Kvasi-statisk proces

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 24. maj 2021; checks kræver 3 redigeringer .

En kvasistatisk proces i termodynamik er en relativt langsom (i grænsen, uendeligt langsom) proces (det vil sige overgangen af ​​et termodynamisk system fra en tilstand til en anden [1] ), hvis varighed langt overstiger de karakteristiske afslapningstider af systemet [2] [K 1] . I dette tilfælde passerer systemet gennem en sekvens af uendeligt tætte kvasi-ligevægtstilstande [4] [5] , og den kvasi-statiske proces kan også kaldes kvasi-ligevægt . Mængden af ​​uendeligt små kvasistatiske processer er en endelig kvasistatisk proces [6] [K 2] .

Betydningen af ​​kvasistatiske processer

T. A. Afanas'eva-Ehrenfest viste (1925), at begrebet reversibilitet og irreversibilitet af processer kun er indirekte relateret til termodynamik, det vil sige, klassisk termodynamik efter hendes mening bør bygges som en teori om ligevægtstilstande og kvasistatiske processer [6] . Kvasi-statiske processer kaldes stadig nogle gange reversible kun på grund af traditionen , der går tilbage til Clausius ' tid [K 3] , selvom ikke enhver kvasi-statisk proces er reversibel eller ligevægt [K 4] . Men i den klassiske termodynamik af tilstande og ideelle processer (termostatik) [K 5] betragtes begreberne reversible processer og kvasistatiske processer ofte som synonymer [12] [13] [14] [15] [16] [17 ] [18] [19] [20] [21] [22] [23] .

Langsomheden af ​​kvasistatiske processer tjener som grundlag for ikke at tage højde for hastighederne af sådanne processer, der antages at være nul, det vil sige, at bruge begrebet kvasistatiske processer er en måde at udelukke tid fra antallet af variabler, der tages i betragtning. ved hjælp af klassisk termodynamik redegøre for tilstande og ideelle processer (termostatik) og overveje processen, dvs. ændring i systemets tilstand i tid [24] uden at bruge denne fysiske størrelse som en termodynamisk variabel [25] [26] [27] [ 28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] . Tid kan dog indgå i termostatiske relationer som en parameter [36] , for eksempel i effektberegningsformler.

Erfaring viser, at antallet af variabler, der fuldstændigt beskriver ligevægtstilstanden, er mindre end det, der kræves for at beskrive enhver ikke-ligevægtstilstand [37] [38] . Derfor forenkler antagelsen om, at den virkelige proces er kvasistatisk, og den tilhørende reduktion i antallet af variabler taget i betragtning i høj grad den termodynamiske analyse af den undersøgte proces [39] [40] [41] [42] [43] . Samtidig viser det sig, at tilnærmelsen af ​​en reel ikke-statisk proces, der forløber med en endelig hastighed ved hjælp af dens idealiserede uendeligt langsomme kvasistatiske model, gør det muligt at udføre beregninger med tilstrækkelig nøjagtighed til en stor klasse af praktiske problemer [ 44] [32] . På den anden side har termodynamikkens konklusioner for kvasistatiske processer karakter af en slags teoremer om grænseværdierne for termodynamiske størrelser - nyttigt arbejde, en varmemotors effektivitet osv. [45] .

Betingelser for, at processen er kvasistisk

Lad X være en termodynamisk størrelse, der karakteriserer processen. I termostatik, for at opnå kvantitative afhængigheder af typen X = …, betragtes kun kvasistatiske processer [21] , mens termostatiske processer for ikke-statiske processer giver kvalitative resultater af formen X < … eller X > … Med andre ord, en termodynamisk proces er kvasistatisk, hvis de mængder, der karakteriserer den, kan findes termostatiske metoder [46] .

Kvasi-statiske processer realiseres ikke i naturen, men de er en god model for processer, der forløber ret langsomt sammenlignet med processerne med at etablere termodynamisk ligevægt i et system. Betingelsen for "langsomhed" er relativ, nemlig de sammenligner tiden for en kvasistatisk ændring i værdien af ​​en termodynamisk variabel med værdien og afslapningstiden efter en øjeblikkelig ændring i den samme værdi med værdien : med en kvasi -statisk ændring i variablen [47] .

Grafisk repræsentation af kvasistatiske processer

Da tid er udelukket fra antallet af variabler, der tages i betragtning for kvasistatiske processer, kan en sådan proces repræsenteres geometrisk som en kontinuerlig kurve på en termodynamisk overflade [48] [49] [50] , for eksempel på Andrews PV diagram [51] [K 6] . Det er muligt at afbilde grafisk på termostatiske (ikke-tidstermodynamiske) diagrammer kvasi-ligevægt og kun kvasi-ligevægtsprocesser [56] ; ikke-statiske processer kan ikke vises på termostatiske diagrammer [57] [58] [55] [59] . Den grafiske repræsentation, der findes i litteraturen om termostatiske diagrammer af reelle ikke-statiske processer, der forekommer med en endelig hastighed, har en betinget karakter [60] [61] [62] [63] [64] , når den ikke-statiske proces tilnærmes med en linje (normalt stiplet eller stiplet [65] [ 66] [67] [68] [69] [70] ), der forbinder to kvasi-ligevægtstilstande [71] [67] , og bortset fra start- og slutpunkterne, ingen andre punkt på denne linje svarer til en mellemtilstand af det termodynamiske system [72] [ 73] [74] [75] .

Typer af kvasistatiske processer

I termodynamik betragtes følgende typer af kvasistatiske processer oftest:

Terminologiske bemærkninger

Udtrykket "kvasi-statisk" (fra latin  quasi - som om, ligesom + statisk - statisk) blev foreslået af K. Carathéodory i 1909 [95] . Det konceptuelle apparat, der bruges i denne eller hin manual om klassisk termodynamik , afhænger i det væsentlige af systemet til konstruktion/præsentation af denne disciplin, som bruges af forfatteren til en bestemt manual. Tilhængerne af R. Clausius konstruerer/udlægger termodynamik som en teori om reversible processer [96] , tilhængerne af Carathéodory som en teori om kvasistatiske processer [95] og tilhængerne af JW Gibbs som en teori om ligevægtstilstande og -processer [97] [98] . Det er klart, at på trods af brugen af ​​forskellige beskrivende definitioner af ideelle termodynamiske processer - reversible, kvasistatiske og ligevægt - som bruges af den ovennævnte termodynamiske aksiomatik , resulterer alle konstruktionerne af klassisk termodynamik i enhver af dem i det samme matematiske apparater. De facto betyder dette, at uden for rent teoretiske overvejelser, det vil sige i anvendt termodynamik, betragtes udtrykkene "reversibel proces", "ligevægtsproces" og "kvasi-statisk proces" som synonymer [99] : enhver ligevægt (kvasi- statisk proces) proces er reversibel, og omvendt, enhver reversibel proces er ligevægt (kvasi-statisk) [100] [101] [102] .

Se også

Kommentarer

  1. ↑ Forskellige termodynamiske variable kan have væsentligt forskellige afslapningstider for forskellige systemer og processer. Lad Z være den variabel, for hvilken relaksationstiden τ max har den største værdi (det tages som relaksationstiden for hele systemet), og som ændres med ΔZ i den betragtede proces . Så betragtes processen som kvasistatisk, hvis dens hastighed på hvert tidspunkt er meget mindre end den gennemsnitlige ændringshastighed for variablen Z under relaksation, det vil sige dZ/dτ << ΔZ/τ max [ 3] .
  2. ↑ Det kan se ud til, at der stilles gensidigt udelukkende krav til en kvasistatisk proces: at være en proces og samtidig være en ligevægt, altså ikke at være en proces. "Identifikationen af ​​bevægelse med en sekvens af tilstødende hviletilstande, hvor den bevægende krop er i ligevægt, virker ved første øjekast absurd. Imidlertid er bevægelse sammensat af immobile tilstande hverken mere eller mindre absurd end længde sammensat af punkter, der er blottet for forlængelse, eller end tid sammensat af øjeblikke uden varighed” (original [7] , oversættelse [8] ).
  3. ↑ At erstatte Clausius' postulat med dets antitese, en fysisk absurd forudsætning for det modsatte indhold, påvirker hverken essensen af ​​de opnåede resultater med dets hjælp eller metoden til at opnå dem [9] .
  4. ↑ Hvad angår spørgsmålet om forholdet mellem reversibilitet og kvasistatisk (ligevægt), har forskellige forfattere ikke et enkelt synspunkt. Her er et eksempel på præcis det modsatte udsagn fra to anerkendte autoriteter om termodynamik: "en kvasi-statisk proces kan være både reversibel og irreversibel" ( I. Gyarmati ) og "enhver kvasi-statisk proces er reversibel og omvendt" ( P. Landsberg ) [10] . L. I. Sedov er enig med I. Gyarmati : "... i en række populære lærebøger "beviser forfatterne uden særlige forbehold den ukorrekte påstand om, at enhver ligevægtsproces er reversibel" [11] .
  5. ↑ Udtrykket klassisk termodynamik af tilstande og ideelle processer bruges til at skelne klassisk termodynamik (termostatik) fra klassisk termodynamik af reelle (ikke-statiske) processer .
  6. ↑ Det var kvasi-statisk, der gjorde det muligt for Clapeyron at introducere (1833) [52] i termodynamisk praksis en visuel grafisk repræsentation af processer [53] [54] [55] .
  7. ↑ De virkelige processer med drosling ( Joule-Thomson proces ) og gasudvidelse til et vakuum ( Joule proces [77] ) er irreversible [78] [79] [80] [63] [81] [82] , men når de betragtes af termostatiske metoder de er mentalt erstattede kvasi-statiske modeller [83] , som blandt andet muliggør repræsentation af disse processer på termodynamiske diagrammer [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] .

Noter

  1. ↑ Aleksandrov N. E. et al. , Grundlæggende om teorien om termiske processer og maskiner, del 1, 2015 , s. 229.
  2. ↑ Aleshkevich V. A. , Molecular Physics, 2016 , s. 31.
  3. ↑ Korenblit S. E. , Lecture notes on thermodynamics, 2007 , s. 9.
  4. ↑ Aleksandrov N. E. et al. , Grundlæggende om teorien om termiske processer og maskiner, del 1, 2015 , s. 236.
  5. ↑ Nikolaev L. A. , Physical Chemistry, 1979 , s. 12.
  6. ↑ 1 2 Frankfurt U. I. , Om historien om termodynamikkens aksiomatik, 1964 .
  7. ↑ Tobias D. , Number, 2005 , s. 132.
  8. ↑ Krichevsky I. R. , Termodynamikkens koncepter og grundlag, 1970 , s. 237.
  9. ↑ Gukhman A. A. , Om termodynamikkens grundlag, 2010 , s. 341.
  10. ↑ Petrov N., Brankov J. , Modern problems of thermodynamics, 1986 , s. 34.
  11. ↑ L. I. Sedov , Continuum Mechanics, bind 1, 2004 , s. 236.
  12. ↑ Eremin V. V. et al. , Fundamentals of Physical Chemistry, del 1, 2015 , s. otte.
  13. ↑ Irodov I. E. , Physics of macrosystems, 2015 , s. elleve.
  14. ↑ Lyashkov V.I. , Theoretical foundations of heat engineering, 2015 , s. 25.
  15. ↑ Morachevsky A. G., Firsova E. G. , Fysisk kemi. Termodynamik af kemiske reaktioner, 2015 , s. ti.
  16. ↑ Barilovich V. A., Smirnov Yu. A. , Fundamentals of teknisk termodynamik, 2014 , s. 7.
  17. ↑ Afanasiev B. N., Akulova Yu. P. , Fysisk kemi, 2012 , s. 130.
  18. ↑ Barmasov A. V., Kholmogorov V. E. , Generelt fysikkursus for naturbrugere. Molekylær fysik og termodynamik, 2009 , s. 130.
  19. ↑ Anselm A.I. , Fundamentals of statistical physics and thermodynamics, 2007 , s. 88.
  20. ↑ O. M. Poltorak , Termodynamik i fysisk kemi, 1991 , s. 9.
  21. ↑ 1 2 Alekseev G. N. , Generel varmeteknik, 1980 , s. 28.
  22. ↑ N. I. Belokon , Thermodynamics, 1954 , s. 32.
  23. ↑ Leontovich M. A. , Introduktion til termodynamik, 1952 , s. 32.
  24. ↑ Kruglyakov P. M., Khaskova T. N. , Fysisk og kolloid kemi, 2010 , s. atten.
  25. ↑ Borshchevsky A. Ya. , Fysisk kemi, bind 1, 2017 , s. 61-62.
  26. ↑ Shachneva E. Yu. , Termodynamik i moderne kemi, 2016 , s. tyve.
  27. ↑ Yu. G. Rudoy , ​​Matematisk struktur af ligevægtstermodynamik og statistisk mekanik, 2013 , s. 74.
  28. ↑ Fokin B. S. , Fundamentals of non-equilibrium thermodynamics, 2013 , s. 45.
  29. ↑ Kvasnikov I. A. , Molecular Physics, 2009 , s. 44-45.
  30. ↑ Munster A. , ​​Chemical thermodynamics, 2002 , s. 32.
  31. ↑ Sapozhnikov S.Z., Kitanin E.L. , Technical thermodynamics and heat transfer, 1999 , afsnit 1.2.2 Termodynamisk ligevægt og ligevægtstermodynamisk proces.
  32. ↑ 1 2 Meshcheryakov A. S., Ulybin S. A. , Thermodynamics, 1994 , s. 139.
  33. ↑ Glazov V.M. , Fundamentals of Physical Chemistry, 1981 , s. 19.
  34. ↑ Zalewski K. , Phenomenological and Statistical Thermodynamics, 1973 , s. 71.
  35. ↑ Strahovich K.I. , Fundamentals of Phenomenological Thermodynamics, 1968 , s. fjorten.
  36. ↑ L. I. Sedov , Continuum Mechanics, bind 2, 2004 , s. 478.
  37. ↑ Knyazeva A.G. , Introduktion til irreversible processers termodynamik, 2014 , s. 16.
  38. ↑ Munster A. , ​​Chemical thermodynamics, 2002 , s. 14-15.
  39. ↑ Bakhshieva L. T. et al. , Teknisk termodynamik og varmeteknik, 2008 , s. 138.
  40. ↑ Sivukhin D.V. , General course of physics, bind 2, 2005 , s. 44.
  41. ↑ Munster A. , ​​Chemical thermodynamics, 2002 , s. fjorten.
  42. ↑ G. D. Baer , ​​Technical thermodynamics, 1977 , s. 59.
  43. ↑ Zhukovsky V.S. , Technical thermodynamics, 1952 , s. 275.
  44. ↑ Glagolev K.V., Morozov A.N. , Physical thermodynamics, 2007 , s. 12.
  45. ↑ Bazarov I.P. , Thermodynamics, 2010 , s. 23.
  46. ↑ Belonuchkin V. E. et al. Fundamentals of Physics, bind 2, 2007 , s. 232.
  47. ↑ Aminov L.K. , Termodynamik og statistisk fysik, 2015 , s. 53.
  48. ↑ Devyatkin P. N. , Thermodynamics, 2008 , s. 29.
  49. ↑ Sivukhin D.V. , General course of physics, bind 2, 2005 , s. 45.
  50. ↑ Krichevsky I. R. , Termodynamikkens koncepter og grundlag, 1970 , s. 156.
  51. ↑ G. D. Baer , ​​Technical thermodynamics, 1977 , s. 106.
  52. ↑ Clapeyron E. , Mémoire sur la puissance motrice de la chaleur, 1833 .
  53. ↑ Khrustalev B. M. et al. , Teknisk termodynamik, del 1, 2004 , s. 88.
  54. ↑ Gelfer Ya. M. , Termodynamikkens historie og metodik og statistisk fysik, 1981 , s. 114.
  55. ↑ 1 2 Krichevsky I. R. , Termodynamikkens koncepter og grundlag, 1970 , s. 157.
  56. ↑ Ryndin V.V. , Termodynamikkens første lov, 2004 , s. 197.
  57. ↑ Sivukhin D.V. , General course of physics, bind 2, 2005 , s. 47.
  58. ↑ Ryndin V.V. , Termodynamikkens anden lov, 2002 , s. 41.
  59. ↑ De Boer, J. , Introduction to Molecular Physics and Thermodynamics, 1962 , s. 268.
  60. ↑ Amerkhanov R. A., Draganov B. Kh. , Heat engineering, 2006 , s. 264.
  61. ↑ Konovalov V.I. , Technical thermodynamics, 2005 , s. 358.
  62. ↑ Aleksandrov A. A. , Termodynamiske grundprincipper for cyklusser af varmekraftværker, 2016 , s. 63.
  63. ↑ 1 2 Alabovsky A. N., Neduzhiy I. A. , Technical thermodynamics and heat transfer, 1990 , s. 94.
  64. ↑ N. M. Belyaev , Thermodynamics, 1987 , s. 194.
  65. ↑ Kruglov A. B. et al. , Guide to Technical Thermodynamics, 2012 , s. 76.
  66. ↑ Burdakov V.P. et al. , Thermodynamics, del 1, 2009 , s. 274.
  67. ↑ 1 2 Khrustalev B. M. et al. , Teknisk termodynamik, del 1, 2004 , s. 285.
  68. ↑ Kushnyrev V.I. et al. , Technical thermodynamics and heat transfer, 1986 , s. 185.
  69. ↑ Novikov I.I. , Thermodynamics, 1984 , s. 286.
  70. ↑ Vukalovich M.P., Novikov I.I. , Thermodynamics, 1972 , s. 174.
  71. ↑ Burdakov V.P. et al. , Thermodynamics, del 1, 2009 , s. 272.
  72. ↑ Erofeev V. L. et al. , Heat engineering, bind 1, 2017 , s. 73.
  73. ↑ Voronin G.I. , Fundamentals of thermodynamics and heat transfer and heat transfer, 1958 , s. 257.
  74. ↑ Yastrzembsky A.S. , Technical thermodynamics, 1953 , s. 213.
  75. ↑ Zhukovsky V.S. , Technical thermodynamics, 1952 , s. 268.
  76. ↑ Adiabatisk udvidelse af gas til vakuum Arkivkopi dateret 21. februar 2020 på Wayback Machine // Intersektorielt internetsystem til søgning og syntetisering af de fysiske principper for energikonvertere.
  77. ↑ Akopyan A. A. , Chemical thermodynamics, 1963 , s. 84.
  78. ↑ Kirillin V. A. et al. , Technical thermodynamics, 2016 , s. 240.
  79. ↑ Bazarov I.P. , Thermodynamics, 2010 , s. 54.
  80. ↑ Kvasnikov I. A. , Molecular Physics, 2009 , s. 187.
  81. ↑ Novikov I.I. , Thermodynamics, 1984 , s. 287.
  82. ↑ Akopyan A. A. , General thermodynamics, 1955 , s. 132, 283.
  83. ↑ Moskovsky S. B. , Kursus i statistisk fysik og termodynamik, 2005 , s. 149.
  84. ↑ Belov G. V. , Termodynamik, del 2, 2016 , Fig. 10.25, s. 31.
  85. ↑ Burdakov V.P. et al. , Thermodynamics, del 1, 2009 , Fig. 9,26, s. 274.
  86. ↑ Amerkhanov R. A., Draganov B. Kh. , Heat engineering, 2006 , Fig. 6.9, s. 77.
  87. ↑ Brodyansky V. M. et al. , Exergetic method and its applications, 1988 , Fig. 5,18, s. 175.
  88. ↑ N. M. Belyaev , Thermodynamics, 1987 , Fig. 14.3, s. 194.
  89. ↑ Novikov I.I. , Thermodynamics, 1984 , Fig. 4.6, s. 287.
  90. ↑ Arnold L. V. et al. , Technical thermodynamics and heat transfer, 1979 , Fig. 15.7, s. 227.
  91. ↑ Brodyansky V. M. , Exergetic method of thermodynamic analysis, 1973 , Fig. 5-7, s. 162.
  92. ↑ Vukalovich M.P., Novikov I.I. , Thermodynamics, 1972 , Fig. 5.11, s. 174.
  93. ↑ F. Boshnakovich , Teknisk termodynamik. Del 2, 1956 , Fig. 65, s. 70.
  94. ↑ Zhukovsky V.S. , Technical thermodynamics, 1952 , Fig. 86, s. 268.
  95. ↑ 1 2 Carathéodory K. , Om termodynamikkens grundlag, 1964 .
  96. ↑ Termodynamikkens anden lov, 2012 , s. 71-158.
  97. ↑ Petrov N., Brankov J. , Modern problems of thermodynamics, 1986 , s. 63-78.
  98. ↑ Tisza L. , Generalized Thermodynamics, 1966 .
  99. ↑ Novikov I.I. , Thermodynamics, 2009 , s. 28.
  100. ↑ [[Zubarev,_Dmitry Nikolaevich| Zubarev D. N. ]] Kvasi-statisk proces // Physical Encyclopedia, bind 2, 1990, s. 261-262. . Hentet 27. november 2018. Arkiveret fra originalen 27. november 2018.
  101. ↑ [[Zubarev,_Dmitry Nikolaevich| Zubarev D. N. ]] Reversibel proces // Physical Encyclopedia, bind 3, 1992, s. 383. . Hentet 27. november 2018. Arkiveret fra originalen 27. oktober 2018.
  102. ↑ Ligevægtsproces // Physical encyclopedia, bind 4, 1994, s. 197. . Hentet 27. november 2018. Arkiveret fra originalen 27. november 2018.

Litteratur