Обобщенные силы и координаты процессов

Согласно первому закону термодинамики, при изменении энергетического состояния термодинамической системы (например, в результате протекания в ней различного рода ФХП) сумма количества сообщенного системе тепла и затраченной системой работы зависит только от начального и конечного состояний системы, но не зависит от пути перехода к конечному состоянию системы.

Эта сумма определяет изменение внутренней энергии термодинамической системы [12]:

(П.4.1)

где и – соответственно количество тепла и работа; U₁ и U₂ – внутренняя энергия системы в начальном и конечном состояниях термодинамической системы; , и - соответственно обобщенная сила и обобщенная координата конкретного элементарного процесса. (Знак минус перед фрагментом в выражении (П.4.1) обусловлен тем обстоятельством, что по историческим причинам, связанным с созданием паровых двигателей, в качестве положительной работы рассматривается работа, совершаемая системой над окружающей средой (термостатом)).

Т а б л и ц а П.4.1. Примеры представления элементарной работы dW
для ряда физических процессов

№ п/п	Форма проявления энергии d W	Аналитическое представление d W
	Процесс растяжения твердого тела (стержня)	F∙ d x: F – механическая сила; x – длина стержня
	Объемное расширение газа	p∙ d V: р – давление газа; V – объем газа
	Процесс образования новой поверхности	σ∙ d S: – удельная поверхностная энергия; S – площадь поверхности
	Процесс прохождения электрического тока	q∙ d φ: q – электрический заряд; – электрический потенциал
	Процесс намагничивания ферромагнетика	H∙ d B: H – напряженность магнитного поля; B – магнитная индукция
	Процесс поляризации диэлектрика	E∙ d D: E – напряженность электрического поля; D – электрическая индукция
	Процесс образования новой фазы вещества	η∙ d V: – удельная энергия образования новой фазы; V – объем новой фазы
	Обобщенное представление параметра d W	: – обобщенная сила (); – обобщенная координата ()

Если выполняется условие ∆U = 0, то система после совершения кругового цикла возвращается в свое исходное состояние, при этом = , и первоначальные значения переменных величин восстанавливаются.

Уравнение (П.4.1 ) устанавливаетобщие количественные соотношения в энергетическом представлении физико-химических процессов. Однако следует отметить, что для проведения анализа процессов, протекающих в конкретной физической системе, необходимо предварительно установить функциональные соотношения (называемые термодинамическими функциями) между термодинамическими параметрами системы в виде строгих аналитических зависимостей.

Эквивалентность теплоты и работы, вытекающая из первого закона термодинамики, основана на том факте, что теплота и работа являются двумя формами передачи энергии. Однако эти формы передачи энергии имеют принципиальное различие, суть которого состоит в следующем:

· работа имеет ярко выраженный векторизованный характер в процессе передачи энергии от термостата к термодинамической системе;

· тепловая энергия, обусловленная броуновским (хаотическим) движением микрочастиц, является антиподом векторизованного движения микрочастиц.

В отличие от хаотической тепловой энергии векторизованная энергия может быть (в принципе, если не учитывать потери, обусловленные диссипацией энергии, в частности на трение) возвращена системе путем реализации обратного процесса. Такой процесс называется обратимым и может быть определен следующим образом: процесс называется обратимым, если в любой момент времени под воздействием бесконечно малого изменения условий окружающей среды он может менять направление протекания на противоположное направление.

Последнее обстоятельство имеет чрезвычайный практический интерес с точки зрения достижения высокой глубины реализации технологических процессов (см. Приложение № 3).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: