Cтраница 1
Термодинамика равновесных процессов, по существу, рассматривает макроскопическое поведение систем, в которых протекают процессы перехода между различными состояниями устойчивого равновесия, в то время как система может взаимодействовать с окружающими ее телами путем обмена энергией. Не учитывая конкретную природу вещества и квантование энергии, термодинамика рассматривает вещество, образующее данную систему, как некий континуум. Учет строения вещества и квантовых эффектов составляет предмет статистической термодинамики, позволяющей предсказывать макроскопическое поведение системы путем анализа событий, происходящих на микроскопическом уровне. Таким образом, термодинамика равновесных процессов, которой посвящена настоящая книга, по существу, сводится к изучению связи между работой, теплом и свойствами системы. Поэтому термодинамика исключительно важна для инженеров и в особенности для специалистов в области преобразования энергии. Ведь инженер должен не только определить совокупность рабочих характеристик своего производящего или потребляющего работу устройства, но и установить критерии, которые позволили бы судить о его истинных характеристиках. Именно термодинамика является той нау-кой которая позволяет достичь этой цели на некоторой рациональной основе. [1]
Термодинамика равновесных процессов изучает законы устойчивых состояний и применяется к системам, находящимся либо в равновесии, либо близко к нему. Она рассматривает только начальное и конечное состояние системы и не описывает протекание процессов во времени. Химическая термодинамика изучает равновесие химических реакций, фазовые переходы и фазовые состояния, определяет, насколько полно протекает реакция, предвидит возможность осуществления той или иной реакции и предсказывает количество того или иного вещества в реагирующей смеси при достижении равновесия. Однако химическая термодинамика не может установить, как скоро оно наступит, так как это зависит от свойств компонентов. [2]
Термодинамика равновесных процессов - давно сложившаяся наука, и число монографий и учебных руководств, посвященных этому предмету, чрезвычайно велико. Казалось бы, уже должны были устояться и логика, и даже стиль изложения, и тем не менее на книжный рынок непрерывно поступают новые работы, среди которых есть такие, которые заставляют по-иному взглянуть на совершенное здание термодинамики. [3]
Хейвуда Термодинамика равновесных процессов существенно отличается от предыдущей. Если в Анализе циклов в технической термодинамике автор сразу обращается к анализу конкретных систем, а вопросы чистой теории кратко обсуждаются только в приложениях, то в предлагаемой книге эта последовательность обращена и на первый план выходят теоретические принципы. Фейн-ман, желал построить наилучшую и наиболее экономичную машину, и продолжает: Это один из немногих замечательных случаев, когда инженер заложил основы физической теории. В Термодинамике равновесных процессов Р. У. Хейвуда логика аксиоматических построений и доказательства теорем сочетаются с анализом действия конкретных тепловых машин. Такое органическое сочетание абстракции с инженерным расчетом, пожалуй, уникально в современной научной литературе. [4]
Излагая термодинамику равновесных процессов, мы отказались от этого пути и предпочли ( разд. [5]
При необратимых процессах методы термодинамики равновесных процессов приводят только к энергетическим соотношениям ( в основном в виде неравенств), характеризующим различие в работе, производимой термодинамической системой в данных условиях при обратимом и необратимом переходах из одного состояния в другое ( в том случае, когда начальное и конечное состояния системы заданы); в некоторых частных задачах, например при адиабатическом процессе, удается, кроме того, вычислить и работу процесса. [6]
Таким образом, когда в термодинамике равновесных процессов говорится о циклическом процессе, имеется в виду процесс, который начинается и заканчивается в одном и том же устойчивом состоянии системы. В большинстве руководств по термодинамике невозможно найти указание на это важное обстоятельство. [7]
Наиболее важным из последних достижений в области термодинамики равновесных процессов является подход Хацопулоса и Кинана [1], основанный на единственной аксиоме. Этот подход позволил показать, что считавшиеся ранее в корне различными законы термодинамики логически следуют из единственного фундаментального закона устойчивого равновесия. Другое важнейшее достижение связано с проблемой термодинамической доступности энергии и понятием об эксергии. Проблема термодинамической доступности сводится к решению вопроса о том, в какой мере энергия доступна для производства работы. В последнее время значение этого вопроса резко увеличивается в связи с поясками путей экономии энергии. [8]
Термодинамика неравновесного процесса должна в пределе переходить в термодинамику равновесного процесса. Применительно к явлению адсорбции это означает, что существует связь между кинетикой адсорбции на данном адсорбенте и изотермой адсорбции. [9]
В настоящей и двух последующих главах излагается самостоятельная область термодинамики равновесных процессов, причем слово доступность используется для обозначения доступности энергии для совершения работы. Тем не менее сам предмет гораздо шире, поскольку здесь рассматриваются как совершающие, так и потребляющие работу устройства и установки, а также изучается обусловленная необратимостью потеря работы. Отметим также, что в данной книге термины доступность и необратимость применяются для обозначения определенных понятий, в то время как в некоторых других книгах под ними подразумеваются определенные физические величины. Позднее мы встретимся с этими величинами, хотя и под другими названиями. [10]
В данной главе с целью подготовки к дальнейшему развитию теорем термодинамики равновесных процессов были даны определения двух чрезвычайно важных понятий: необратимости естественных процессов и обратимости идеальных термотопических процессов. Именно с помощью процессов последнего типа позднее мы сможем установить критерии совершенства реальных устройств, производящих и потребляющих работу. [11]
В то же время, если для изложения понятий и теорем термодинамики равновесных процессов в рамках нециклического подхода воспользоваться методом Хацопулоса и Кинана, основанным на единственной аксиоме, указанные важные теоремы о термодинамической доступности энергии возникают раньше и занимают более естественное место в последовательности основных идей. Кроме того, вся совокупность идей укладывается в более логическую схему, которую мы и постараемся представить в этой книге. [12]
В синергетике, связанной с самоорганизацией структур в неравновесных условиях, также как и в классической ( феноменологической) термодинамике равновесных процессов, понятие энтропии занимает ключевое положение, но трудно усваивается студентами. [13]
Но для выяснения многих физических причин чрезмерных затрат энергии, в том числе и на создание самого объекта, необходимо привлечь те самые понятия, которых не было в термодинамике равновесных процессов и которые мы обсуждали в гл. [14]
В заключение этого краткого введения в термодинамику необратимых процессов следует указать, что она не дает никаких сведений относительно величины коэффициентов Lik в уравнении ( 19 - 1), так же как термодинамика равновесных процессов не дает сведений о величине химических потенциалов и подобных им термодинамических переменных. Чтобы рассчитать их, используют специальные механические модели ( например, те, которые были применены в разделе 12 для вычисления химических потенциалов), и именно это является основным содержанием данной главы. Ценность такого общего подхода в том, что он дает критерий применимости тех или иных механических теорий. Если эти теории не совместимы с уравнением ( 19 - 1), то они не верны. [15]