Производство энтропии
Неравновесная термодинамика — раздел термодинамики, изучающий системы вне состояния термодинамического равновесия и необратимые процессы. Возникновение этой области знания связано главным образом с тем, что подавляющее большинство встречающихся в природе систем находятся вдали от термодинамического равновесия.

История
Необходимость в создании новой теории возникла в первой половине двадцатого века. Пионером в этом направлении стал Ларс Онсагер, в 1931 году опубликовавший две работы, посвященные неравновесной термодинамике. В дальнейшем значительный вклад в развитие неравновесной термодинамики внесли Эккарт, и Райк, Д. Н. Зубарев, Пригожин, и Мазур, Гуров К. П. и другие. Теория неравновесных систем активно развивается и в настоящее время.
Классическая формулировка неравновесной термодинамики
Основные положения
Классическая неравновесная термодинамика основана на фундаментальном предположении о локальном равновесии (И. Р. Пригожин, 1945). Концепция локального равновесия заключается в том, что равновесные термодинамические соотношения справедливы для термодинамических переменных, определённых в элементарном объёме, то есть рассматриваемая система может быть мысленно разделена в пространстве на множество элементарных ячеек, достаточно больших, чтобы рассматривать их как макроскопические системы, но в то же время достаточно малых для того, чтобы состояние каждой из них было близко к состоянию равновесия. Данное предположение справедливо для очень широкого класса физических систем, что и определяет успех классической формулировки неравновесной термодинамики.
Концепция локального равновесия подразумевает, что все экстенсивные переменные (энтропия, внутренняя энергия, массовая доля компонента ) заменяются своими плотностями:
В то же время все интенсивные переменные, такие как температура, давление и химический потенциал должны быть заменены соответствующими функциями координат и времени:
при этом они определяются так же, как и в равновесном случае, то есть .
Далее, посредством введенных выше функций переписываются законы и соотношения из равновесной термодинамики в локальной форме. Первое начало (закон сохранения энергии):
,
— сумма плотностей кинетической и внутренней энергий,
— поток энергии.
Второе начало:
- производство энтропии в каждой части системы, вызванное необратимыми процессами, неотрицательно, то есть
.
Важную роль в классической неравновесной термодинамике играет локальная форма уравнения Гиббса—Дюгема:
Переписав на последнем соотношении с учетом локальной формы закона сохранения энергии, массы, и сравнив с локальной формой второго начала, нетрудно получить следующий вид для производства энтропии:
Здесь:
— поток теплоты,
— скорость центра масс,
— поток диффузии,
- разложен следующим образом:
, где тензор вязкого давления
разложен на объемное вязкое давление
и девиатор с нулевым следом
,
- аналогично, может быть разложен следующим образом:
,
- двоеточие
— двойное скалярное произведение тензоров,
— химическое сродство реакции
,
— соответствующая степень полноты реакции,
— электрическое поле в системе координат, движущейся со скоростью
,
— ток проводимости.
Потоки и силы
В рамках классической неравновесной термодинамики описание необратимых процессов происходит при помощи термодинамических сил и термодинамических потоков. Основанием для введения данных величин является то, что через них производство энтропии выражается в простой форме. Дадим явные выражения для различных сил и потоков. Из приведенного выше выражения для производства энтропии видно, что представляет собой билинейную форму:
,
где — термодинамический поток,
— термодинамическая сила. Следует особо подчеркнуть произвольность разделения на термодинамические потоки и силы. Например, множитель
можно отнести не к силе, а к потоку. Силы и потоки можно даже поменять местами, однако всё же естественно считать, что термодинамические силы порождают термодинамические потоки, как градиент температуры порождает поток теплоты. Пример разделения сил и потоков показан в таблице:
| Сила | ||||||
| Поток |
Как видно, потоки и силы могут быть не только скалярами, но также векторами и тензорами.
Линейные материальные уравнения
Потоки являются неизвестными величинами, в отличие от сил, которые представляют собой функции от переменных состояния и/или их градиентов. Экспериментально установлено, что потоки и силы связаны друг с другом, причем заданный поток зависит не только от своей силы, но может зависеть также от других термодинамических сил и от переменных состояния:
Соотношения такого вида между потоками и силами называются феноменологическими соотношениями или материальными уравнениями. Они в совокупности с уравнениями баланса массы, импульса и энергии представляют замкнутую систему уравнений, которая может быть решена при заданных начальных и граничных условиях. Так как в положении термодинамического равновесия силы и потоки обращаются в нуль, то разложение материального уравнения вблизи положения равновесия принимает следующий вид:
Величины называются феноменологическими коэффициентами и в общем случае зависят от переменных состояния
,
и
. Важно отдавать себе отчет в том, что, например, такая сила, как
способна вызывать не только поток теплоты
, но электрический ток
. На феноменологические коэффициенты накладывается ряд ограничений, подробнее о них изложено в .
Другим важным результатом, полученным в рамках линейной неравновесной термодинамики, является теорема о минимуме производства энтропии:
- В линейном режиме полное производство энтропии в системе, подверженной потоку энергии и вещества, в неравновесном стационарном состоянии достигает минимального значения.
Также в этом случае (линейный режим, стационарное состояние) показано, что потоки с собственными нулевыми силами равны нулю. Таким образом, например, при наличии постоянного градиента температуры, но при отсутствии поддерживаемого градиента концентрации система приходит к состоянию с постоянным потоком тепла, но с отсутствием потока вещества.
Системы вне локального равновесия
Несмотря на успехи классического подхода, у него есть существенный недостаток — он основывается на предположении о локальном равновесии, что может оказаться слишком грубым допущением для достаточно обширного класса систем и процессов, таких как системы с памятью, растворы полимеров, сверхтекучие жидкости, суспензии, наноматериалы, распространение ультразвука в газах, гидродинамика фононов, ударные волны, разреженные газы и т. д. Важнейшими критериями, которые предопределяет, к какому из термодинамических подходов следует обратиться исследователю при математическом моделировании конкретной системы, являются скорость изучаемого процесса и желаемый уровень согласия теоретических результатов с экспериментом. Классическая равновесная термодинамика рассматривает квазистатические процессы, классическая неравновесная термодинамика — относительно медленные неравновесные процессы (теплопроводность, диффузию и т. п.) Ограничения, накладываемые принципом локального равновесия на скорость моделируемого процесса, снимаются в таких подходах к построению неравновесной термодинамики, как рациональная термодинамика и расширенная неравновесная термодинамика.
Рациональная термодинамика
Историческая справка
Рациональная термодинамика рассматривает термические явления в сплошных средах на основе нетрадиционного подхода К. Трусделла, и их последователей: «традиционный подход… ни в коем случае не является неправильным, однако он не удовлетворяет современным требованиям строгости и ясности». К. Трусделл ведёт отсчёт истории рациональной термодинамики от работ [фр.] и [англ.] 1950-х годов (см. Noll, 1975).
Цель продолжающей развиваться рациональной термодинамики — создать строгую математическую аксиоматику исходных положений термомеханики сплошных сред с тем, чтобы она охватывала по возможности максимально широкий класс моделей, а интуитивные представления о физических явлениях нашли своё выражение в математической форме определяющих соотношений. Фундамент теории строится на базе таких математических структур и понятий, как векторные, метрические и топологические пространства, непрерывные и дифференцируемые отображения, многообразия, тензоры, группы и их представления и т. п. Для простых объектов такой усложненный подход не требуется, но для более сложных явлений в сплошных средах, например вязкоупругости, ползучести, эффектов памяти (гистерезис), релаксации и т. п., построение феноменологических моделей часто наталкивается на трудности, значительная часть которых относится к формированию адекватного математического аппарата. Поэтому точное описание математической структуры объекта на основе аксиоматики и её логических следствий имеет не только методический интерес, но и прикладное значение.
Особенности рациональной термодинамики
- Рациональная термодинамика не подразделяет термодинамику на равновесную и неравновесную; обе эти дисциплины рассматриваются как единая часть физики сплошных сред. Время изначально в явном виде входит в уравнения рациональной термодинамики.
- Взамен принципа локального равновесия используют гипотезу о наличии у материалов памяти, согласно которой поведение системы в данный момент времени определяется не только текущими значениями переменных, но и их предысторией.
- Разрешено использовать те и только те понятия, которые допускают формализацию.
- Рассматриваются не природные объекты, а тела — математические понятия, полученные абстрагированием некоторых общих черт многих природных объектов. Теория устанавливает общие законы, которым подчиняются все тела.
- Конкретные тела (материалы) описывают посредством математических моделей, которые представляют собой наборы определяющих уравнений; в состоянии термодинамического равновесия в качестве определяющих уравнений выступают уравнения состояния.
- Исходными неопределяемыми переменными теории являются пространственные координаты, время, масса, температура, энергия и скорость подвода/отвода теплоты. Они вводятся априори и в рамках рациональной термодинамики не имеют точной физической интерпретации.
- В рациональной термодинамике не обосновывают существование температуры на основе представлений о термическом равновесии; более того, такого рода доказательства рассматриваются как «порочные круги метафизики». В отличие от тех систем построения термодинамики, в которых температуру выражают через внутреннюю энергию и энтропию, в рациональной термодинамике, наоборот, энтропию выражают через внутреннюю энергию и температуру.
- Второе начало термодинамики рассматривается не как ограничение на возможные процессы, а как ограничение на допустимый вид уравнений, описывающих реальные системы и процессы.
- Терминология, используемая в работах по рациональной термодинамике, часто отличается от общепринятой (например, энтропия может называться «калорией»), что затрудняет восприятие.
К. Трусделл о традиционном подходе к построению термодинамики
Расширенная неравновесная термодинамика
Расширенная неравновесная термодинамика ориентирована на рассмотрение процессов в ситуациях, когда характерное время процесса сравнимо со временем релаксации. Она базируется на отказе от принципа локального равновесия и обусловленного этим обстоятельством применением дополнительных переменных для задания локально-неравновесного состояния элементарного объёма среды. В этом случае в выражения для энтропии, потока энтропии и скорости возникновения энтропии включают дополнительные независимые переменные, в качестве которых используют диссипативные потоки, то есть поток энергии, поток массы и тензор напряжений, а также потоки второго и более высоких порядков (поток потока энергии и т. д.). Такой подход хорошо зарекомендовал себя для описания быстрых процессов и для малых линейных масштабов.
Отказ от формализма классической неравновесной термодинамики с математической точки зрения означает замену дифференциальных уравнений параболического типа на гиперболические дифференциальные уравнения для диссипативных потоков эволюционного (релаксационного) типа. Это, в свою очередь, означает замену противоречащих как экспериментальным данным, так и принципу причинности моделей с бесконечной скоростью распространения возмущений в сплошной среде (типа модели Фурье, в соответствии с которой изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело) на модели с конечной скоростью распространения возмущений.
Уравнение теплопроводности гиперболического типа сочетает в себе свойства как классического закона Фурье, описывающего чисто диссипативный способ передачи энергии, так и волнового уравнения, описывающего распространение незатухающих волн. Это объясняет экспериментально наблюдаемые волновые свойства процесса теплопереноса при низких температурах — распространение тепловой волны с конечной скоростью, отражение тепловой волны от теплоизолированной границы, а при падении на границу раздела двух сред частичное отражение и частичное прохождение в другую среду, интерференцию тепловых волн.
Последовательное введение потоков второго и более высокого порядков приводит к тому, что математические модели, описывающие локально-неравновесные процессы переноса, представляют собой иерархическую последовательность дифференциальных уравнений в частных производных, порядок которых увеличивается с увеличением степени отклонения системы от локального равновесия.
Гамильтоновы формулировки неравновесной термодинамики
Гамильтонова формулировка неравновесной термодинамики привлекает элегантностью, лаконичностью и мощными численными методами, разработанными для гамильтоновых систем. Рассмотрению связи между принципом Гамильтона и интегральным вариационным принципом Дьярмати посвящён раздел в монографии.
Примечания
- L. Onsager, Phys. Rev. 37 (1931) 405
- L. Onsager, Phys. Rev. 38 (1931) 2265
- C. Eckart, Phys. Rev. 58 (1940) 267, 269, 919
- J. Meixner and H. Reik, Thermodynamik der Irreversiblen Prozesse (Handbuch der Physik III/2), (S. Flugge, ed.), Springer,Berlin, 1959.
- D. N. Zubarev, Double-time Green functions in statistical physics, Sov. Phys. Uspekhi, 1960, 3(3), 320—345.
- I. Prigogine, Introduction to Thermodynamics of Irreversible Processes, Interscience, New York, 1961.
- S.R. de Groot and P. Mazur, Non-equlibrium Thermodynamics, North-Holland, Amsterdam, 1962.
- Пригожин И., Введение в термодинамику необратимых процессов, 2001, с. 127.
- Трусделл К., Термодинамика для начинающих, 1970.
- Трусделл К., Первоначальный курс рациональной механики сплошных сред, 1975.
- Truesdell C., Rational Thermodynamics, 1984.
- Жилин П. А., Рациональная механика сплошных сред, 2012.
- Трусделл К., Первоначальный курс рациональной механики сплошных сред, 1975, с. 15.
- Трусделл К., Термодинамика для начинающих, 1970, с. 16.
- Truesdell, Bharatha, 1977, p. 5.
- Guggenheim, 1986, p. 15.
- Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Статистическая физика. Часть 1, 2002, с. 54.
- Петров Н., Бранков Й., Современные проблемы термодинамики, 1986, с. 10–11.
- Müller I., Ruggeri T., Rational Extended Thermodynamics, 1998.
- Eu B. C., Generalized Thermodynamics, 2004.
- Жоу Д. и др., Расширенная необратимая термодинамика, 2006.
- Jou, 2010.
- Агеев Е. П., Неравновесная термодинамика в вопросах и ответах, 2005, с. 49.
- Соболев С. Л., Локально-неравновесные модели процессов переноса, 1997.
- Jou, 2010, p. 32—35.
- Дьярмати, 1974, с. 243—249.
Литература
- Eu B. C. Generalized Thermodynamics: The Thermodynamics of Irreversible Processes and Generalized Hydrodynamics. — N. Y. e. a.: Kluwer Academic Publishers, 2004. — (Fundamental Theories of Physics. Vol. 124). — ISBN 1-4020-0788-4.
- Guggenheim E. A. Thermodynamics: An Advanced Treatment for Chemists and Physicists. — 8th ed. — Amsterdam: North-Holland, 1986. — Т. XXIV. — 390 с.
- Jou D., Casas-Vázquez J., Lebon G. Extended Irreversible Thermodynamics. — 4th ed. — N. Y.—Dordrecht—Heidelberg—London: Springer, 2010. — Т. XVIII. — 483 с. — ISBN 978-90-481-3073-3. — doi:10.1007/978-90-481-3074-0.
- Müller I., Ruggeri T. Rational Extended Thermodynamics. — 2nd ed. — N. Y.—Berlin—Heidelberg: Springer, 1998. — Т. XV. — 396 с. — (Springer Tracts in Natural Philosophy. Vol. 37). — ISBN 978-1-4612-7460-5. — doi:10.1007/978-1-4612-2210-1.
- Noll W. The Foundations of Mechanics and Thermodynamics: Selected Papers. — Berlin — Heidelberg — New York: Springer-Verlag, 1974. — Т. X. — 324 с. — ISBN 978-3-642-65819-8.
- Truesdell C. The Tragicomical History of Thermodynamics, 1822–1854. — New York — Heidelberg — Berlin: Springer-Verlag, 1980. — Т. XII. — 372 с. — (Studies in the History of Mathematics and Physical Sciences. Vol. 4). — ISBN 978-1-4613-9446-4.
- Truesdell C., Bharatha S. The Concepts and Logic of Classical Thermodynamics as a Theory of Heat Engines. — New York — Heidelberg — Berlin: Springer-Verlag, 1977. — Т. XVII. — 154 с. — ISBN 3-540-07971-8.
- Truesdell C. Rational Thermodynamics. — New York — Berlin — Heidelberg — Tokyo: Springer-Verlag, 1984. — Т. XVIII. — 578 с. — ISBN 0-387-90874-9.
- Агеев Е. П. Неравновесная термодинамика в вопросах и ответах. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: МЦНМО, 2005. — 160 с. — ISBN 5-94057-191-3.
- Боголюбов Н. Н. Собрание научных трудов в 12-ти тт. — М.: Наука, 2006. — Т. 5: Неравновесная статистическая механика, 1939—1980. — ISBN 5-02-034142-8.
- Бонч-Бруевич В. Л., Тябликов С. В. «Метод функций Грина в статистической механике. Архивная копия от 8 июня 2008 на Wayback Machine» — М., 1961.
- Гленсдорф П., Пригожин И. Р. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций. — М.: Мир, 1973.
- Термодинамика необратимых процессов Архивная копия от 12 ноября 2007 на Wayback Machine. — М.: Гос. Изд.-во техн.-теор. лит., 1956. 280 с.
- Де Гроот С., Мазур П. Неравновесная термодинамика. М.: Мир, 1964. 456 с.
- Гуров К. П. Феноменологическая термодинамика необратимых процессов. — М.: Наука, 1978. 128 с.
- Дьярмати И. Неравновесная термодинамика. Теория поля и вариационные принципы. — М.: Мир, 1974. 404 с.
- Жилин П. А. Рациональная механика сплошных сред. — 2-е изд. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. — 584 с. — ISBN 978-5-7422-3248-3.
- Жоу Д., Касас-Баскес Х., Лебон Дж. Расширенная необратимая термодинамика. — М.—Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика»; Институт компьютерных исследований, 2006. — 528 с. — ISBN 5-93972-569-4.
- Зубарев Д. Н. «Неравновесная статистическая термодинамика». — М.: Наука, 1971.
- Зубарев Д. Н., Морозов В. Г., Рёпке Г. «Статистическая механика неравновесных процессов». Том 1. — М.: Физматлит, 2002. ISBN 5-9221-0211-7.
- Зубарев Д. Н., Морозов В. Г., Рёпке Г. «Статистическая механика неравновесных процессов». Том 2. — М.: Физматлит, 2002. ISBN 5-9221-0212-5.
- Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1. — 5-е изд. — М.: Физматлит, 2002. — 616 с. — (Теоретическая физика в 10 томах. Том 5). — ISBN 5-9221-0054-8.
- Петров Н., Бранков Й. Современные проблемы термодинамики. — Пер. с болг. — М.: Мир, 1986. — 287 с.
- Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов Архивная копия от 15 июня 2006 на Wayback Machine — М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1960. — 160 c.
- Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов / Пер. с англ. под ред. Н. С. Акулова. — 2-е изд. — М.—Ижевск: Регулярная и хаотическая динамика, 2001. — 160 с. — ISBN 5-93972-036-6.
- Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур. Пер. с англ. — М.: Мир, 2002. — 461 с.
- Соболев С. Л. Локально-неравновесные модели процессов переноса // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 1997. — № 10. — С. 1095—1106. — doi:10.3367/UFNr.0167.199710f.1095.
- Стратонович Р. Л. Нелинейная неравновесная термодинамика. Архивная копия от 2 октября 2019 на Wayback Machine — М.: Наука, 1985. — 480 с.
- Трусделл К. Термодинамика для начинающих // Механика. Периодический сборник переводов иностранных статей. — М.: Мир, 1970. — № 3 (121), с. 116—128.
- Трусделл К. Первоначальный курс рациональной механики сплошных сред / Пер. с англ. под. ред. П. А. Жилина и А. И. Лурье. — М.: Мир, 1975. — 592 с.
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Производство энтропии, Что такое Производство энтропии? Что означает Производство энтропии?
Neravnovesnaya termodinamika razdel termodinamiki izuchayushij sistemy vne sostoyaniya termodinamicheskogo ravnovesiya i neobratimye processy Vozniknovenie etoj oblasti znaniya svyazano glavnym obrazom s tem chto podavlyayushee bolshinstvo vstrechayushihsya v prirode sistem nahodyatsya vdali ot termodinamicheskogo ravnovesiya Razdely termodinamikiIstoriyaNeobhodimost v sozdanii novoj teorii voznikla v pervoj polovine dvadcatogo veka Pionerom v etom napravlenii stal Lars Onsager v 1931 godu opublikovavshij dve raboty posvyashennye neravnovesnoj termodinamike V dalnejshem znachitelnyj vklad v razvitie neravnovesnoj termodinamiki vnesli Ekkart i Rajk D N Zubarev Prigozhin i Mazur Gurov K P i drugie Teoriya neravnovesnyh sistem aktivno razvivaetsya i v nastoyashee vremya Klassicheskaya formulirovka neravnovesnoj termodinamikiOsnovnye polozheniya Klassicheskaya neravnovesnaya termodinamika osnovana na fundamentalnom predpolozhenii o lokalnom ravnovesii I R Prigozhin 1945 Koncepciya lokalnogo ravnovesiya zaklyuchaetsya v tom chto ravnovesnye termodinamicheskie sootnosheniya spravedlivy dlya termodinamicheskih peremennyh opredelyonnyh v elementarnom obyome to est rassmatrivaemaya sistema mozhet byt myslenno razdelena v prostranstve na mnozhestvo elementarnyh yacheek dostatochno bolshih chtoby rassmatrivat ih kak makroskopicheskie sistemy no v to zhe vremya dostatochno malyh dlya togo chtoby sostoyanie kazhdoj iz nih bylo blizko k sostoyaniyu ravnovesiya Dannoe predpolozhenie spravedlivo dlya ochen shirokogo klassa fizicheskih sistem chto i opredelyaet uspeh klassicheskoj formulirovki neravnovesnoj termodinamiki Koncepciya lokalnogo ravnovesiya podrazumevaet chto vse ekstensivnye peremennye entropiya vnutrennyaya energiya massovaya dolya komponenta k displaystyle k zamenyayutsya svoimi plotnostyami s s x t u u x t ck ck x t displaystyle s s mathbf x t u u mathbf x t c k c k mathbf x t V to zhe vremya vse intensivnye peremennye takie kak temperatura davlenie i himicheskij potencial dolzhny byt zameneny sootvetstvuyushimi funkciyami koordinat i vremeni T T x t p p x t mk mk x t displaystyle T T mathbf x t p p mathbf x t mu k mu k mathbf x t pri etom oni opredelyayutsya tak zhe kak i v ravnovesnom sluchae to est T 1 s u T 1p s v T 1mk s ck displaystyle T 1 frac partial s partial u T 1 p frac partial s partial v T 1 mu k frac partial s partial c k Dalee posredstvom vvedennyh vyshe funkcij perepisyvayutsya zakony i sootnosheniya iz ravnovesnoj termodinamiki v lokalnoj forme Pervoe nachalo zakon sohraneniya energii e t Je 0 displaystyle frac partial e partial t nabla cdot boldsymbol J e 0 e displaystyle e summa plotnostej kineticheskoj i vnutrennej energij Je displaystyle boldsymbol J e potok energii Vtoroe nachalo proizvodstvo entropii v kazhdoj chasti sistemy vyzvannoe neobratimymi processami neotricatelno to est s t Js s s 0 displaystyle frac partial s partial t nabla cdot boldsymbol J s sigma sigma geqslant 0 Vazhnuyu rol v klassicheskoj neravnovesnoj termodinamike igraet lokalnaya forma uravneniya Gibbsa Dyugema Tds du pdv kmkdck displaystyle Tds du pdv sum k mu k dc k Perepisav na poslednem sootnoshenii s uchetom lokalnoj formy zakona sohraneniya energii massy i sravniv s lokalnoj formoj vtorogo nachala netrudno poluchit sleduyushij vid dlya proizvodstva entropii s q 1T kJk mkT 1Tpn n 1TPn0 V0 rT lAl3 l 1Te i displaystyle sigma boldsymbol q cdot nabla left frac 1 T right sum k boldsymbol J k cdot nabla left frac mu k T right frac 1 T p nu nabla cdot boldsymbol nu frac 1 T overset 0 mathbf P nu overset 0 mathbf V frac rho T sum l A l dot xi l frac 1 T boldsymbol varepsilon cdot boldsymbol i Zdes q displaystyle boldsymbol q potok teploty n 1r krknk displaystyle boldsymbol nu frac 1 rho sum k rho k boldsymbol nu k skorost centra mass Jk rk nk n displaystyle boldsymbol J k rho k boldsymbol nu k boldsymbol nu potok diffuzii razlozhen sleduyushim obrazom P pU pnU Pn0 displaystyle mathbf P p mathbf U p nu mathbf U overset 0 mathbf P nu gde tenzor vyazkogo davleniya Pn displaystyle mathbf P nu razlozhen na obemnoe vyazkoe davlenie pn displaystyle p nu i deviator s nulevym sledom Pn0 displaystyle overset 0 mathbf P nu analogichno mozhet byt razlozhen sleduyushim obrazom V 13 n U Vn0 displaystyle mathbf V frac 1 3 nabla cdot boldsymbol nu mathbf U overset 0 mathbf V nu dvoetochie displaystyle dvojnoe skalyarnoe proizvedenie tenzorov Al displaystyle A l himicheskoe srodstvo reakcii l displaystyle l 3l displaystyle xi l sootvetstvuyushaya stepen polnoty reakcii e E n B displaystyle boldsymbol varepsilon boldsymbol E boldsymbol nu times boldsymbol B elektricheskoe pole v sisteme koordinat dvizhushejsya so skorostyu n displaystyle boldsymbol nu i kzkJk displaystyle boldsymbol i sum k z k boldsymbol J k tok provodimosti Potoki i sily V ramkah klassicheskoj neravnovesnoj termodinamiki opisanie neobratimyh processov proishodit pri pomoshi termodinamicheskih sil i termodinamicheskih potokov Osnovaniem dlya vvedeniya dannyh velichin yavlyaetsya to chto cherez nih proizvodstvo entropii vyrazhaetsya v prostoj forme Dadim yavnye vyrazheniya dlya razlichnyh sil i potokov Iz privedennogo vyshe vyrazheniya dlya proizvodstva entropii vidno chto s displaystyle sigma predstavlyaet soboj bilinejnuyu formu s aJaXa displaystyle sigma sum alpha J alpha X alpha gde Ja displaystyle J alpha termodinamicheskij potok Xa displaystyle X alpha termodinamicheskaya sila Sleduet osobo podcherknut proizvolnost razdeleniya na termodinamicheskie potoki i sily Naprimer mnozhitel 1T displaystyle frac 1 T mozhno otnesti ne k sile a k potoku Sily i potoki mozhno dazhe pomenyat mestami odnako vsyo zhe estestvenno schitat chto termodinamicheskie sily porozhdayut termodinamicheskie potoki kak gradient temperatury porozhdaet potok teploty Primer razdeleniya sil i potokov pokazan v tablice Sila Xa displaystyle X alpha 1T displaystyle nabla frac 1 T mkT displaystyle nabla frac mu k T 1T n displaystyle frac 1 T nabla cdot boldsymbol nu 1TV0 displaystyle frac 1 T overset 0 mathbf V 1TAl displaystyle frac 1 T A l 1Te displaystyle frac 1 T boldsymbol varepsilon Potok Ja displaystyle J alpha q displaystyle boldsymbol q Jk displaystyle boldsymbol J k pn displaystyle p nu Pn0 displaystyle overset 0 mathbf P nu r3 displaystyle rho dot xi i displaystyle boldsymbol i Kak vidno potoki i sily mogut byt ne tolko skalyarami no takzhe vektorami i tenzorami Linejnye materialnye uravneniya Osnovnaya statya Potoki yavlyayutsya neizvestnymi velichinami v otlichie ot sil kotorye predstavlyayut soboj funkcii ot peremennyh sostoyaniya i ili ih gradientov Eksperimentalno ustanovleno chto potoki i sily svyazany drug s drugom prichem zadannyj potok zavisit ne tolko ot svoej sily no mozhet zaviset takzhe ot drugih termodinamicheskih sil i ot peremennyh sostoyaniya Ja Ja X1 Xa T p ck displaystyle J alpha J alpha X 1 dots X alpha T p c k Sootnosheniya takogo vida mezhdu potokami i silami nazyvayutsya fenomenologicheskimi sootnosheniyami ili materialnymi uravneniyami Oni v sovokupnosti s uravneniyami balansa massy impulsa i energii predstavlyayut zamknutuyu sistemu uravnenij kotoraya mozhet byt reshena pri zadannyh nachalnyh i granichnyh usloviyah Tak kak v polozhenii termodinamicheskogo ravnovesiya sily i potoki obrashayutsya v nul to razlozhenie materialnogo uravneniya vblizi polozheniya ravnovesiya prinimaet sleduyushij vid Ja bLabXb Lab Ja Xb displaystyle J alpha sum beta L alpha beta X beta L alpha beta frac partial J alpha partial X beta Velichiny Lab displaystyle L alpha beta nazyvayutsya fenomenologicheskimi koefficientami i v obshem sluchae zavisyat ot peremennyh sostoyaniya T displaystyle T p displaystyle p i ck displaystyle c k Vazhno otdavat sebe otchet v tom chto naprimer takaya sila kak 1T displaystyle nabla frac 1 T sposobna vyzyvat ne tolko potok teploty q displaystyle boldsymbol q no elektricheskij tok i displaystyle boldsymbol i Na fenomenologicheskie koefficienty nakladyvaetsya ryad ogranichenij podrobnee o nih izlozheno v Drugim vazhnym rezultatom poluchennym v ramkah linejnoj neravnovesnoj termodinamiki yavlyaetsya teorema o minimume proizvodstva entropii V linejnom rezhime polnoe proizvodstvo entropii v sisteme podverzhennoj potoku energii i veshestva v neravnovesnom stacionarnom sostoyanii dostigaet minimalnogo znacheniya Takzhe v etom sluchae linejnyj rezhim stacionarnoe sostoyanie pokazano chto potoki s sobstvennymi nulevymi silami ravny nulyu Takim obrazom naprimer pri nalichii postoyannogo gradienta temperatury no pri otsutstvii podderzhivaemogo gradienta koncentracii sistema prihodit k sostoyaniyu s postoyannym potokom tepla no s otsutstviem potoka veshestva Sistemy vne lokalnogo ravnovesiyaNesmotrya na uspehi klassicheskogo podhoda u nego est sushestvennyj nedostatok on osnovyvaetsya na predpolozhenii o lokalnom ravnovesii chto mozhet okazatsya slishkom grubym dopusheniem dlya dostatochno obshirnogo klassa sistem i processov takih kak sistemy s pamyatyu rastvory polimerov sverhtekuchie zhidkosti suspenzii nanomaterialy rasprostranenie ultrazvuka v gazah gidrodinamika fononov udarnye volny razrezhennye gazy i t d Vazhnejshimi kriteriyami kotorye predopredelyaet k kakomu iz termodinamicheskih podhodov sleduet obratitsya issledovatelyu pri matematicheskom modelirovanii konkretnoj sistemy yavlyayutsya skorost izuchaemogo processa i zhelaemyj uroven soglasiya teoreticheskih rezultatov s eksperimentom Klassicheskaya ravnovesnaya termodinamika rassmatrivaet kvazistaticheskie processy klassicheskaya neravnovesnaya termodinamika otnositelno medlennye neravnovesnye processy teploprovodnost diffuziyu i t p Ogranicheniya nakladyvaemye principom lokalnogo ravnovesiya na skorost modeliruemogo processa snimayutsya v takih podhodah k postroeniyu neravnovesnoj termodinamiki kak racionalnaya termodinamika i rasshirennaya neravnovesnaya termodinamika Racionalnaya termodinamikaIstoricheskaya spravka Racionalnaya termodinamika rassmatrivaet termicheskie yavleniya v sploshnyh sredah na osnove netradicionnogo podhoda K Trusdella i ih posledovatelej tradicionnyj podhod ni v koem sluchae ne yavlyaetsya nepravilnym odnako on ne udovletvoryaet sovremennym trebovaniyam strogosti i yasnosti K Trusdell vedyot otschyot istorii racionalnoj termodinamiki ot rabot fr i angl 1950 h godov sm Noll 1975 Cel prodolzhayushej razvivatsya racionalnoj termodinamiki sozdat stroguyu matematicheskuyu aksiomatiku ishodnyh polozhenij termomehaniki sploshnyh sred s tem chtoby ona ohvatyvala po vozmozhnosti maksimalno shirokij klass modelej a intuitivnye predstavleniya o fizicheskih yavleniyah nashli svoyo vyrazhenie v matematicheskoj forme opredelyayushih sootnoshenij Fundament teorii stroitsya na baze takih matematicheskih struktur i ponyatij kak vektornye metricheskie i topologicheskie prostranstva nepreryvnye i differenciruemye otobrazheniya mnogoobraziya tenzory gruppy i ih predstavleniya i t p Dlya prostyh obektov takoj uslozhnennyj podhod ne trebuetsya no dlya bolee slozhnyh yavlenij v sploshnyh sredah naprimer vyazkouprugosti polzuchesti effektov pamyati gisterezis relaksacii i t p postroenie fenomenologicheskih modelej chasto natalkivaetsya na trudnosti znachitelnaya chast kotoryh otnositsya k formirovaniyu adekvatnogo matematicheskogo apparata Poetomu tochnoe opisanie matematicheskoj struktury obekta na osnove aksiomatiki i eyo logicheskih sledstvij imeet ne tolko metodicheskij interes no i prikladnoe znachenie Osobennosti racionalnoj termodinamiki Racionalnaya termodinamika ne podrazdelyaet termodinamiku na ravnovesnuyu i neravnovesnuyu obe eti discipliny rassmatrivayutsya kak edinaya chast fiziki sploshnyh sred Vremya iznachalno v yavnom vide vhodit v uravneniya racionalnoj termodinamiki Vzamen principa lokalnogo ravnovesiya ispolzuyut gipotezu o nalichii u materialov pamyati soglasno kotoroj povedenie sistemy v dannyj moment vremeni opredelyaetsya ne tolko tekushimi znacheniyami peremennyh no i ih predystoriej Razresheno ispolzovat te i tolko te ponyatiya kotorye dopuskayut formalizaciyu Rassmatrivayutsya ne prirodnye obekty a tela matematicheskie ponyatiya poluchennye abstragirovaniem nekotoryh obshih chert mnogih prirodnyh obektov Teoriya ustanavlivaet obshie zakony kotorym podchinyayutsya vse tela Konkretnye tela materialy opisyvayut posredstvom matematicheskih modelej kotorye predstavlyayut soboj nabory opredelyayushih uravnenij v sostoyanii termodinamicheskogo ravnovesiya v kachestve opredelyayushih uravnenij vystupayut uravneniya sostoyaniya Ishodnymi neopredelyaemymi peremennymi teorii yavlyayutsya prostranstvennye koordinaty vremya massa temperatura energiya i skorost podvoda otvoda teploty Oni vvodyatsya apriori i v ramkah racionalnoj termodinamiki ne imeyut tochnoj fizicheskoj interpretacii V racionalnoj termodinamike ne obosnovyvayut sushestvovanie temperatury na osnove predstavlenij o termicheskom ravnovesii bolee togo takogo roda dokazatelstva rassmatrivayutsya kak porochnye krugi metafiziki V otlichie ot teh sistem postroeniya termodinamiki v kotoryh temperaturu vyrazhayut cherez vnutrennyuyu energiyu i entropiyu v racionalnoj termodinamike naoborot entropiyu vyrazhayut cherez vnutrennyuyu energiyu i temperaturu Vtoroe nachalo termodinamiki rassmatrivaetsya ne kak ogranichenie na vozmozhnye processy a kak ogranichenie na dopustimyj vid uravnenij opisyvayushih realnye sistemy i processy Terminologiya ispolzuemaya v rabotah po racionalnoj termodinamike chasto otlichaetsya ot obsheprinyatoj naprimer entropiya mozhet nazyvatsya kaloriej chto zatrudnyaet vospriyatie K Trusdell o tradicionnom podhode k postroeniyu termodinamiki Osnovnaya statya K Trusdell o tradicionnom podhode k postroeniyu termodinamikiRasshirennaya neravnovesnaya termodinamikaRasshirennaya neravnovesnaya termodinamika orientirovana na rassmotrenie processov v situaciyah kogda harakternoe vremya processa sravnimo so vremenem relaksacii Ona baziruetsya na otkaze ot principa lokalnogo ravnovesiya i obuslovlennogo etim obstoyatelstvom primeneniem dopolnitelnyh peremennyh dlya zadaniya lokalno neravnovesnogo sostoyaniya elementarnogo obyoma sredy V etom sluchae v vyrazheniya dlya entropii potoka entropii i skorosti vozniknoveniya entropii vklyuchayut dopolnitelnye nezavisimye peremennye v kachestve kotoryh ispolzuyut dissipativnye potoki to est potok energii potok massy i tenzor napryazhenij a takzhe potoki vtorogo i bolee vysokih poryadkov potok potoka energii i t d Takoj podhod horosho zarekomendoval sebya dlya opisaniya bystryh processov i dlya malyh linejnyh masshtabov Otkaz ot formalizma klassicheskoj neravnovesnoj termodinamiki s matematicheskoj tochki zreniya oznachaet zamenu differencialnyh uravnenij parabolicheskogo tipa na giperbolicheskie differencialnye uravneniya dlya dissipativnyh potokov evolyucionnogo relaksacionnogo tipa Eto v svoyu ochered oznachaet zamenu protivorechashih kak eksperimentalnym dannym tak i principu prichinnosti modelej s beskonechnoj skorostyu rasprostraneniya vozmushenij v sploshnoj srede tipa modeli Fure v sootvetstvii s kotoroj izmenenie temperatury v kakoj to tochke mgnovenno rasprostranyaetsya na vsyo telo na modeli s konechnoj skorostyu rasprostraneniya vozmushenij Uravnenie teploprovodnosti giperbolicheskogo tipa sochetaet v sebe svojstva kak klassicheskogo zakona Fure opisyvayushego chisto dissipativnyj sposob peredachi energii tak i volnovogo uravneniya opisyvayushego rasprostranenie nezatuhayushih voln Eto obyasnyaet eksperimentalno nablyudaemye volnovye svojstva processa teploperenosa pri nizkih temperaturah rasprostranenie teplovoj volny s konechnoj skorostyu otrazhenie teplovoj volny ot teploizolirovannoj granicy a pri padenii na granicu razdela dvuh sred chastichnoe otrazhenie i chastichnoe prohozhdenie v druguyu sredu interferenciyu teplovyh voln Posledovatelnoe vvedenie potokov vtorogo i bolee vysokogo poryadkov privodit k tomu chto matematicheskie modeli opisyvayushie lokalno neravnovesnye processy perenosa predstavlyayut soboj ierarhicheskuyu posledovatelnost differencialnyh uravnenij v chastnyh proizvodnyh poryadok kotoryh uvelichivaetsya s uvelicheniem stepeni otkloneniya sistemy ot lokalnogo ravnovesiya Gamiltonovy formulirovki neravnovesnoj termodinamikiGamiltonova formulirovka neravnovesnoj termodinamiki privlekaet elegantnostyu lakonichnostyu i moshnymi chislennymi metodami razrabotannymi dlya gamiltonovyh sistem Rassmotreniyu svyazi mezhdu principom Gamiltona i integralnym variacionnym principom Dyarmati posvyashyon razdel v monografii PrimechaniyaL Onsager Phys Rev 37 1931 405 L Onsager Phys Rev 38 1931 2265 C Eckart Phys Rev 58 1940 267 269 919 J Meixner and H Reik Thermodynamik der Irreversiblen Prozesse Handbuch der Physik III 2 S Flugge ed Springer Berlin 1959 D N Zubarev Double time Green functions in statistical physics Sov Phys Uspekhi 1960 3 3 320 345 I Prigogine Introduction to Thermodynamics of Irreversible Processes Interscience New York 1961 S R de Groot and P Mazur Non equlibrium Thermodynamics North Holland Amsterdam 1962 Prigozhin I Vvedenie v termodinamiku neobratimyh processov 2001 s 127 Trusdell K Termodinamika dlya nachinayushih 1970 Trusdell K Pervonachalnyj kurs racionalnoj mehaniki sploshnyh sred 1975 Truesdell C Rational Thermodynamics 1984 Zhilin P A Racionalnaya mehanika sploshnyh sred 2012 Trusdell K Pervonachalnyj kurs racionalnoj mehaniki sploshnyh sred 1975 s 15 Trusdell K Termodinamika dlya nachinayushih 1970 s 16 Truesdell Bharatha 1977 p 5 Guggenheim 1986 p 15 Landau L D Lifshic E M Statisticheskaya fizika Chast 1 2002 s 54 Petrov N Brankov J Sovremennye problemy termodinamiki 1986 s 10 11 Muller I Ruggeri T Rational Extended Thermodynamics 1998 Eu B C Generalized Thermodynamics 2004 Zhou D i dr Rasshirennaya neobratimaya termodinamika 2006 Jou 2010 Ageev E P Neravnovesnaya termodinamika v voprosah i otvetah 2005 s 49 Sobolev S L Lokalno neravnovesnye modeli processov perenosa 1997 Jou 2010 p 32 35 Dyarmati 1974 s 243 249 LiteraturaEu B C Generalized Thermodynamics The Thermodynamics of Irreversible Processes and Generalized Hydrodynamics N Y e a Kluwer Academic Publishers 2004 Fundamental Theories of Physics Vol 124 ISBN 1 4020 0788 4 Guggenheim E A Thermodynamics An Advanced Treatment for Chemists and Physicists 8th ed Amsterdam North Holland 1986 T XXIV 390 s Jou D Casas Vazquez J Lebon G Extended Irreversible Thermodynamics 4th ed N Y Dordrecht Heidelberg London Springer 2010 T XVIII 483 s ISBN 978 90 481 3073 3 doi 10 1007 978 90 481 3074 0 Muller I Ruggeri T Rational Extended Thermodynamics 2nd ed N Y Berlin Heidelberg Springer 1998 T XV 396 s Springer Tracts in Natural Philosophy Vol 37 ISBN 978 1 4612 7460 5 doi 10 1007 978 1 4612 2210 1 Noll W The Foundations of Mechanics and Thermodynamics Selected Papers Berlin Heidelberg New York Springer Verlag 1974 T X 324 s ISBN 978 3 642 65819 8 Truesdell C The Tragicomical History of Thermodynamics 1822 1854 New York Heidelberg Berlin Springer Verlag 1980 T XII 372 s Studies in the History of Mathematics and Physical Sciences Vol 4 ISBN 978 1 4613 9446 4 Truesdell C Bharatha S The Concepts and Logic of Classical Thermodynamics as a Theory of Heat Engines New York Heidelberg Berlin Springer Verlag 1977 T XVII 154 s ISBN 3 540 07971 8 Truesdell C Rational Thermodynamics New York Berlin Heidelberg Tokyo Springer Verlag 1984 T XVIII 578 s ISBN 0 387 90874 9 Ageev E P Neravnovesnaya termodinamika v voprosah i otvetah 2 e izd ispr i dop M MCNMO 2005 160 s ISBN 5 94057 191 3 Bogolyubov N N Sobranie nauchnyh trudov v 12 ti tt M Nauka 2006 T 5 Neravnovesnaya statisticheskaya mehanika 1939 1980 ISBN 5 02 034142 8 Bonch Bruevich V L Tyablikov S V Metod funkcij Grina v statisticheskoj mehanike Arhivnaya kopiya ot 8 iyunya 2008 na Wayback Machine M 1961 Glensdorf P Prigozhin I R Termodinamicheskaya teoriya struktury ustojchivosti i fluktuacij M Mir 1973 Termodinamika neobratimyh processov Arhivnaya kopiya ot 12 noyabrya 2007 na Wayback Machine M Gos Izd vo tehn teor lit 1956 280 s De Groot S Mazur P Neravnovesnaya termodinamika M Mir 1964 456 s Gurov K P Fenomenologicheskaya termodinamika neobratimyh processov M Nauka 1978 128 s Dyarmati I Neravnovesnaya termodinamika Teoriya polya i variacionnye principy M Mir 1974 404 s Zhilin P A Racionalnaya mehanika sploshnyh sred 2 e izd SPb Izd vo Politehn un ta 2012 584 s ISBN 978 5 7422 3248 3 Zhou D Kasas Baskes H Lebon Dzh Rasshirennaya neobratimaya termodinamika M Izhevsk NIC Regulyarnaya i haoticheskaya dinamika Institut kompyuternyh issledovanij 2006 528 s ISBN 5 93972 569 4 Zubarev D N Neravnovesnaya statisticheskaya termodinamika M Nauka 1971 Zubarev D N Morozov V G Ryopke G Statisticheskaya mehanika neravnovesnyh processov Tom 1 M Fizmatlit 2002 ISBN 5 9221 0211 7 Zubarev D N Morozov V G Ryopke G Statisticheskaya mehanika neravnovesnyh processov Tom 2 M Fizmatlit 2002 ISBN 5 9221 0212 5 Landau L D Lifshic E M Statisticheskaya fizika Chast 1 5 e izd M Fizmatlit 2002 616 s Teoreticheskaya fizika v 10 tomah Tom 5 ISBN 5 9221 0054 8 Petrov N Brankov J Sovremennye problemy termodinamiki Per s bolg M Mir 1986 287 s Prigozhin I Vvedenie v termodinamiku neobratimyh processov Arhivnaya kopiya ot 15 iyunya 2006 na Wayback Machine M Izd vo inostr lit ry 1960 160 c Prigozhin I Vvedenie v termodinamiku neobratimyh processov Per s angl pod red N S Akulova 2 e izd M Izhevsk Regulyarnaya i haoticheskaya dinamika 2001 160 s ISBN 5 93972 036 6 Prigozhin I Kondepudi D Sovremennaya termodinamika Ot teplovyh dvigatelej do dissipativnyh struktur Per s angl M Mir 2002 461 s Sobolev S L Lokalno neravnovesnye modeli processov perenosa rus Uspehi fizicheskih nauk Rossijskaya akademiya nauk 1997 10 S 1095 1106 doi 10 3367 UFNr 0167 199710f 1095 Stratonovich R L Nelinejnaya neravnovesnaya termodinamika Arhivnaya kopiya ot 2 oktyabrya 2019 na Wayback Machine M Nauka 1985 480 s Trusdell K Termodinamika dlya nachinayushih rus Mehanika Periodicheskij sbornik perevodov inostrannyh statej M Mir 1970 3 121 s 116 128 Trusdell K Pervonachalnyj kurs racionalnoj mehaniki sploshnyh sred Per s angl pod red P A Zhilina i A I Lure M Mir 1975 592 s
