж., Жу Д. (1992), Вопросы и ответы о термодинамической теории третьего типа, Contemporary Phys. 33 41–51
- ^ Мюллер I, Руджери Т (1998), Расширенная термодинамика Rational , 2-е издание, Springer, Нью-Йорк
- ^ Джоу Д., Касас-Васкес Дж., Лебон Дж. (1999), Возвращение к расширенной необратимой термодинамике (1988–1998), Rep. Prog. Физ. 62 1035-1142
- ^ Лебон Дж., Джоу Д., Касас-Васкес Дж. (2008), Понимание неравновесной термодинамики , Springer, Берлин
- ^ Джоу Д., Касас-Васкес Дж., Лебон Дж. (2010), Расширенная необратимая термодинамика , 4-е издание,
- ^ Джоу Д., Касас-Васкес Дж., Криадо-Санчо М. (2011), Термодинамика жидкостей в потоке , 2-е издание, Springer, Берлин