Равновесные и неравновесные состояния

Классификация и характеристики термодинамических систем

Под термодинамической системой подразумевается макроскопическое тело, заключенное в некотором ограниченном пространстве и способное обмениваться с внешней средой и между внутренними частями веществом и энергией.

Термодинамические системы по характеру обмена с окружающей средой подразделяются на изолированные, закрытые и открытые.

Изолированными называют системы, которые не обмениваются с внешней средой ни массой, ни энергией. Таких систем вприроде не существует, поэтому под изолированными подразумевают системы, обменом которых с окружающей средой веществом и энергией можно пренебречь в рамках данной задачи.

Закрытыми называют системы, обменивающиеся внешней средой энергией, но не массой.

Открытые системы обмениваются с внешней средой и энергией и массой.

Классическая термодинамика занимается описанием изолированных и закрытых систем. Теория открытых систем (неравновесная термодинамика) начала разрабатываться с 30-х годов прошлого века.

Параметры термодинамических систем

Для того чтобы дать термодинамическое описание системы используются параметры системы. Параметры системы – это физические величины, которые служат для характеристики состояния системы. Параметры делятся на категории. Одни из них являются экстенсивными, другие интенсивными. Экстенсивные параметры характеризуют систему как целое, например, масса и объем. Далее мы встретимся другими экстенсивными характеристиками. Основное свойство экстенсивных параметров — их аддитивность. Например, масса системы равна сумме масс ее отдельных частей. Интенсивные параметры носят силовой характер (давление, температура, концентрация, внутренняя энергия, энтропия и др.) и могут приобретать разные значения в различных точках системы. Любой вид затрачиваемой на совершение работы энергии выражается через произведение интенсивного (силового) параметра на экстенсивный.

Равновесные и неравновесные состояния

Равновесным является такое состояние изолированной темы, в которое она приходит по истечении достаточно большого промежутка времени. Это время, называемое временем релаксации, зависит от природы тела, от характера взаимодействия частиц в системе, а также от исходного неравновесного состояния. После истечения времени релаксации параметры изолированной системы принимают постоянные значения и в дальнейшем не изменяются. Интенсивные параметры принимают одинаковые значения во всех частях системы. Поэтому равновесное состояние полностью описывается определенным набором параметров системы, экстенсивных и интенсивных. Связь между параметрами состояния называется уравнением состояния. Например, уравнение равновесного состояния идеального газа связывает между собой температуру, давление (интенсивные характеристики), объем и массу (экстенсивные характеристики).

Неравновесным называется такое состояние изолированной системы, при котором интенсивные параметры системы имеют различные значения в ее различных частях, вследствие чего в ней протекают процессы, направленные на выравнивание значений этих параметров во всех точках системы и на установление равновесного состояния.

Стационарное состояние – состояние системы, при котором значения параметров системы изменяются с постоянной скоростью. Отличие стационарного состояния от равновесного заключается в том, что в этом состоянии макроскопические процессы не прекращаются, как в случае равновесного состояния, а идут с постоянной скоростью. Входной поток энергии и вещества равен выходному потоку.