1.3. Основные положения термодинамики необратимых процессов

В технологии производства электронных вычислительных средств широко используются такие физические процессы, как движение газа (жидкости) в технологическом реакторе при наличии в нем разности давления, передача теплоты от участка системы с более высокой температурой к участку с меньшим ее значением, передача компонента (диффузия) из области с более высокой его концентрацией в область с более низкой концентрацией, передача электрического заряда от точки с большим потенциалом к точке с более низким потенциалом и другие аналогичные процессы. Все они характеризуются наличием потока «субстанции» и протекают лишь в строго определенном направлении: от места с более высоким значением интенсивного свойства в сторону меньшего его значения. Эта группа процессов получила название необратимых процессов. Изучением таких процессов занимается термодинамика неравновесных процессов (термодинамика необратимых процессов).

Задачей термодинамики необратимых процессов является изучение феноменологических законов необратимых процессов, при котором не вдаются в обсуждение внутренних механизмов этих процессов.

Для описания этих процессов используют феноменологические зависимости, устанавливающие связь между плотностью потока свойства, разностью значений интенсивного параметра и сопротивлением протеканию процесса (законы Фурье, Фика, Ома и другие). Во всех случаях характер зависимостей совершенно идентичен: j = /R, где- разность значений интенсивного параметра (движущая сила процесса);R– сопротивление процессу.

Локальное равновесие и основное уравнение термодинамики неравновесных процессов

В термодинамически равновесных системах, как известно, температура Т и химический потенциал  постоянны вдоль всей системы:

Если эти условия не выполняются, в системе возникают необратимые процессы переноса массы, энергии, электрического заряда и т.д.

При обобщении классической термодинамики на неравновесные процессы исходят из представления о локальном равновесии. Известно, что время релаксации растет с увеличением размеров системы, так что отдельные макроскопически малые части системы приходят сами по себе в равновесное состояние значительно раньше, чем устанавливается равновесие между этими частями. Поэтому в неравновесной термодинамике принимают, что, хотя в целом состояние неравновесно, отдельные ее малые части равновесны (точнее, квазиравновесны), но имеют термодинамические параметры, медленно меняющиеся во времени и от точки к точке.

Размеры этих физически малых равновесных частей и времена изменения термодинамических параметров в них определяются экспериментально. Обычно принимается, что физически элементарный объем h³, с одной стороны, содержит большое число частиц (v_o << h³, v_o– объем на одну частицу), а, с другой стороны, неоднородности макроскопических параметрова_i(r)на длинеhмалы по сравнению с величиной этих параметров:

. (1.20)

Время изменения термодинамических параметров в физически малых равновесных частях намного больше времени_iрелаксации в них и намного меньше времени_L, за которое устанавливается равновесие во всей системе:

_i <<<< _L. (1.21)

В условиях, когда допустимо представление о локальном равновесии (1.20), (1.21), можно построить последовательную феноменологическую термодинамику необратимых процессов. Состояние неравновесной системы при этом характеризуется локальными термодинамическими потенциалами, которые зависят от пространственных координат и времени только через характеристические термодинамические параметры, для которых справедливы уравнения термодинамики. Так, если в качестве характеристических переменных выбраны локальная плотность внутренней энергии e(r,t),удельный объемv(r,t) (v = ^-1, - локальная плотность массы среды) и локальные концентрацииc_i(r,t)различных компонентов, то состояние физически элементарного объема в окрестности точкиrв момент времениtописывается локальной энтропиейs = s[(e(r,t), v(r,t), c₁(r,t), . . . , c_n(r,t)],определяемой уравнением Гиббса:

. (1.22)

Объединяющее первое и второе начала термодинамики уравнение (1.22) для удельных (по массе) локальных величин является основным уравнением неравновесной термодинамики.