Термостатика

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Статья является частью одноименной серии.
Термодинамика
См. также «Физический портал»

Термостатика — одно из названий классической термодинамики[1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17][18][19][20][21][22], акцентирующее внимание на том, что эта научная дисциплина представляет собой феноменологическую теорию стационарных состояний и квазистатических процессов в сплошных средах, и в явном виде отражающее современное деление термодинамики на статическую и нестатическую части — равновесную термодинамику и неравновесную термодинамику.

С тем, чтобы более чётко определить область применимости законов термостатики, посмотрим на эту дисциплину с позиций классической неравновесной термодинамики, базирующейся на принципе локального равновесия[23] И. Пригожина (1945)[24]. Согласно принципу Пригожина неравновесную систему можно разбить на части (в пределе — бесконечно малые), каждую из которых в течение заданного отрезка времени (в пределе — бесконечно малого) можно рассматривать как находящуюся в равновесном состоянии, так что все соотношения классической термодинамики сохраняют свою справедливость для любой подсистемы[25][26][27][28], хотя в действительности каждая из таких частей находится в неравновесном квазистационарном состоянии. Обратимся теперь к рациональной термодинамике, которая не использует принцип локального равновесия и изначально строится как термомеханика сплошных сред[29][30]. Для систем с не зависящими от времени термодинамическими величинами формулы рациональной термодинамики превращаются в формулы классической термодинамики в локальной формулировке.

В рациональной термодинамике постулируют существование температуры — локальной термодинамической величины — для любых термодинамических систем, в том числе неравновесных

Из сказанного следует, что классическая термодинамика представляет собой теорию стационарных и квазистационарных состояний, не обязательно равновесных, а рассмотрение термодинамического равновесия есть просто одна из задач, решаемых классической термодинамикой. Авторы, ссылки на работы которых приведены в преамбуле статьи, вполне обоснованно рассматривают термин «термостатика» с его упором на независимость рассматриваемых величин от времени, как синоним словосочетаний «классическая термодинамика» и «равновесная термодинамика», имея в виду, что все эти термины разнятся только степенью распространённости в научной и учебной литературе. Такой подход к терминологии подразумевает, что под «равновесностью» в данном контексте подразумевается в том числе и квазиравновесность, отождествляемая с квазистатичностью. Перечислим виды стационарных и квазистационарных состояний, в которых определяющие их макроскопические характеристики не зависят от времени. К таковым относятся:

  • статическое состояние термодинамического равновесия, характеризуемое отсутствием потоков (энергии, вещества, импульса, заряда и т. п.)[31], в котором при постоянстве внешних условий система может пребывать неопределённо долгое время. Если на систему было оказано конечное (не ведущее к разрушению системы) внешнее воздействие, приведшее к изменению свойств системы, то после снятия этого воздействия термодинамическая система возвращается в исходное состояние. Равновесное состояние можно определить также как стационарное состояние, не поддерживаемое протеканием какого-либо внешнего по отношению к системе процесса[32];
  • статическое состояние метастабильного равновесия, когда при малом внешнем воздействии система ведёт себя как находящаяся в термодинамическом равновесии (система устойчива по отношению к бесконечно малым воздействиям: каждое такое воздействие вызывает бесконечно малое изменение состояния, а при устранении этого воздействия система возвращается в исходное состояние), тогда как при внешнем воздействии, превысившем некоторую граничную величину, система уже не возвращается в исходное состояние, а переходит либо в более устойчивое метастабильное состояние, либо в состояние термодинамического равновесия; термодинамические условия стабильности равновесия выполняются для малых виртуальных воздействий и не выполняются для воздействий, превышающих граничную для данной системы величину;
  • статическое состояние заторможенного равновесия в неравновесной системе, когда, например, в системе имеют место частные равновесия — механическое и термическое, — но нет химического равновесия из-за отсутствия подходящих условий для протекания ведущих к установлению равновесия химических реакций[33][34][35][36] (например, вследствие высокой вязкости твёрдых растворов[37]); такая неравновесная система де-факто ведёт себя как равновесная физическая система (то есть как система с меньшим числом термодинамических степеней свободы) до тех пор, пока внешним воздействием на неё при не будут инициированы упомянутые выше химические реакции[38]. Часто за термодинамическое равновесие принимают именно заторможенное равновесие в силу того, что релаксационные процессы, ведущие к термодинамическому равновесию, идут чрезвычайно медленно и потому незаметны, особенно если соответствующие им времена релаксации по порядку величины близки к возрасту Земли или даже превосходят его[39];
  • стационарное неравновесное состояние, в котором независимость термодинамических величин от времени обусловлена потоками энергии, вещества, импульса, электрического заряда и т. п.[31];
  • квазистатическое (квазиравновесное) состояние, в котором неизменность термодинамических величин во времени есть приближение, с достаточной для решения конкретной задачи точностью выполняющееся в течение отрезка времени, заданного по условиям рассматриваемой задачи.

Таким образом, в рамках классической термодинамики — исключая ситуацию, когда рассматриваются условия термодинамического равновесия и следствия из них — термины «равновесный», «квазиравновесный» и «квазистатический» эквивалентны и их, за исключением упомянутой выше ситуации, можно рассматривать как синонимы.

Из определения термодинамического равновесия следует, что любой процесс в системе, исходное состояние которой является равновесным, возможен только за счёт нарушения исходного равновесия и, следовательно, этот процесс ведёт к состоянию, уже не являющемуся равновесным. После окончания процесса система, будучи предоставлена самой себе, вновь приходит в состояние равновесия, характеристики которого отличны от характеристик исходного равновесного состояния. Рассмотрим бесконечно малый (инфинитезимальный) процесс отклонения системы от равновесного состояния, то есть процесс, ведущий к неравновесному состоянию, термодинамические характеристики которого бесконечно мало отличаются от характеристик исходного равновесного состояния. По истечении конечного промежутка времени, превышающего время релаксации для данной системы, конечное состояние системы станет равновесным и будет иметь характеристики, бесконечно мало отличающиеся от характеристик исходного состояния. Перейдём теперь от бесконечно малых процессов к рассмотрению процессов перехода между двумя произвольным образом выбираемыми равновесными состояниями. Будем рассматривать переход от начального к конечному состоянию системы как идеализированный бесконечно медленный процесс, состоящий из бесконечно большого числа бесконечно малых стадий и реализующий описанным выше образом непрерывную последовательность равновесных состояний. Такой квазиравновесный (квазистатический) процесс, для краткости часто называемый просто равновесным процессом, представляет собой широко применяемую в классической термодинамике модель реального процесса, позволяющую не включать время в формулы термодинамики[40]. Степень согласия результатов, получаемых посредством модели «равновесный процесс», с экспериментальными данными есть предмет отдельного рассмотрения, выходящего за рамки обсуждаемой здесь темы.

Многие авторы, не покушаясь на название «термодинамика» применительно к теории стационарных состояний и квазистатических процессов, отмечают, что только с возникновением феноменологической теории неравновесных процессов термодинамика становится настоящей «динамикой теплоты», тогда как до этого она представляла собой лишь термостатику[41][42][43][44][45][46]. В то же время на сегодняшний день отсутствует единообразие в понимании того, какое содержание следует вкладывать в термин «термостатика». В преамбуле приведены ссылки на работы авторов, считающих термины «классическая термодинамика», «равновесная термодинамика» и «термостатика» синонимами. Согласно В. П. Бурдакову классическая термодинамика пренебрегает зависимостью термодинамических величин от пространственных координат и времени, тогда как термостатика изучает стационарные термодинамические системы без учета времени, но с учетом координат[47], то есть представляет собой классическую термодинамику в локальной формулировке. Н. И. Белоконь рассматривает термостатику как составную часть классической термодинамики, не имеющую дела с термодинамическими неравенствами[48][49]. Ряд авторов считают недопустимым именовать классическую термодинамику термостатикой или термофизикой[50][51][52][53].

Примечания[править | править код]

  1. ↑ Физическая энциклопедия, т. 5, 1998, с. 87.
  2. ↑ Окатов М., Термостатика, 1871.
  3. ↑ Ван-дер-Ваальс И.Д., Констамм Ф., Курс термостатики, ч. 1, 1936, с. 12.
  4. ↑ Клейн М., Законы термодинамики.
  5. ↑ Арис С., Анализ процессов в химических реакторах, 1967.
  6. ↑ Страхович К. И., Основы феноменологической термодинамики, 1968, с. 5, 13.
  7. ↑ Трайбус М., Термостатика и термодинамика, 1970, с. 17.
  8. ↑ Залевски К., Феноменологическая и статистическая термодинамика, 1973, с. 71.
  9. ↑ Мюнстер А., Химическая термодинамика, 1971, с. 9.
  10. ↑ Радушкевич Л. В., Курс термодинамики, 1971, с. 4.
  11. ↑ Крестовников А. Н., Вигдорович В. Н., Химическая термодинамика, 1973, с. 7.
  12. ↑ Глазов В. М., Основы физической химии, 1981, с. 5.
  13. ↑ Бурдаков В. П., Основы неравновесной термодинамики, 1989, с. 30.
  14. ↑ Полторак О. М., Термодинамика в физической химии, 1991, с. 282.
  15. ↑ Бунге М., Философия физики, 2003, с. 177.
  16. ↑ Кокотов Ю. А., Химический потенциал, 2010.
  17. ↑ Булидорова Г. В. и др., Основы химической термодинамики, 2011, с. 196.
  18. ↑ Булидорова Г. В. и др., Физическая химия, 2012, с. 170.
  19. ↑ Зубович С. О. и др., Курс лекций. Физика, ч. 2. Термодинамика, 2012, с. 18.
  20. ↑ Зубович С. О. и др., Физика, ч. 3. Термодинамика, 2012, с. 14.
  21. ↑ Иванов А. Е., Иванов С. А., Механика. Молекулярная физика и термодинамика, 2012, с. 666.
  22. ↑ Фокин Б. С., Основы неравновесной термодинамики, 2013, с. 5.
  23. ↑ Принцип локального равновесия в классической неравновесной термодинамике является постулатом (Афанасьев Б. Н., Акулова Ю. П., Физическая химия, 2012, с. 449).
  24. ↑ Пригожин И., Введение в термодинамику необратимых процессов, 2001, с. 127.
  25. ↑ Булидорова Г. В. и др., Основы химической термодинамики, 2011, с. 206.
  26. ↑ Булидорова Г. В. и др., Физическая химия, 2012, с. 177.
  27. ↑ Журавлев В. А., Термодинамика необратимых процессов, 1998, с. 9.
  28. ↑ Дьярмати И., Неравновесная термодинамика, 1974, с. 111.
  29. ↑ Трусделл К., Первоначальный курс рациональной механики сплошных сред, 1975.
  30. ↑ Жилин П. А., Рациональная механика сплошных сред, 2012.
  31. ↑ 1 2 Термодинамика. Основные понятия. Терминология. Буквенные обозначения величин, 1984, с. 7.
  32. ↑ Аносов В. Я., Погодин С. А., Основные начала физико-химического анализа, 1947, с. 33.
  33. ↑ Воронин Г. Ф., Основы термодинамики, 1987, с. 152.
  34. ↑ Schottky W. u. a, Thermodynamik, 1973, p. 135.
  35. ↑ Зоммерфельд А., Термодинамика и статистическая физика, 1955, с. 54.
  36. ↑ Улих Г., Химическая термодинамика, 1933, с. 74—81.
  37. ↑ Карапетьянц М. Х., Химическая термодинамика, 2013, с. 15.
  38. ↑ Примеры заторможенных равновесий, в том числе механических и термических, приведены в книге И. Р. Кричевского (Кричевский И. Р., Понятия и основы термодинамики, 1970, с. 281). Примером системы с заторможенным химическим равновесием служит азото-водородная смесь, которую можно нагревать до больших температур и сжимать до высоких давлений без образования аммиака. Торможение, однако, можно устранить, если при высоких температурах привести эту смесь в соприкосновение с катализатором: произойдёт нестатический химический процесс и азото-водородная смесь превратится в азото-водородо-аммиачную. Понятие торможения для химической термодинамики оказалось настолько полезным, что иногда рассматривают виртуальные модели термодинамических систем, на которые мысленно наложены фиктивные торможения (подробнее см. статью Тепловой эффект химической реакции и с. 181—182 уже упоминавшейся книги И. Р. Кричевского). Если устранить торможение принципиально невозможно, то и говорить о нём бесполезно — представление о заторможенном равновесии теряет смысл и ценность.
  39. ↑ Сивухин Д. В., Общий курс физики, т. 2, 2005, с. 42.
  40. ↑ Каганович Б. М., Филиппов С. П., Равновесная термодинамика и математическое программирование, 1995, с. 22.
  41. ↑ Кудряшева Н. С., Бондарева Л. Г., Физическая и коллоидная химия, 2017, с. 118.
  42. ↑ Буданов В. В., Максимов А. И., Химическая термодинамика, 2016, с. 214.
  43. ↑ Новиков И. И., Термодинамика, 1984, с. 170.
  44. ↑ Гельфер Я. М., История и методология термодинамики и статистической физики, 1981, с. 235.
  45. ↑ Вукалович М. П., Новиков И. И., Термодинамика, 1972, с. 331.
  46. ↑ Семенченко В. К., Избранные главы теоретической физики, 1966, с. 58.
  47. ↑ Бурдаков В. П. и др., Термодинамика, ч. 1, 2009, с. 19.
  48. ↑ Белоконь Н. И., Термодинамика, 1954.
  49. ↑ Белоконь Н. И., Основные принципы термодинамики, 1968.
  50. ↑ Базаров И. П., Термодинамика, 2010, с. 10.
  51. ↑ Карякин Н. В., Основы химической термодинамики, 2003, с. 16.
  52. ↑ Путилов К. А., Термодинамика, 1971, с. 17.
  53. ↑ Герасимов Я. И. и др., Курс физической химии, т. 1, 1970, с. 36.

Литература[править | править код]

  • Schottky W., Ulich H., Wagner C. Thermodynamik. Die Lehre von den Kreisprozessen den physikalischen und chemischen Veränderungen und Gleichgewichten. Eine Hinführung zu den thermodynamischen Problemen unserer Kraft- und Stoffwirtschaft. — Berlin—Heidelberg—New York: Springer-Verlag, 1973. — xxv +619 p.
  • Аносов В. Я., Погодин С. А. Основные начала физико-химического анализа. — М.: Изд-во АН СССР, 1947. — 876 с.
  • Арис С. Анализ процессов в химических реакторах. — Л.: Химия, 1967. — 328 с.
  • Афанасьев Б. Н., Акулова Ю. П. Физическая химия. — 6-е изд. — СПб.—М.—Краснодар: Лань, 2012. — 464 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — ISBN 978-5-8114-1402-4.
  • Базаров И. П. Термодинамика. — 5-е изд. — СПб.—М.—Краснодар: Лань, 2010. — 384 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — ISBN 978-5-8114-1003-3.
  • Белоконь Н. И. Термодинамика. — М.: Госэнергоиздат, 1954. — 416 с.
  • Белоконь Н. И. Основные принципы термодинамики. — М.: Недра, 1968. — 112 с.
  • Буданов В. В., Максимов А. И. Химическая термодинамика. — 2-е изд., испр. — СПб.—М.—Краснодар: Лань, 2016. — 396 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — ISBN 978-5-8114-2271-5.
  • Булидорова Г. В., Галяметдинов Ю. Г., Ярошевская Х. М., Барабанов В. П. Основы химической термодинамики (к курсу физической химии). — Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2011. — 218 с. — ISBN 978-5-7882-1151-0.
  • Булидорова Г. В., Галяметдинов Ю. Г., Ярошевская Х. М., Барабанов В. П. Физическая химия. — Казань: Изд-во Казан. нац. исслед. технол. ун-та, 2012. — 396 с. — ISBN 978-5-7882-1367-5.
  • Бунге М. Философия физики. — 2-е изд., стереотип.. — М.: Едиториал УРСС, 2003. — 320 с. — ISBN 5-354-00439-X.
  • Бурдаков В. П. Основы неравновесной термодинамики. — М.: Изд-во МАИ, 1989. — 91 с.
  • Бурдаков В. П., Дзюбенко Б. В., Меснянкин С. Ю., Михайлова Т. В. Термодинамика. Часть 1. Основной курс. — М.: Дрофа, 2009. — 480 с. — (Высшее образование. Современный учебник). — ISBN 978-5-358-06031-9.
  • Ван-дер-Ваальс И.Д., Констамм Ф. Курс термостатики. Термические равновесия материальных систем. Часть I. Общая термостатика. — М.: ОНТИ — Главная редакция химической литературы, 1936. — 452 с.
  • Воронин Г. Ф. Основы термодинамики. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1987. — 192 с.
  • Вукалович М. П., Новиков И. И. Термодинамика. — М.: Машиностроение, 1972. — 671 с.
  • Гельфер Я. М. История и методология термодинамики и статистической физики. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1981. — 536 с.
  • Герасимов Я. И., Древинг В. П., Еремин Е. Н. и др. Курс физической химии / Под общ. ред. Я. И. Герасимова. — 2-е изд., испр. — М.: Химия, 1970. — Т. I. — 592 с.
  • Глазов В. М. Основы физической химии. — М.: Высшая школа, 1981. — 456 с.
  • Дьярмати И. Неравновесная термодинамика. Теория поля и вариационные принципы. — М.: Мир, 1974. — 304 с.
  • Жилин П. А. Рациональная механика сплошных сред. — 2-е изд. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. — 584 с. — ISBN 978-5-7422-3248-3.
  • Журавлев В. А. Термодинамика необратимых процессов в задачах и решениях. — Ижевск: Удмуртский университет, 1998. — 150 с. — ISBN 5-7029-0292-0.
  • Залевски К. Феноменологическая и статистическая термодинамика: Краткий курс лекций / Пер. с польск. под. ред. Л. А. Серафимова. — М.: Мир, 1973. — 168 с.
  • Зоммерфельд А. Термодинамика и статистическая физика / Пер. с нем. — М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1955. — 480 с.
  • Зубович С. О., Суркаев А. Л., Камнева Е. А. Курс лекций. Физика. Часть II. Термодинамика / Пер. с англ. под ред. В. Г. Морозова. — Волгоград: ВолгГТУ, 2012. — 109 с. — ISBN 978-5-9948-0895-5.
  • Зубович С. О., Суркаев А. Л., Камнева Е. А., Синьков А. В. Физика. Часть III. Термодинамика. — Волгоград: ВолгГТУ, 2012. — 109 с. — ISBN 978-5-9948-0895-5.
  • Иванов А. Е., Иванов С. А. Механика. Молекулярная физика и термодинамика. — М.: Кнорус, 2012. — 950 с. — ISBN 978-5-406-00525-5.
  • Каганович Б. М., Филиппов С. П. Равновесная термодинамика и математическое программирование. — Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995. — 236 с. — ISBN 5-02−030848−X.
  • Карапетьянц М. Х. Химическая термодинамика. — М.: Либроком, 2013. — 584 с. — ISBN 978-5-397-03700-6.
  • Карякин Н. В. Основы химической термодинамики. — М.: Академия, 2003. — 463 с. — (Высшее профессиональное образование). — ISBN 5-7695-1596-1.
  • Клейн М. Законы термодинамики // Термодинамика необратимых процессов. Лекции в летней международной школе физики им. Энрико Ферми. — М.: ИЛ, 1962. — 427 с. — С. 12—35.
  • Кокотов Ю. А. Химический потенциал. — СПб.: Нестор-История, 2010. — 412 с. — ISBN 978-5-98187-668-4.
  • Крестовников А. Н., Вигдорович В. Н. Химическая термодинамика. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Металлургия, 1973. — 256 с.
  • Кудряшева Н. С., Бондарева Л. Г. Физическая и коллоидная химия. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Юрайт, 2017. — 380 с. — (Бакалавр. Прикладной курс). — ISBN 978-5-534-01087-9.
  • Мюнстер А. Химическая термодинамика / Пер. с нем. под. ред. чл.-корр. АН СССР Я. И. Герасимова. — М.: Мир, 1971. — 296 с.
  • Новиков И. И. Термодинамика. — М.: Машиностроение, 1984. — 592 с.
  • Окатов М. Термостатика. Первая часть механической теории теплоты. — СПб.: Типография императорской академии наук, 1871. — 176 с.
  • Полторак О. М. Термодинамика в физической химии. — М.: Высшая школа, 1991. — 320 с. — ISBN 5-06-002041-X.
  • Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов / Пер. с англ. — М.: Регулярная и хаотическая динамика, 2001. — 160 с. — ISBN 5-93972-036-6.
  • Путилов К. А. Термодинамика / Отв. ред. М. Х. Карапетьянц. — М.: Наука, 1971. — 376 с.
  • Радушкевич Л. В. Курс термодинамики. — М.: Просвещение, 1971. — 288 с.
  • Семенченко В. К. Избранные главы теоретической физики. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Просвещение, 1966. — 396 с.
  • Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 5-е изд., испр. — М.: Физматлит, 2005. — 544 с. — ISBN 5-9221-0601-5.
  • Страхович К. И. Основы феноменологической термодинамики. — Рига: Риж. политехн. ин-т, 1968. — 118 с.
  • Термодинамика. Основные понятия. Терминология. Буквенные обозначения величин / Отв. ред. И. И. Новиков. — АН СССР. Комитет научно-технической терминологии. Сборник определений. Вып. 103. — М.: Наука, 1984. — 40 с.
  • Трайбус М. Термостатика и термодинамика / Пер. с англ. под ред. А. В. Лыкова. — М.: Энергия, 1970. — 504 с.
  • Трусделл К. Первоначальный курс рациональной механики сплошных сред / Пер. с англ. под. ред. П. А. Жилина и А. И. Лурье. — М.: Мир, 1975. — 592 с.
  • Улих Г. Химическая термодинамика. Введение в учение о химическом сродстве и равновесиях. — Л.: Химтехиздат, 1933. — xii + 304 с.
  • Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — Т. 5. — 760 с. — ISBN 5-85270-101-7.
  • Фокин Б. С. Основы неравновесной термодинамики. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. — 214 с. — ISBN 978-5-7422-3724-2.
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Термостатика&oldid=109116201