Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Общая термодинамика.-1

.pdf
Скачиваний:
1
Добавлен:
20.11.2023
Размер:
16.76 Mб
Скачать

4.2. Для реальных однопараметрических систем уравнение рав­ новесного состояния имеет более сложный вид. Так, при более точ­ ном описании явления вместо формулы Бойля (4.3) используют уравнение Ван-дер-Ваальса; для описания теплофизических явлений, в частности температурной функции теплоемкости с (Т), пользуют­ ся вириальными уравнениями состояния или полностью эмпириче­ скими полиномами.

Пользуясь принципом аналогий, возможно вместо (4.5) приме­

нить уравнение

 

(х - у ) O' - Vм ) = const,

(4.7)

где 1ГХУ v\ v%%—- константы.

Вириальные квантерные уравнения состояния, как, в частности, функции температуры, будут

(4.8)

(4.9)

где kXi kVy В”, Вх — константы.

4.3. Графически уравнение равновесного состояния для идеаль­ ной однопараметрической системы в координатах 77, - Х\ представ­ ляется гиперболой. Для реальных систем вид функции 77,(Л7) слож­ нее (см. с. 341), что, в частности, было установлено на зависимостях вязкости (термодинамической) от градиента скорости и теплоемкос­ ти (вращательная компонента) от температуры. Такой же вид име­ ет и функция Ili(Xi), что было показано на зависимости энергии межчастичного взаимодействия, в частности межатомного, от рас­ стояния между частицами. Объяснение подобия (и отличия) графи­ ческого изображения этих функций и его интерпретации будет дано ниже.

График функции \(v) пока не приводили. Из общих термодина­ мических соображений он может быть подобен.

4.4. Из (4.1в) и (4.5) полное дифференциальное уравнение состоя­

ния для термодинамической квантерной системы будет

 

dU = dUx + dUv = vdx + \d v y

(4.10)

где dUx, dUv — изменение внутренней энергии системы за счет из­ менения квантера и частоты соответственно. Знак «минус» указыва­ ет на то, что, как условно принято в термодинамике, внешние тела совершают работу против системы (тот же знак принят и для дру­ гих механических работ, в частности за счет расширения газа). Иными словами, знак «минус» указывает на то, что для возбужде­ ния колебаний необходим некоторый внешний фактор.

Частные формы уравнения состояния (4.10) будут при U, х> v = const. Физический смысл ситуаций, отражаемых этими частны­ ми формами, нетрудно представить.

4.5. Говоря об уравнении состояния, в термодинамике обычно имеют в виду, что в качестве обобщенного экстенсивного парамет­ ра выступает энергия. Но это лишь один вид уравнения состояния. Другой вид уравнения состояния представим, взяв в качестве обо­ бщенного экстенсивного параметра количество движения. Тогда в дополнение к (4.10), с учетом (2.18), при том же экстенсивном пара­ метре получим уравнение состояния

dq = (xq d x + xdotq = dqx + dqa\ щ =

(4.11)

 

ox

частные формы которого при q, х» « = const также представить не­ трудно.

4.6. Сопоставить уравнения состояния (4.10) и (4.11) возможно, если приняв во внимание (2.15), учесть, что при и = const

dU= udq.

(4.12)

Подставив в (4.12) значение dq из (4.11), получаем

dU = UOLqdx + UxdoLq.

(4.13)

4.7. При самопроизвольном переходе однопараметрической сис­ темы из одного равновесного состояния 1 в другое равновесное же 2 должен быть выигрыш энергии, или в самом общем случае, учи­ тывая (2.7), обобщенного экстенсивного параметра /7/. Переход мо­ жет осуществляться в двух условиях. Первое, согласно уравнению*

- d lT = dUi - dU\ = X 2d n 2 - X xd n u

(4.14)

* Здесь (подобное будет практиковаться и ниже), чтобы не перегружать текст, нижний индекс «/» опущен, но его следует учитывать при переходе к конкретным параметрам.

при условии dIJ2 = dll\ = dlJ

dlT = d n (X 2 - Xi) = - AX d n ^ 0.

(4.15)

В этом случае граничные условия — интервал изменения значений относительного энергетического параметра — будут

t d U l^ X г

(4.16)

> d m " * 1'

Второе условие имеет место согласно

dU" = dUY - dlTx = ThdXi - n tdX2 < 0.

(4.17)

При условии dXi = dX2 = dX, когда

- dU" = dX(Th - Th) = - An d X < 0,

(4.18)

граничные условия относительного изменения энергетического па­ раметра будут

 

 

dUT

(4.19)

 

1

^ dUY

 

 

Уравнение

(4.19)

для колебательной системы,

когда

Пг - П2 з = А,

запишем

как

 

 

 

* " 1Л-

<4'20)

4.8. Эффективность перехода колебательной системы из состоя­ ния 1 в состояние 2, согласно (4.14), оценим коэффициентом полез­ ного действия

= dLr = 1 _ dLr2 - 1 - Vldxi

(4.21)

Щ dm dU\~ Vldxi’

а согласно (4.17), как

_

dLT- _

dUT _

_ xidv2

(4.22)

1,2

dm*

dm*

xidvi

 

4.9. Рассмотрим частный случай однопараметрической, /-го рода термодинамической системы, определяемой несколькими — для конкретности двумя — /-го рода параметрами Х ц , Хц, П ц , П ц . Следовательно, в /-го рода системе различимы 1-я и 2-я фазы (этот термин принят в опосредованном смысле понятия «фаза» как раз­ личные объекты одного — /-го рода). Итак, для / рода двухфазной

системы уравнения состояния запишем как

 

dUa = X ndtln + X n d fla ,

(4.23)

dUin = IJndXii + Ila d X a .

(4,24)

Положим, в колебательной системе можно определить две фазы — колебания с двумя частотами или квантерами. Тогда, кон­

кретизируя (4.23) и

(4.24),

можно

записать

 

 

 

dUv = v\d\\ +

V2 dx2 ,

(4.25)

 

 

dUx = xidvi + xidvi-

 

(4.26)

Для

квантерно-замкнутой

(dU = 0)

системы

тождественных

квантеров из (4.26)

получаем

 

 

 

 

 

 

XIdvi + xidv2 = 0,

 

(4.27)

откуда,

интегрируя,

всегда

при xi ш Х2 = х

 

 

 

v\

-

vi,о - V2

 

(4.28)

или

 

 

 

 

 

 

(4*29)

что можно считать термодинамическим выражением эмпирического правила Стокса, которое сформулируем следующим образом: энер­ гия светового (элементарного) возникающего квантера (с частотой V2 ) не может быть больше энергии поглощенного Pi.o-квантера. Действительно, равенство (4.28) и неравенство (4.29) нельзя считать обратимыми, ибо по смыслу при V2 = 0, т. е. когда новой х~Фззы не возникает, есть только «собственная» х-Ф&за, уже содержащая (поглотившая когда-то ранее) квантеры с частотой vi,o. Последние же могут возникать (излучаться) полностью (при и,о = ^2) или ча­ стично. Уравнения (4.23)—(4.28) Трактуются, как то положено в термодинамике, как отражающие макроскопические явления. Одна­ ко в свете ранее сказанного эти положения можно распространить

ина единичные (тождественные) элементы, составляющие систему.

5.Равновесное состояние

многопараметрической системы

5.1. Для многопараметрической термодинамической системы уравнение равновесного состояния в неявной форме будет

Д Х и П и Х 2, Я2, Х п, Пп) - 0.

(5.1)

В явной обобщенной форме его можно записать как

dfli = 277,,. = J]X indI7in.

пп

Конкретное уравнение равновесного состояния многопараметриче­ ской системы выражает закон сохранения энергии — первое начало термодинамики:

dU = - pdv - Fxdx - qdu - £du* - vd\ + TdS + fidm + ads +.Ede. (5.3)

5.2. Первое начало термодинамики (5.3) есть ка.. общее термо­ динамическое уравнение, так и уравнение квантерной термодинами­ ки, ибо оно содержит член vdx, который можно называть квантерным членом. Решить это уравнение невозможно, как невозможно проследить вклад в /-го рода термодинамическое явление всех сразу других явлений. Поэтому в теории и, конечно, на практике опериру­ ют двучленными уравнениями, выражающими взаимосвязь /-х и у-х термодинамических явлений в двупараметрической системе:

Ш = XidTh + XjdTlj.

(5.4)

В изолированной по /, у-м явлениям термодинамической системе, т. е. при d ll = О,

XidTIi + XjdTlj = 0,

(5.5)

где 77, и 77/ — независимые переменные.

 

Сделав над (5.4) преобразование

Лежандра, получаем

 

d l f x = - ThdXi -

TljdXj,

(5.6)

откуда для изолированной по /, у-м явлениям системы при dTIх = О

IJidXi + TljdXj = 0.

(5.7)

От (5.5) и (5.7) пара локальных уравнений состояния в двупара­ метрической (принимая назначение нижних индексов как / = 1, У= 2) изолированной по обобщенному экстенсивному параметру системе будет

= ( щ ) * " 1 + (' Щ

х , (5.8)

^ * ^ __ J3

п

(В Х Л

\а я 1 /я 2d n ' + { b n i ) n d n i’

 

и

( М Л

 

\dThJrh т + ( т ) п . Ш г-

(5.9)

Так, для локальной равновесной системы, определяемой уравне­ нием состояния в неявной форме,

II

colc^ci

1. *

+

( ! V " >

 

 

 

 

) / -

+

у . " " '

а также

* - ( Е ) . * + ( £ ) , * •

И * ) / х + У л

(5.10)

(5.11)

5.3. Подобным образом из общего уравнения состояния (5.3) можно получить конкретные двучленные уравнения состояния вида (5.4) и (5.6) и из них для изолированных термодинамических систем пары локальных уравнений состояния подобные (5.8) и (5.9). Их выбор определяется задачей термодинамического исследования рав­ новесной двупараметрической системы.

5.4. Применительно к двупараметрической /, у-системе запишем уравнение состояния как

dU = dTfi + dHj = XidTIi + Xjdllj.

(5.12)

Используя однопараметрические уравнения состояния, можно запи­ сать систему уравнений

Tli = X in t\ rij = XjUj.

(5.13)

Если возможны только /, у-взаимопревращения, то

 

dTh + dTIj = 0,

(5.14)

а также

 

XidTIi + XjdTIj = 0.

(5.15)

Интегрируя (5.15), получаем

XiTh ± XjTIj = const.

В случае равенства постоянной интегрирования нулю

XiTh + XjTIj = 0.

(5.17)

Сопоставление (5.14) и (5.17) дает два приведенных уравнения состояния в двупараметрической системе:

dlh _ dFIj

(5.18)

dUi _ dHj

(5.19)

JcJITj ~ ~xjh'

Уравнение (5.18) характеризует как бы «симметричное», а (5.19) — «асимметричное» равновесные взаимоотношения в термо­ динамической системе. Асимметричность имеет место, например, в подэкспоненте уравнения Аррениуса

Ei_

(5.20)

КГ'

Ведь Ei есть по определению энергия активации некоторого химиче­ ского явления, а в знаменателе, согласно (5.19), отражен вклад хотя и сопряженного по (5.12), но все же иного — теплового явления. В соответствии с (5.19) ничто не мешает записать вместо (5.20), на­ пример,

Ei_

(5.21)

hv'

Весь вопрос состоит в соопределении в (5.21) Ei и hv; вопрос разрешает постановка задачи. _

Из (5.19) можно принять 77/ = q; тогда вместо (5.21) полу­ чаем — см. также (2.18) — импульсное (количества движения) соот­ ношение квантерной термодинамики

Q x = тих = р

(5.22)

позволяющее при х - Л, их = со получить для, например, электрона массой т = тэ так называемую комптоновскую длину волны X* = h/m3c0 = 2.426 • 10"12 м.

тивации некоторого колебательного явления. Но (5.29) получено из термодинамического уравнения состояния (5.15), а термодинамиче­ ские равновесные явления не требуют какой-либо активации. Поэ­ тому Ux в термодинамическом уравнении (5.29) есть по (4.2) энер­ гия происходящего при Т = const для данного структурного уровня) явления ассоциации квантеров.

Термодинамический метод позволяет из (5.12), сделав соответ­ ствующее преобразование Лежандра, по аналогии с (5.25) получить

Xi = Xioexp ( —77//TljXj).

(5.30)

Для квантерной термодинамики это уравнение, в частности,

представляется в виде

 

v = !>оехр(- UX/KT).

(5.31)

Из сопоставления (5.28) и (5.29) с (5.25) и (5.27) становится очевид­ ным, что в (5.31), как требует термодинамическая теория, подэкспоненцйальные члены соответственно тождественны.

5.6. Взяв отношение параметров состояния в двух независимых /, у-однопараметрических системах, из (5.13) имеем

XiTIi

Hi

(5.32)

— — = = = const,

Л/Д/

rij

 

где, в случае соблюдения закона сохранения и эквивалентного пре­ вращения в двупараметрических /, у-системах (5.4) всегда спра­ ведливо

const = 1.

(5.33)

Вслучае, если это^равенство не соблюдается, и, положим, для

определенности /7, > 77/, то можно представить, что

77 = Д/ + 77*.

(5.34)

Следовательно, несоблюдение в (5.32) равенства (5.33) указывает на то, что, во-первых, кроме /, у-явлений в состояние данной термо­ динамической системы (5.2) вносит вклад еще и k-е явление. В дей­ ствительности тогда система является не дву-, а трехпараметриче­ ской и лишь по условиям конкретного опыта к-е явление учесть невозможно. Ситуация несоблюдения (5.33) может, во-вторых, иметь место, когда термодинамическая система следует не закону (5.14), а (5.12), т. е. она не закрытая, а открытая. Эти положения следует учитывать, в частности, при трактовке подэкспоненциаль­ ных членов в (5.25), (5.27), (5.28), (5.30) и (5.31).

Наконец, несоблюдение (5.33) возможно при условии независи­ мости явлений /-го и у-го рода. Тогда

const = 0.

(5.35)

Этот случай тривиален.

 

Рассмотрим закон затухания частоты с расстоянием

 

v = ^оехр(-Лхх:).

(5.36)

Этот закон можно представить как термодинамический (5.31), если учитывать в соответствии с (5.17), что UF = Fxx. Тогда коэффици­ ент затухания

XV

указывает на степень ослабления, можно условно сказать — рассея­ ния энергии с расстоянием. Это рассеяние, которое условно выра­ жается, согласно (5.34), /7*:-параметром, обусловливает несоблюде­ ние (5.33) при понятном несоблюдении (5.35).

6. Внутрисистемные взаимодействия (соотношения Максвелла)

6.1. Внутрисистемными, как следует из названия, являются, те взаимодействия, которые происходят внутри одно-, дву- и многопа­ раметрических систем. Выделение внутрисистемных взаимодейст­ вий подразумевает наличие иных — межсистемных взаимо­ действий.

Внутрисистемные взаимодействия есть объект классической тер­ модинамики, а межсистемные, как будет показано ниже, — термо­ динамики переносов, хотя такое разграничение несколько условно. Действительно, когда классическая термодинамика рассматривает изменение внутренней энергии системы, подразумевается, что оно компенсируется где-то вне системы, но непосредственно топогра­ фию и собственно ситуацию этого изменения не анализируют; все, кроме данной, системы опосредованно относят к внешним телам.

Взаимодействия внутри данной системы могут происходить с обменом внутренней энергией по (4.1в), (5.2), (5.3) и т. п. или без такового по (4.12), а в самом общем случае по (5.1). Внутрисистем­ ные взаимодействия в однопараметрической системе были рассмот­ рены в о 4. Применительно к дву- и многопараметрическим систе­