Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Основы эргодинамики и синергетики деформируемых тел. Ч.I. Основы физической механики деформируемых тел (состояние проблемы). Монография.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
07.09.2026
Размер:
1 Мб
Скачать
41

Глава 2. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ ДЕФОРМИРУЕМЫХ ТЕЛ

Термодинамика – это фундаментальная наука об основной форме суще­ствования материи – энергии, обусловливающей все многообразие явлений в природе. Термодинамика относится к области макрофизики и в настоящее вре­мя может быть разделена на термодинамику и на собственно термодинамику. Первая занимается изучением свойств макроскопических систем, находящихся в термодинамическом равновесии, и является наиболее развитой ветвью тер­модинамики. Эта область изучения равновесных систем, т. е. систем практиче­ски не изменяющихся во времени, аналогична разделу статики в механике, и именно поэтому это направление часто называют термостатикой.
Однако большинство реальных процессов в природе являются необрати­мыми и неравновесными, протекающими во времени с определенной скоро­стью. В связи с этим в последнее полстолетие быстро развивается учение о так называемых неравновесных (необратимых) процессах в макросистемах, обра­зующее неравновесную термодинамику, которую, по существу, и следует назы­вать, собственно, термодинамикой, где изучаются процессы, протекающие во времени. Ниже приводятся краткие сведения и основные понятия, и законы термодинамики [38, 58, 58 и др.].

2.1 Основные понятия термодинамики

Термодинамика является наукой о наиболее общих свойствах макроско­пических систем, находящихся в различных состояниях, и о процессах перехо­да между этими состояниями. Основные законы (начала) термодинамики являются обобщением много­численных наблюдений и выполняются независимо от конкретной природы тел и процессов, и поэтому носят универсальный характер фундаментальных и аб­солютных законов природы. Обоснование законов термодинамики и выявление границ ее применения дает статистическая физика. В термодинамике макроскопическое тело (состоящее из достаточно большого количества атомов или молекул), выделенное по какому-то признаку из окружающей среды, называют термодинамической системой. В зависимости от физико-химической природы и структуры, а также условий взаимодействия с окружающей средой (телами), макроскопическое тело характеризуется раз­личными свойствами, называемыми параметрами. Возможны два рода свойств или параметров тела: макроскопические (температура, объем или плотность, давление и др.) и микроскопические (координаты и скорость частиц, составля­ющих тело).
Совокупностью свойств (параметров) определяется физическое (термоди­намическое) состояние тела. Если параметры состояния для всех точек тела (си­стемы) одинаковы и не изменены во времени, то такое состояние системы назы-
42
вается равновесным; причем, эта неизменяемость параметров не обусловлена ка-
Q
( )
0=,...m,...,T,v,p
f
v
кими-либо внешними относительно данной системы процессами. Если это по­стоянство параметров поддерживается с помощью каких-либо процессов, то со­стояние системы является стационарным, а процесс – установившимся. В результате различного рода взаимодействий с окружающей средой термодинамическое состояние макроскопического тела изменяется. Инте­гральной и количественной мерой взаимодействия тела с окружающей средой является количество теплоты
или работы W механических, химических,
электрических и других сил. В зависимости от конкретных условий, в которых находится макроскопическое тело, интенсивность некоторых видов взаимодей­ствия тела со средой может быть незначительной и ими можно пренебречь, ес­ли только они оказывают сравнительно малое влияние на изменение термоди­намического состояния системы.
Термодинамическое состояние равновесной системы определяется не­сколькими взаимосвязанными параметрами состояния. Изменение одного из них вызывает изменение других, так что между параметрами состояния суще­ствует определенная функциональная зависимость
, (2.1)
называемая уравнением состояния. Простейшими уравнениями состояния явля­ются: уравнение Клайперона-Менделеева для идеального газа, уравнение Ван­дер-Ваальса для реального газа, а также реологическое уравнение состояния. Наличие уравнения состояния приводит к тому, что для однозначной ха­рактеристики термодинамического состояния системы достаточно знания только нескольких независимых параметров состояния, число которых зависит от природы конкретного вещества. Набор их, в принципе, произволен и связан с соображениями целесообразности. Например, для определения состояния простейших макроскопических тел, однородных по массе и химическому со­ставу, и постоянных во времени, достаточно знать две независимые перемен­ные из трех (удельный объем
, давление p и температура T). При рассмотре-
нии других макроскопических тел возникает необходимость введения еще дру­гих параметров состояния (упругость, вязкость, концентрация химических эле­ментов и др.). Однако вопрос о числе необходимых и достаточных параметров является сложным. Получение же уравнений состояния, исходя лишь из одних законов и уравнений термодинамики, невозможно и относится к компетенции статистической механики и физической кинетики. Под влиянием различных внешних воздействий (механических, термоди­намических, химических, электромагнитных и др.) термодинамическая система переходит из одного состояния в другое. Процесс перехода может быть равно­весным (квазиравновесным) и неравновесным.
Процесс называется равновесным, если параметры состояния изменяются бесконечно медленно, так что система все время находится в состоянии термо­динамического равновесия. Равновесный процесс, представляя собой непре­рывную цепь равновесных состояний, является обратимым – его можно совер­шить в обратном направлении, и при этом в окружающей среде не остается ни­каких изменений.
43
В действительности все реальные процессы, встречающиеся в природе,
T,v,p
являются, как правило, неравновесными, имеющими свои характерные особен­ности. Прежде всего, необходимо отметить, что параметры состояния, о кото­рых шла речь выше, являются макроскопическими характеристиками вещества в равновесном состоянии. Они всегда относятся к макроскопическому телу в целом, так как подразумевается его термодинамическое равновесное состоя­ние. При отсутствии термодинамического равновесия указанные параметры ча­сто становятся неопределенными. В этом случае возникает необходимость рас­сматривать состояние макроскопического тела в локальных объемах (см., например, [6-62 и др.]).
Другой характерной особенностью неравновесных процессов является то, что при изменении внешних параметров состояния (
и др.) с конечной
скоростью, переход макроскопического тела из одного равновесного состояния в другое, соответствующее новым внешним параметрам, происходит не мгно­венно и не с той скоростью, с которой изменяются внешние параметры, а с не­которым запаздыванием. Такие процессы называются релаксационными, а время, необходимое для перехода макроскопического тела из одного равновес­ного состояния в другое, называют временем релаксации.
Релаксационный характер процессов перехода вещества из одного состо­яния в другое свидетельствует о том, что состояние макроскопического тела изменяется во времени с конечной скоростью, переходя через ряд неравновес­ных состояний, и не является в этом случае однозначной функцией внешних (макроскопических) параметров состояния.
Вследствие этого для описания неравновесного состояния макроскопиче­ского тела возникает острая необходимость в отыскании параметра, однознач­но характеризующего мгновенное состояние элемента тела в процессе его пе­рехода из одного состояния в другое, и получении кинетического уравнения состояния, описывающего кинетику изменения термодинамического состояния тела во времени.
Строго говоря, в процессе неравновесного перехода мгновенное термо­динамическое состояние элемента тела является однозначной функцией внут­ренних (микроскопических) параметров состояния, среднестатистической ха­рактеристикой которых является плотность внутренней энергии. Следователь­но, внутренняя энергия является универсальным параметром, однозначно и ин­тегрально характеризующим термодинамическое состояние элемента тела не только в равновесном, но и в неравновесном состояниях.
Получение же кинетических уравнений состояния не может быть осу­ществлено методами термодинамики и относится к компетенции статистиче­ской физики и кинетики. Однако эта задача настолько сложна, что к настояще­му времени получены кинетические уравнения состояния для веществ, харак­теризующихся лишь слабыми междучастичными воздействиями (см., напри­мер, [63]). Предпринимались также неоднократные попытки получения кине­тических уравнений состояния для твердых деформируемых тел (см., напри­мер, [28, 29]).
44
W
Q
dQ
dW
dQ
dW
dUdQdW +
dU
U
U
dW
dQ
dU
dQdWdU +=
F
TS
TSFU +=
S
U
U

2.2 Основные законы термодинамики

Существуют два принципиально различных способа изменения состоя­ния макроскопического тела: первый связан с работой внешних сил (механиче­ских, химических, электрических и др.) отводом) теплоты
. В общем случае переход тела из одного состояния в дру-
; а второй – с сообщением телу (или
гое связан с сообщением системе некоторого количества теплоты шением над телом работы внешних сил
ных начальном и конечном состояниях тела значения
. Как показывает опыт, при задан-
и
и совер-
существенно
зависят от пути перехода (процесса), следовательно, они (каждый в отдельно­сти) являются функционалами. Другими словами, эти величины являются ха­рактеристиками не состояния тела, а совершаемого им процесса.
Из основного закона (первого начала) термодинамики – закона сохране­ния и превращения энергии – следует, что в случае незамкнутого процесса (ко­гда тело не возвращается в исходное состояние) сумма
хотя и не
равна нулю, но, во всяком случае, не зависит от пути перехода между данными состояниями. Следовательно,
представляет собой приращение величины
, имеющей в каждом состоянии тела вполне определенное значение, или, как
говорят, являющейся функцией состояния тела. Эта величина называется внут­ренней энергией тела.
Таким образом, основной закон термодинамики утверждает, что внут­ренняя энергия
является функцией состояния. С формальной точки зрения,
сущность основного закона термодинамики сводится к утверждению, что два элементарных приращения
и
, не являющиеся полными дифференциа-
лами, в сумме дают дифференциал
, т. е.
. (2.2)
Внутренней энергией называют всю энергию, заключенную в системе. Термодинамика не отвечает на вопрос, из каких видов энергии состоит внут­ренняя энергия. С формальной точки зрения, она разделяется на свободную и связанную
, т. е.
,
где
– энтропия; T – температура.
С физической точки зрения внутренняя энергия есть сумма всех видов энергии движения и взаимодействия частиц, составляющих систему. Сюда от­носятся: кинетическая (тепловая) энергия поступательного, вращательного и колебательного движения атомов и молекул, потенциальная энергия атомно­молекулярных взаимодействий, энергия внутриатомных и внутриядерных дви­жений и взаимодействий частиц, энергия излучения и т.д. [59].
При рассмотрении макроскопического состояния тела с позиций стати­стической физики [63, 64], внутреннюю энергию элемента тела рассматривают как сумму кинетической (тепловой) энергии
альной энергии
междучастичного взаимодействия, т. е.
e
движения частиц и потенци-
T
45
T
dUdUdU
e
+=
. (2.3)
U
00=U
U
S
dS
ie
dSdSdS +=
e
dS
dS
dS
0=
i
dS
0>dS
e
dS
0dS
T
dQ
dS
e
=
dQ
T
dQ
dS
TdSdWdU +=
n
X,...,XXX
321
++
Внутренняя энергия всегда известна с точностью до некоторой произ­вольной постоянной
, но это на практике не имеет существенного значения,
0
так как очень часто можно принять какое-то состояние тела за исходное, поло­жив
и пользоваться только разностью внутренней энергии в двух состо-
яниях
.
Второй закон (начало) термодинамики формулируется как объединенный принцип существования и возрастания некоторой функции состояния ваемой энтропией системы. Изменение энтропии
можно записать как сум-
, назы-
му двух членов
, (2.4)
где
– энтропия, возникающая в самой системе.
i
Второй закон термодинамики утверждает, что величина
энтропия, поступающая в систему из окружающей среды;
должна быть
i
равна нулю для обратимых (или равновесных) процессов
(2.5)
и положительной для необратимых (неравновесных) процессов
. (2.6)
Поступающая же из окружающей среды энтропия
, напротив, может
быть положительной, равной нулю или отрицательной, в зависимости от рода и условий взаимодействия с окружающей средой
>
. (2.7)
0
dS
e
<
Из (2.4), (2.5) и (2.6) следует
. (2.8)
Это известная форма записи второго закона термодинамики.
Для замкнутых систем, которые могут обмениваться с окружающей сре­дой только тепловой энергией, согласно теореме Карно-Клаузиуса
, (2.9)
где
– теплота, поступающая к системе из окружающей среды; T – аб-
солютная температура, при которой эта теплота воспринимается системой.
Из (2.4)-(2.6) и (2.9) следует, что для замкнутых систем
. (2.10)
Это соотношение представляет другую форму записи второго закона термодинамики.
Введение понятия энтропии позволяет дать следующую запись первого закона термодинамики
. (2.11)
Если термодинамическая система находится под воздействием различ­ных сил
, которым соответствуют обобщенные координаты
46
n
x,...,x,x,x
321
, то работа, совершаемая над системой, может быть представлена
==
n n
iii
dxXdWdW
1 1
1
TdSddu
=
εσ
ij
σ
ij
ε
),,j,i( 321=
( )
0
σ
( )
0
ε
( )
i
σ
)(
i
ε
ii
d
dd
εσεσω
+=
00
3
TdSdddu
i
i
+=
εσ
εσ
00
3
u
TSuF =
ijij
TSuG
εσ
=
ijij
uH
εσ
=
ij
σ
ij
ε
как сумма обобщенных элементарных работ
, (2.12)
с учетом (2.12) обобщенную запись первого начала термодинамики представим в виде
n
+=
. (2.13.1)
dxXTdSdU
ii
Применительно к условию деформирования твердых тел, в соответствии с теорией упругости, уравнение (2.13.1) можно представить в виде
ijij
, (2.13.2)
где
и
компоненты тензора напряжений и деформа-
ций соответственно.
Если в качестве основных инвариантов тензоров напряжений и деформа­ций принять инварианты: гидростатическое (среднее) напряжение
формацию
и интенсивность напряжений
и деформаций
плотность работы деформаций можно принять в инвариантном виде
. (2.14)
Здесь первое слагаемое представляет собой работу изменения объема, а второе – изменения формы.
В соответствии с (2.14) уравнение первого закона термодинамики (2.11) для деформируемого элемента твердого тела можно представить в виде
. (2.13.3)

2.3 Основные термодинамические потенциалы деформации

Для исследования термодинамических процессов, наряду с внутренней энергией
и энтропией вводятся и другие характеристические функции или
термодинамические потенциалы:
свободная энергия Гельмгольца (изотермический потенциал)
; (2.15)
свободная энергия Гиббса (изобарно-изотермический потенциал)
; (2.16)
и де-
, то
Если известны термодинамические потенциалы, то легко могут быть вы­числены термодинамические функции, внутренняя энергия, энтропия, абсо­лютная температура, тензор напряжений
ствующие выражения приведены в табл. 2.1.
свободная энтальпия (изобарный потенциал)
. (2.17)
, тензор деформаций
. Соответ-
47
Исходными для вывода всех характеристических функций являются
TdSdWdu +=
TdSddu
ijij
=
εσ
TdSdddu
ii
+=
εσεσ
00
3
constv =
constT =
const
ij
=
σ
Термодинамический
Уравнение
Формулы связи
ческими потенциалами
1
Внутренняя энергия
( )
S,uu
ij
ε
=
S
ij
ij
u
 
 
=
∂ε
σ
ij
S
u
T
ε
 
 
=
TSuF =
,
ijij
TSuG
εσ
=
ijij
uH
εσ
=
2
Свободная энергия
( )
T,FF
ij
ε
=
T
ij
ij
F
 
 
=
∂ε
σ
ij
T
F
S
ε
 
 
=
TSFu +=
,
ijij
FG
εσ
=
ijij
TSFH
εσ
+=
3
Термодинамический
( )
G G T
ij
=
σ
,
T
ij
T
G
S
σ
 
=
ij
ij
TSGu
εσ
++=
ijij
GF
εσ
+=
TSGH +=
4
Свободная энтальпия
( )
H H S
ij
=
σ
,
S
ij
ij
H
 
 
=
∂σ
ε
ij
S
H
T
σ
 
 
=
ijij
Hu
εσ
+=
,
ijij
TSHF
εσ
+=
TSHG =
ij
σ
ij
ε
T
обобщенные уравнения термодинамики (2.11) и (2.13):
, (2.11)
, (2.13.2)
. (2.13.3)
Выведенные потенциалы зависят от того, какие ограничения накладыва­ются на условия процесса (
,
,
и др.).
Таблица 2.1 – Термодинамические потенциалы для изотропных сред
п/п
потенциал
потенциал Гиббса
состояния
ε
=
ij
∂σ
G
с другими термодинами-
,
,
,
,
 
,
ij
,
,
Примечание.
зора деформаций;
Термодинамические потенциалы и их следствия в инвариантной форме представлены в табл. 2.2.
составляющие тензора напряжений;
абсолютная температура; S – энтропия.
,
,
составляющие тен-
48
Таблица 2.2 – Термодинамические потенциалы для изотропных сред
Термодинамический
Уравнение состояния
Формулы связи с другими
тенциалами
1
Внутренняя
( )
S,,uu
i
εε
0
=
i
,S
u
ε
∂ε
σ
 
 
=
0
0
3
1
0
ε
∂ε
σ
,S
i
i
u
 
 
=
i
,
S
u
T
εε
0
 
 
=
TSuF =
,
ii
TSuG
εσεσ
=
00
3
ii
uH
εσεσ
=
00
3
2
Свободная энергия
( )
T,,FF
i
εε
0
=
i
,T
F
ε
∂ε
σ
 
=
0
0
3
1
0
ε
∂ε
σ
,T
i
i
F
 
 
=
i
,
T
F
S
εε
0
 
 
=
TSFu +=
,
ii
FG
εσεσ
=
00
3
ii
TSFH
εσεσ
+
=
00
3
3
Термодинамический
( )
T,,GG
i
σσ
0
=
T,
i
G
σ
∂σ
ε
 
 
=
0
0
3
1
T,
i
i
G
0
σ
∂σ
ε
 
 
=
i
,
T
G
S
σσ
0
 
=
TSGH +=
,
ii
GF
εσεσ
++=
00
3
ii
TSGF
εσεσ
+++
=
00
3
4
Свободная
( )
S,,HH
i
σσ
0
=
S,
i
H
σ
∂σ
ε
 
 
=
0
0
3
1
S,
i
i
H
0
σ
∂σ
ε
 
 
=
i
,
S
H
T
σσ
0
 
 
=
ii
Hu
εσεσ
++=
00
3
TSHG =
ii
TSHF
εσεσ
++=
00
3
3
1
i
σ
ij
ε
п/п
потенциал
энергия
термодинамическими по-
,
,
,
,
,
,
потенциал Гиббса
Примечание.
энтальпия
( )
σσσσ
++=
3210
,
,
,
,
,
гидростатическое напряжение;
,
,
интен-
сивность напряжений;
интенсивность деформаций.
49

2.4 Основные положения термодинамики необратимых процессов

Классическая термодинамика (термостатика) изучает термодинамически обратимые, квазиравновесные процессы. Для неравновесных процессов она устанавливает неравенство (2.10), которое лишь указывает на возможное направление процессов. Для количественного изучения неравновесных процес­сов и определения их скоростей (в зависимости от внешних условий) применя­ется термодинамика необратимых (неравновесных) процессов [60-62 и др.].
В термодинамике необратимых процессов макроскопическое тело рас­сматривается как непрерывная сплошная среда (континуум), а ее параметры состояния – как полевые переменные, т. е. непрерывные функции координат и времени. Опираясь на подобную концепцию, помимо хорошо известных по­стулатов классической теории поля, в неравновесной термодинамике использу­ется гипотеза локального или, так называемого целлюлярного равновесия, со­гласно которой предполагается, что элементы объема или массы (целлы) сплошных сред можно рассматривать как равновесные системы, а их состояния можно описывать при помощи параметров равновесного состояния, не учиты­вая различные необратимые процессы, происходящие внутри этих элементов среды и между соседними элементами. Как следствие этого, сплошные среды в неравновесном состоянии рассматриваются в качестве совокупности элемен­тарных объемов, находящихся в различных равновесных состояниях, и поэто­му неравновесные состояния таких систем могут быть описаны скалярными, векторными или тензорными полями макроскопических параметров состояния, которые, вообще говоря, зависят от координат и времени.
Чтобы воспользоваться параметрами состояния термостатики как поле­выми величинами, необходимо переписать основные законы и уравнения рав­новесной термодинамики в форме локальных дифференциальных уравнений в частных производных. Количественное описание неравновесных процессов при таком методе заключается в составлении уравнений баланса для элемен­тарных (локальных) объемов на основе законов сохранения массы, импульса, энергии и энтропии, а также феноменологических уравнений (соотношений), связывающих потоки полевых величин с термодинамическими силами (гради­ентами).
Изложение основ неравновесной термодинамики на языке классической теории поля [60, 62] открывает широкие возможности для решения большого круга задач механики и физики сплошных сред.
Основной задачей классической теории поля является исследование дифференциальных уравнений в частных производных, которые справедливы в эвклидовом пространстве для механических, термических и электромагнитных параметров состояния, зависящих от пространственных координат и времени.
В классической теории поля для описания кинематики сплошных сред используется два метода:
50
1. При материальном (его часто называют субстациональным) описании
V
A
t
V
=
V
adVA
ρ
=
V
adV
dt
d
dt
dA
A
ρ
A
A
A
V
=
V V
dV
t
a
adV
dt
d
00
ρ
ρ
3210
dxdxdxV =
.x,x,x
321
A
a
a
координаты относятся к материальной точке («частице») в непрерывной среде; в этом случае система отсчета движется вместе с континуумом.
2. При пространственном описании движение континуума определяется
относительно системы, фиксированной в пространстве; при этом задаются поля скоростей и ускорений движущегося континуума.
На основе этих двух положений определяются общие уравнения баланса полевых величин, в зависимости от того, какое описание мы выбираем, про­странственное или материальное, получают локальную или субстанциональ­ную форму уравнений баланса.

2.5 Общие уравнения баланса

Исходя из концепции теории поля [60, 62], в некоторой макроскопической системе выделяют объем тенсивную характеристику
, ограниченный поверхностью S. Произвольную экс-
и ее удельную величину a, отнесенную к единице
массы, рассматривают как полевую переменную, т. е. как функцию координат и времени имеющей объем
. Если полевая величина A распределена в макроскопической системе,
и плотность ρ, то полное изменение величины
, (2.18)
в зависимости от времени
, (2.19)
может быть вызвано, вообще говоря, двумя причинами [62]:
1) потоком величин
2) уменьшением или увеличением
внутрь объема Vили из него через поверхность S;
внутри объема V, которое связано с
существованием во внутренних точках макроскопического тела источников или стоков величины
.
На основании этих двух положений определяется общее уравнение ба­ланса. В зависимости от того, какое описание принимается, пространственное или материальное, получают локальную или субстанциональную форму диф­ференциальных уравнений баланса.
Для получения общих уравнений баланса в локальной форме исходят из того предположения, что объем
покоится относительно внешних (эйлеро-
вых) систем координат. В этом случае вместо (2.19) можно записать
где интегрирование производится по элементам объема меняющим своего положения в системе координат
переноса в некоторой среде полевой величины
локальной плотности потока полевой величины
можно описать вектором
, (2.20)
, не из-
Интенсивность
0
J
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]