Термодинамический процесс - Thermodynamic process

Термодинамика
Классический Тепловой двигатель Карно
ветви Классический Статистический Химическая Квантовая термодинамика Равновесие  / Неравновесный
Законы Zeroth Первый Второй В третьих
Системы государство 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 Заметка: Сопряженные переменные в курсив Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства Функции процесса Работа Высокая температура Функции государства Температура  / Энтропия  (введение ) Давление  / Объем Химический потенциал  / Номер частицы 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 ${ Displaystyle А (Т, В) = U-TS}$ Свободная энергия Гиббса ${ Displaystyle G (T, p) = H-TS}$
История Культура История Общее 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 расследование Относительно ... тепла " "О равновесии Гетерогенные вещества " "Размышления о Движущая сила огня " Сроки Термодинамика Тепловые двигатели 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

Классическая термодинамика рассматривает три основных вида термодинамических процессов посредством изменений в системе, циклов в системе и потоковых процессов.

Определяется изменением в системе, термодинамический процесс это отрывок из термодинамическая система от начального до конечного штат из термодинамическое равновесие. Начальное и конечное состояния являются определяющими элементами процесса. Фактический ход процесса не является основным вопросом, и поэтому часто игнорируется. Это обычное значение по умолчанию для термина «термодинамический процесс». В общем, во время фактического протекания термодинамического процесса система проходит через физические состояния, которые не могут быть описаны как термодинамические состояния, поскольку они далеки от внутреннего термодинамического равновесия. Такие процессы полезны для термодинамической теории.

Определяется циклом переходов в систему и из системы, циклический процесс описывается количествами, передаваемыми на нескольких этапах цикла, которые повторяются неизменно. Описание стадийных состояний системы не является основной задачей. Циклические процессы были важными концептуальными устройствами на заре термодинамических исследований, в то время как концепция термодинамической переменной состояния развивалась.

Определяется потоками через систему, поточный процесс представляет собой установившееся состояние притока в сосуд и из него с определенными свойствами стенки. Внутреннее состояние содержимого сосуда - не главное. Величины, вызывающие наибольшее беспокойство, описывают состояние материалов на входе и выходе, а также, на стороне, передачу тепла, работы и кинетический и потенциальная энергия для судна. Поточные процессы представляют интерес для инженерии.

Виды процесса

Термодинамический процесс

Термодинамический процесс, определяемый изменением системы, - это прохождение термодинамическая система от начального до конечного штат из термодинамическое равновесие. Начальное и конечное состояния являются определяющими элементами процесса. Фактический ход процесса не является главной задачей и часто игнорируется. Состояние термодинамического равновесия остается неизменным, если оно не прерывается термодинамической операцией, которая инициирует термодинамический процесс. Каждое из состояний равновесия полностью определяется подходящим набором термодинамических переменные состояния, которые зависят только от текущего состояния системы, а не от пути, пройденного процессами, которые создают это состояние. В общем, во время фактического протекания термодинамического процесса система проходит через физические состояния, которые не могут быть описаны как термодинамические состояния, поскольку они далеки от внутреннего термодинамического равновесия. Следовательно, такой процесс может быть допущен для неравновесной термодинамики, но не может быть допущен для равновесной термодинамики, которая в первую очередь направлена ​​на описание непрерывного прохождения по пути с определенными темпами прогресса.

Хотя в целом это не так, но возможно, что процесс может происходить медленно или достаточно плавно, чтобы его описание можно было с пользой аппроксимировать непрерывным путем равновесных термодинамических состояний. Тогда это можно приблизительно описать функция процесса это действительно зависит от пути. Такой процесс можно идеализировать как «квазистатический» процесс, который является бесконечно медленным и который на самом деле является теоретическим упражнением в дифференциальной геометрии, в отличие от реально возможного физического процесса; в этом идеализированном случае расчет может быть точным, хотя в действительности этот процесс не происходит в природе. Такие идеализированные процессы полезны в теории термодинамики.

Циклический процесс

Определяемый циклом переходов в систему и из системы, циклический процесс описывается количествами, передаваемыми на нескольких этапах цикла. Описание стадийных состояний системы может не представлять интереса или даже не представлять интереса. Цикл - это последовательность небольшого количества термодинамических процессов, которые бесконечно часто многократно возвращают систему в исходное состояние. Для этого необязательно описывать сами этапные состояния, потому что интерес представляют именно трансферы. Обосновывается, что, если цикл может повторяться бесконечно часто, то можно предположить, что состояния рекуррентно не меняются. Состояние системы во время нескольких этапов процессов может представлять даже меньший интерес, чем точный характер повторяющихся состояний. Если, однако, несколько стадийных процессов идеализированы и квазистатичны, то цикл описывается путем непрерывного развития состояний равновесия.

Поточный процесс

Определяемый потоками через систему, процесс потока - это установившееся состояние потока внутрь и из емкости с определенными свойствами стенок. Внутреннее состояние содержимого сосуда - не главное. Величины, вызывающие наибольшую озабоченность, описывают состояния входящего и выходящего материалов, а также, сбоку, передачу тепла, работы, а также кинетической и потенциальной энергии для сосуда. Состояния входящих и исходящих материалов состоят из их внутренних состояний и их кинетической и потенциальной энергии как целых тел. Очень часто величины, описывающие внутренние состояния материалов на входе и выходе, оцениваются в предположении, что они являются телами в своих собственных состояниях внутреннего термодинамического равновесия. Поскольку разрешены быстрые реакции, термодинамическая обработка может быть приблизительной, а не точной.

Цикл квазистатических процессов

Пример цикла идеализированных термодинамических процессов, составляющих Цикл Стирлинга

Квазистатический термодинамический процесс можно визуализировать с помощью графическое построение путь идеализированных изменений в системе переменные состояния. В примере показан цикл, состоящий из четырех квазистатических процессов. У каждого процесса есть четко определенные начальная и конечная точки в объеме давления. пространство состояний. В этом конкретном примере процессы 1 и 3 являются изотермический, а процессы 2 и 4 изохорный. В Диаграмма PV является особенно полезной визуализацией квазистатического процесса, потому что площадь под кривой процесса - это количество Работа выполняется системой во время этого процесса. Таким образом, работа считается переменная процесса, поскольку его точное значение зависит от конкретного пути, пройденного между начальной и конечной точками процесса. Так же, высокая температура могут быть переданы во время процесса, и это тоже переменная процесса.

Сопряженные переменные процессы

Часто бывает полезно сгруппировать процессы в пары, в которых каждая постоянная переменная является одним из членов сопрягать пара.

Давление - объем

Сопряженная пара давление-объем занимается передачей механической или динамической энергии в результате работы.

• An изобарный процесс происходит при постоянном давлении. Примером может служить подвижный поршень в цилиндре, чтобы давление внутри цилиндра всегда было атмосферным, хотя оно отделено от атмосферы. Другими словами, система динамически связанныйподвижной границей в резервуар постоянного давления.
• An изохорный процесс - это тот, в котором объем поддерживается постоянным, в результате чего механическая фотоэлектрическая работа, выполняемая системой, будет равна нулю. С другой стороны, работа может выполняться в системе изохорически, например, с помощью вала, который приводит в движение вращающуюся лопасть, расположенную внутри системы. Отсюда следует, что для простой системы с одной переменной деформации любая тепловая энергия, передаваемая системе извне, будет поглощаться как внутренняя энергия. Изохорный процесс также известен как изометрический процесс или изоволюметрический процесс. Например, можно поместить закрытую жестяную банку с материалом в огонь. В первом приближении банка не будет расширяться, и единственное изменение будет заключаться в том, что содержимое приобретает внутреннюю энергию, о чем свидетельствует повышение температуры и давления. Математически, ${ displaystyle delta Q = dU}$. Система динамически изолированный, жесткой границей, из окружающей среды.

Температура - энтропия

Сопряженная пара температура-энтропия связана с передачей энергии, особенно в замкнутой системе.

• An изотермический процесс происходит при постоянной температуре. Примером может служить закрытая система, погруженная в термически связанный с большой ванной с постоянной температурой. Энергия, полученная системой в результате работы с ней, теряется в ванне, поэтому ее температура остается постоянной.
• An адиабатический процесс это процесс, в котором нет материи или теплопередачи, потому что теплоизоляционная стена отделяет систему от окружающей среды. Для того, чтобы процесс был естественным, либо (а) над системой должна производиться работа с конечной скоростью, чтобы внутренняя энергия системы увеличивалась; энтропия системы увеличивается, даже если она теплоизолирована; или (б) система должна работать с окружающей средой, которая затем страдает увеличением энтропии, а также получает энергию от системы.
• An изэнтропический процесс обычно определяется как идеализированный квазистатический обратимый адиабатический процесс передачи энергии как работы. В противном случае для процесса с постоянной энтропией, если работа выполняется необратимо, необходима теплопередача, так что процесс не является адиабатическим, и необходим точный механизм искусственного управления; поэтому это не обычный естественный термодинамический процесс.

Химический потенциал - число частиц

Вышеупомянутые процессы предполагали, что границы также непроницаемы для частиц. В противном случае мы можем считать границы жесткими, но проницаемыми для одного или нескольких типов частиц. Аналогичные соображения справедливы и для химический потенциал –число частиц сопряженная пара, которая связана с передачей энергии посредством этой передачи частиц.

• В процесс с постоянным химическим потенциалом система связанный с переносом частицчерез проницаемую для частиц границу в резервуар с постоянным µ.
• Сопряжение здесь представляет собой процесс с постоянным числом частиц. Это процессы, описанные выше. Энергия не добавляется или не вычитается из системы за счет передачи частиц. Система с изоляцией для переноса частиц из окружающей среды через границу, непроницаемую для частиц, но допускающую передачу энергии в виде работы или тепла. Эти процессы определяют термодинамическую работу и тепло, и для них система называется закрыто.

Термодинамические потенциалы

Любой из термодинамические потенциалы может оставаться постоянным во время процесса. Например:

• An изэнтальпический процесс не вносит изменений в энтальпия в системе.

Политропные процессы

А политропный процесс термодинамический процесс, подчиняющийся соотношению:

${ Displaystyle PV ^ {, n} = C,}$

где п давление, V объем, п есть ли настоящий номер («индекс политропы»), и C является константой. Это уравнение можно использовать для точной характеристики процессов определенных системы, в частности сжатие или расширение из газ, но в некоторых случаях жидкости и твердые вещества.

Процессы, классифицированные второй закон термодинамики

Согласно Планку, можно представить себе три основных класса термодинамических процессов: естественные, фиктивно обратимые и невозможные или неестественные.^[1][2]

Естественный процесс

В природе происходят только естественные процессы. Для термодинамики естественный процесс - это необратимый переход между системами, который увеличивает сумму их энтропий.^[1] Природные процессы могут происходить спонтанно или запускаться в метастабильный или нестабильная система, как, например, при конденсации перенасыщенного пара.^[3]

Фиктивно обратимый процесс

Чтобы описать геометрию графических поверхностей, которые иллюстрируют отношения равновесия между термодинамическими функциями состояния, можно фиктивно представить себе так называемые «обратимые процессы». Это удобные теоретические объекты, которые отслеживают пути на графических поверхностях. Они называются «процессами», но не описывают естественные процессы, которые всегда необратимы. Поскольку точки на путях являются точками термодинамического равновесия, принято считать «процессы», описываемые путями, фиктивно «обратимыми».^[1] Обратимые процессы всегда являются квазистатическими процессами, но обратное не всегда верно.

Неестественный процесс

Неестественные процессы логически возможны, но не происходят в природе. Если бы они произошли, они уменьшили бы сумму энтропий.^[1]

Квазистатический процесс

А квазистатический процесс идеализированная или фиктивная модель термодинамического «процесса», рассматриваемая в теоретических исследованиях. В физической реальности этого не происходит. Это можно представить как происходящее бесконечно медленно, так что система проходит через континуум состояний, бесконечно близких к равновесие.

Смотрите также

• Поточный процесс
• Высокая температура
• Фаза перехода
• Работа (термодинамика)

использованная литература

дальнейшее чтение

• Физика для ученых и инженеров - с современной физикой (6-е издание), П. А. Типлер, Г. Моска, Фриман, 2008 г., ISBN  0-7167-8964-7
• Энциклопедия физики (2-е издание), Р. Лернер, Г.Л. Тригг, издательство VHC, 1991, ISBN  3-527-26954-1 (Verlagsgesellschaft), ISBN  0-89573-752-3 (VHC Inc.)
• Энциклопедия физики Макгроу Хилла (2-е издание), К. Б. Паркер, 1994, ISBN  0-07-051400-3
• Физика с современными приложениями, Л.Х. Гринберг, Holt-Saunders International W.B. Сондерс и Ко, 1978, ISBN  0-7216-4247-0
• Основные принципы физики, ВЕЧЕРА. Уилан, М.Дж. Ходжсон, 2-е издание, 1978, Джон Мюррей, ISBN  0-7195-3382-1
• Термодинамика: от концепций к приложениям (2-е издание), А. Шавит, К. Гутфингер, CRC Press (Taylor and Francis Group, США), 2009 г., ISBN  9781420073683
• Химическая термодинамика, D.J.G. Айвз, Университетская химия, Macdonald Technical and Scientific, 1971, ISBN  0-356-03736-3
• Элементы статистической термодинамики (2-е издание), Л.К. Нэш, Принципы химии, Эддисон-Уэсли, 1974 г., ISBN  0-201-05229-6
• Статистическая физика (2-е издание), Ф. Мандл, Manchester Physics, John Wiley & Sons, 2008 г., ISBN  9780471915331