8. Неравновесные термодинамические системы

8.1 Неупорядоченность макросистем. Макросистемы вдали от

равновесия

Большинство макросистем находится в неупорядоченном состоянии. Несмотря на неупорядоченность макросистем, их состояние можно описывать, выделив общие явления, присущие таким системам, подобрав соответствующие модели и даже теории. Описание неупорядоченных макросистем возможно на основании анализа беспорядка. Интересна классификация моделей беспорядка, приведённая профессором Бристольского университета (Англия) Дж. Займаном [13].

Ячеистый беспорядок – это беспорядок, наблюдаемый в ячеистых структурах, беспорядок замещения.

Топологический беспорядок – нарушения в расположении структурных элементов системы.

Континуальный беспорядок используется при построении феноменологических теорий, когда пренебрегают структурой вещества. Система при таком беспорядке рассматривается как непрерывная среда с локальными изменениями её свойств, например, плотности, упругости, диэлектрической проницаемости, коэффициента отражения и т.п., вызванными макроскопическими процессами, например, распространением звука, света, радиоволн.

Каждый из указанных типов беспорядка можно детализировать, учитывая его проявления.

К топологическому беспорядку Займан относит беспорядок характерный для газов, жидкостей, твёрдых тел.

Макроскопические системы могут находиться в равновесном и неравновесном состояниях, быть линейными и нелинейными. Если обратиться в качестве примера к термодинамике, то её можно разделить на три области, изучение которых соответствует трём последовательным этапам в развитии термодинамики.

Важными характеристиками термодинамики неравновесных процессов являются производство энтропии и плотность производства энтропии - производство энтропии единицы объёма. Они показывают скорость изменения энтропии и, по сути, равны потоку энтропии. Кроме потока энтропии, можно рассматривать в качестве характеристики неравновесных процессов и потоки других величин (массы, импульса, энергии). В дальнейшем будем обозначать поток некоторой величины через I .Эти потоки вызваны наличием градиентов некоторых величин.

В равновесной области производство энтропии , потоки и градиенты величин равны нулю.

В слабо неравновесной области, где градиенты величин малы, потоки линейно зависят от сил, вызывающих их. Можно записать , где L – коэффициент пропорциональности, а Х – градиент некоторой величины, вызывающий поток, являющийся «движущей силой» [4] потока.

Третья область называется сильно неравновесной или нелинейной, потому, что в ней потоки являются более сложными функциями градиентов.

Наиболее изученной является равновесная термодинамика. Наименее исследованной и наиболее трудной для описания является сильно неравновесная нелинейная термодинамика. Слабо неравновесная термодинамика использует многие величины и понятия, характерные для равновесной термодинамики, однако, имеет свои особенности и закономерности.