Kvazistatický proces

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 24. května 2021; kontroly vyžadují 3 úpravy .

Kvazistatický děj v termodynamice je relativně pomalý (v limitním, nekonečně pomalý) děj (tedy přechod termodynamického systému z jednoho stavu do druhého [1] ), jehož trvání daleko přesahuje charakteristické relaxační doby . systému [ 2] [K 1] . V tomto případě systém prochází posloupností nekonečně blízkých kvazirovnovážných stavů [4] [5] a kvazistatický proces lze také nazvat kvazirovnovážným . Množina nekonečně malých kvazistatických procesů je konečný kvazistatický proces [6] [K 2] .

Význam kvazistatických procesů

T. A. Afanas'eva-Ehrenfest ukázala (1925), že koncept vratnosti a nevratnosti procesů souvisí s termodynamikou pouze nepřímo, to znamená, že klasická termodynamika by podle jejího názoru měla být postavena jako teorie rovnovážných stavů a ​​kvazistatických procesů. [6] . Kvazistatické procesy jsou stále někdy nazývány reverzibilními pouze kvůli tradici sahající až do časů Clausia [K 3] , i když ne každý kvazistatický proces je reverzibilní nebo rovnovážný [K 4] . V klasické termodynamice stavů a ​​ideálních procesů (termostatika) [K 5] jsou však termíny vratné procesy a kvazistatické procesy často považovány za synonyma [12] [13] [14] [15] [16] [17 ] [18] [19] [20] [21] [22] [23] .

Pomalost kvazistatických procesů slouží jako základ pro to, že se neberou v úvahu rychlosti takových procesů, které se považují za nulové, to znamená, že použití konceptu kvazistatických procesů je způsob, jak vyloučit čas z počtu proměnných, které se berou v úvahu. zohlednit klasickou termodynamikou stavů a ​​ideálních dějů (termostatika) a uvažovat děj, tedy změnu stavu soustavy v čase [24] bez použití této fyzikální veličiny jako termodynamické proměnné [25] [26] [27] [ 28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] . Čas však lze do termostatických vztahů zahrnout jako parametr [36] , např. do vzorců pro výpočet výkonu.

Zkušenosti ukazují, že počet proměnných, které kompletně popisují rovnovážný stav, je menší, než je potřeba k popisu jakéhokoli nerovnovážného stavu [37] [38] . Předpoklad, že skutečný proces je kvazistatický a s tím spojené snížení počtu zohledněných proměnných, tedy značně zjednodušuje termodynamickou analýzu uvažovaného procesu [39] [40] [41] [42] [43] . Zároveň se ukazuje, že aproximace reálného nestatického procesu probíhajícího konečnou rychlostí jeho idealizovaným nekonečně pomalým kvazistatickým modelem umožňuje provádět výpočty s dostatečnou přesností pro velkou třídu praktických problémů [ 44] [32] . Na druhou stranu závěry získané termodynamikou pro kvazistatické procesy mají povahu jakýchsi vět o mezních hodnotách termodynamických veličin - užitná práce, účinnost tepelného motoru atd. [45] .

Podmínky pro to, aby byl proces kvazistický

Nechť X je nějaká termodynamická veličina charakterizující proces. V termostatice se pro získání kvantitativních závislostí typu X = … uvažují pouze kvazistatické procesy [21] , zatímco u nestatických procesů dává termostatika kvalitativní výsledky tvaru X < ... nebo X > ... Jinými slovy, termodynamický proces je kvazistatický, pokud veličiny, které jej charakterizují, lze nalézt termostatickými metodami [46] .

Kvazistatické procesy se v přírodě nerealizují, ale jsou dobrým modelem pro procesy, které probíhají poměrně pomalu ve srovnání s procesy ustavování termodynamické rovnováhy v systému. Podmínka "pomalosti" je relativní, totiž porovnávají čas kvazistatické změny hodnoty nějaké termodynamické proměnné o hodnotu a relaxační čas po okamžité změně téže hodnoty o hodnotu : s kvazi -statická změna proměnné [47] .

Grafické znázornění kvazistatických procesů

Protože čas je vyloučen z počtu proměnných, které se berou v úvahu pro kvazistatické procesy, lze takový proces geometricky znázornit jako spojitou křivku na termodynamické ploše [48] [49] [50] , například na Andrews PV diagram [51] [K 6] . Na termostatických (nečasových termodynamických) diagramech je možné graficky znázornit kvazirovnovážné a pouze kvazirovnovážné procesy [56] ; nestatické procesy nelze zobrazit na termostatických diagramech [57] [58] [55] [59] . V literatuře nalezené grafické znázornění na termostatických diagramech skutečných nestatických procesů probíhajících konečnou rychlostí má podmíněný charakter [60] [61] [62] [63] [64] , kdy je nestatický proces aproximován čára (obvykle čárkovaná nebo tečkovaná [65] [ 66] [67] [68] [69] [70] ) spojující dva kvazi-rovnovážné stavy [71] [67] , a kromě počátečního a koncového bodu žádný jiný bod na této přímce odpovídá mezistavu termodynamického systému [72] [73] [74] [75] .

Typy kvazistatických procesů

V termodynamice se nejčastěji uvažují následující typy kvazistatických procesů:

Terminologické poznámky

Termín "kvazi-statický" (z latinského  kvazi - jakoby, jako + statický - statický) navrhl K. Carathéodory v roce 1909 [95] . Pojmový aparát použitý v té či oné příručce klasické termodynamiky v podstatě závisí na systému konstrukce/prezentace této disciplíny, který autor konkrétní příručky používá. Stoupenci R. Clausia konstruují/vykládají termodynamiku jako teorii vratných procesů [96] , stoupenci Carathéodoryho jako teorii kvazistatických procesů [95] a stoupenci JW Gibbse jako teorii rovnovážných stavů a ​​procesů [97] [98] . Je zřejmé, že navzdory použití různých popisných definic ideálních termodynamických procesů - vratných, kvazistatických a rovnovážných - které používá výše zmíněná termodynamická axiomatika , v kterékoli z nich všechny konstrukce klasické termodynamiky vedou ke stejnému matematický aparát. De facto to znamená, že mimo čistě teoretické úvahy, tedy v aplikované termodynamice, jsou pojmy „vratný proces“, „rovnovážný proces“ a „kvazistatický proces“ považovány za synonyma [99] : jakákoli rovnováha (kvazi- statický proces) proces je reverzibilní a naopak každý reverzibilní proces je rovnovážný (kvazistatický) [100] [101] [102] .

Viz také

Komentáře

  1. ↑ Různé termodynamické proměnné mohou mít pro různé systémy a procesy výrazně rozdílné relaxační doby. Nechť Z je proměnná, pro kterou má relaxační čas τ max největší hodnotu (bere se jako relaxační čas celého systému) a která se v uvažovaném procesu mění o ΔZ . Pak je proces považován za kvazistatický, pokud je v každém okamžiku τ jeho rychlost mnohem menší než průměrná rychlost změny proměnné Z během relaxace, tj. dZ/dτ << ΔZ/τ max [3] .
  2. ↑ Může se zdát, že na kvazistatický proces jsou kladeny vzájemně se vylučující požadavky: být procesem a zároveň být rovnovážným, tedy nebýt procesem. „Ztotožnění pohybu se sledem sousedních klidových stavů, během nichž je pohybující se těleso v rovnováze, se na první pohled zdá absurdní. Pohyb složený z nehybných stavů však není o nic více a o nic méně absurdní než délka složená z bodů postrádajících prodloužení nebo než čas složený z okamžiků bez trvání“ (původní [7] , překlad [8] ).
  3. ↑ Nahrazení Clausiova postulátu jeho antitezí, fyzikálně absurdní premisou opačného obsahu, neovlivňuje ani podstatu výsledků získaných s jeho pomocí, ani způsob jejich získání [9] .
  4. ↑ Na otázku vztahu reverzibility a kvazistatiky (rovnováhy) nemají různí autoři jednotný úhel pohledu. Zde je příklad přesně opačných tvrzení dvou uznávaných autorit v oblasti termodynamiky: „kvazistatický proces může být vratný i nevratný“ ( I. Gyarmati ) a „jakýkoli kvazistatický proces je vratný a naopak“ ( P. Landsberg ) [10] . L. I. Sedov souhlasí s I. Gyarmati : „... v řadě populárních učebnic autoři „dokazují“ bez zvláštních výhrad nesprávné tvrzení, že jakýkoli rovnovážný proces je vratný“ [11] .
  5. ↑ Termín klasická termodynamika stavů a ​​ideálních procesů se používá k odlišení klasické termodynamiky (termostatiky) od klasické termodynamiky reálných (nestatických) procesů .
  6. ↑ Byla kvazistatická, což umožnilo Clapeyronovi zavést (1833) [52] do termodynamické praxe vizuální grafické znázornění procesů [53] [54] [55] .
  7. ↑ Reálné procesy škrcení ( Joule-Thomsonův proces ) a expanze plynu do vakua ( Jouleův proces [77] ) jsou nevratné [78] [79] [80] [63] [81] [82] , ale při zvážení termostatické metody jsou mentálně nahrazeny kvazistatickými modely [83] , které umožňují mimo jiné zobrazení těchto procesů na termodynamických diagramech [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] .

Poznámky

  1. ↑ Aleksandrov N. E. et al. , Základy teorie tepelných procesů a strojů, část 1, 2015 , str. 229.
  2. ↑ Aleshkevich V. A. , Molecular Physics, 2016 , str. 31.
  3. ↑ Korenblit S. E. , Poznámky k přednáškám o termodynamice, 2007 , s. 9.
  4. ↑ Aleksandrov N. E. et al. , Základy teorie tepelných procesů a strojů, část 1, 2015 , str. 236.
  5. ↑ Nikolaev L. A. , Fyzikální chemie, 1979 , s. 12.
  6. ↑ 1 2 Frankfurt U. I. , K historii axiomatiky termodynamiky, 1964 .
  7. ↑ Tobias D. , Číslo, 2005 , str. 132.
  8. ↑ Krichevsky I. R. , Pojmy a základy termodynamiky, 1970 , s. 237.
  9. ↑ Gukhman A. A. , O základech termodynamiky, 2010 , s. 341.
  10. ↑ Petrov N., Brankov J. , Moderní problémy termodynamiky, 1986 , s. 34.
  11. ↑ L. I. Sedov , Mechanika kontinua, svazek 1, 2004 , str. 236.
  12. ↑ Eremin V. V. a kol. , Základy fyzikální chemie, 1. díl, 2015 , str. osm.
  13. ↑ Irodov I. E. , Fyzika makrosystémů, 2015 , s. jedenáct.
  14. ↑ Lyashkov V.I. , Teoretické základy tepelné techniky, 2015 , s. 25.
  15. ↑ Morachevsky A. G., Firsova E. G. , Fyzikální chemie. Termodynamika chemických reakcí, 2015 , str. deset.
  16. ↑ Barilovich V. A., Smirnov Yu. A. , Základy technické termodynamiky, 2014 , str. 7.
  17. ↑ Afanasiev B. N., Akulova Yu. P. , Fyzikální chemie, 2012 , s. 130.
  18. ↑ Barmasov A. V., Kholmogorov V. E. , Kurz obecné fyziky pro uživatele přírody. Molekulární fyzika a termodynamika, 2009 , str. 130.
  19. ↑ Anselm A.I. , Základy statistické fyziky a termodynamiky, 2007 , str. 88.
  20. ↑ O. M. Poltorak , Termodynamika ve fyzikální chemii, 1991 , str. 9.
  21. ↑ 1 2 Alekseev G. N. , Všeobecné tepelné inženýrství, 1980 , str. 28.
  22. ↑ N. I. Belokon , Termodynamika, 1954 , str. 32.
  23. ↑ Leontovič M. A. , Úvod do termodynamiky, 1952 , s. 32.
  24. ↑ Kruglyakov P. M., Khaskova T. N. , Fyzikální a koloidní chemie, 2010 , str. osmnáct.
  25. ↑ Borshchevsky A. Ya. , Fyzikální chemie, vol. 1, 2017 , str. 61-62.
  26. ↑ Shachneva E. Yu. , Termodynamika v moderní chemii, 2016 , s. dvacet.
  27. ↑ Yu. G. Rudoy , ​​​​Matematická struktura rovnovážné termodynamiky a statistické mechaniky, 2013 , s. 74.
  28. ↑ Fokin B. S. , Základy nerovnovážné termodynamiky, 2013 , s. 45.
  29. ↑ Kvasnikov I. A. , Molekulární fyzika, 2009 , str. 44-45.
  30. ↑ Munster A. , ​​​​Chemická termodynamika, 2002 , s. 32.
  31. ↑ Sapozhnikov S.Z., Kitanin E.L. , Technická termodynamika a přenos tepla, 1999 , část 1.2.2 Termodynamická rovnováha a rovnovážný termodynamický proces.
  32. ↑ 1 2 Meshcheryakov A. S., Ulybin S. A. , Termodynamika, 1994 , s. 139.
  33. ↑ Glazov V.M. , Základy fyzikální chemie, 1981 , str. 19.
  34. ↑ Zalewski K. , Fenomenologická a statistická termodynamika, 1973 , s. 71.
  35. ↑ Strahovich K.I. , Základy fenomenologické termodynamiky, 1968 , s. čtrnáct.
  36. ↑ L. I. Sedov , Mechanika kontinua, svazek 2, 2004 , str. 478.
  37. ↑ Knyazeva A.G. , Úvod do termodynamiky nevratných procesů, 2014 , s. 16.
  38. ↑ Munster A. , ​​​​Chemická termodynamika, 2002 , s. 14-15.
  39. ↑ Bakhshieva L. T. et al. , Technická termodynamika a tepelné inženýrství, 2008 , str. 138.
  40. ↑ Sivukhin D.V. , Obecný kurz fyziky, díl 2, 2005 , s. 44.
  41. ↑ Munster A. , ​​​​Chemická termodynamika, 2002 , s. čtrnáct.
  42. ↑ G. D. Baer , ​​​​Technická termodynamika, 1977 , s. 59.
  43. ↑ Zhukovsky V.S. , Technická termodynamika, 1952 , s. 275.
  44. ↑ Glagolev K.V., Morozov A.N. , Fyzikální termodynamika, 2007 , s. 12.
  45. ↑ Bazarov I.P. , Termodynamika, 2010 , str. 23.
  46. ↑ Belonuchkin V. E. et al. Fundamentals of Physics, vol. 2, 2007 , str. 232.
  47. ↑ Aminov L.K. , Termodynamika a statistická fyzika, 2015 , s. 53.
  48. ↑ Devjatkin P. N. , Termodynamika, 2008 , s. 29.
  49. ↑ Sivukhin D.V. , Obecný kurz fyziky, díl 2, 2005 , s. 45.
  50. ↑ Krichevsky I. R. , Pojmy a základy termodynamiky, 1970 , s. 156.
  51. ↑ G. D. Baer , ​​​​Technická termodynamika, 1977 , s. 106.
  52. ↑ Clapeyron E. , Mémoire sur la puissance motrice de la chaleur, 1833 .
  53. ↑ Khrustalev B. M. et al. , Technická termodynamika, část 1, 2004 , str. 88.
  54. ↑ Gelfer Ya. M. , Historie a metodologie termodynamiky a statistické fyziky, 1981 , str. 114.
  55. ↑ 1 2 Krichevsky I. R. , Pojmy a základy termodynamiky, 1970 , s. 157.
  56. ↑ Ryndin V.V. , První zákon termodynamiky, 2004 , s. 197.
  57. ↑ Sivukhin D.V. , Obecný kurz fyziky, díl 2, 2005 , s. 47.
  58. ↑ Ryndin V.V. , Druhý zákon termodynamiky, 2002 , s. 41.
  59. ↑ De Boer, J. , Úvod do molekulární fyziky a termodynamiky, 1962 , str. 268.
  60. ↑ Amerkhanov R. A., Draganov B. Kh. , Tepelné inženýrství, 2006 , s. 264.
  61. ↑ Konovalov V.I. , Technická termodynamika, 2005 , s. 358.
  62. ↑ Aleksandrov A. A. , Termodynamické základy cyklů tepelných elektráren, 2016 , s. 63.
  63. ↑ 1 2 Alabovsky A. N., Neduzhiy I. A. , Technická termodynamika a přenos tepla, 1990 , str. 94.
  64. ↑ N. M. Beljajev , Termodynamika, 1987 , s. 194.
  65. ↑ Kruglov A. B. a kol. , Průvodce technickou termodynamikou, 2012 , str. 76.
  66. ↑ Burdakov V.P. et al. , Termodynamika, část 1, 2009 , str. 274.
  67. ↑ 1 2 Khrustalev B. M. et al. , Technická termodynamika, část 1, 2004 , str. 285.
  68. ↑ Kushnyrev V.I. et al. , Technická termodynamika a přenos tepla, 1986 , str. 185.
  69. ↑ Novikov I.I. , Termodynamika, 1984 , s. 286.
  70. ↑ Vukalovich M.P., Novikov I.I. , Termodynamika, 1972 , s. 174.
  71. ↑ Burdakov V.P. et al. , Termodynamika, část 1, 2009 , str. 272.
  72. ↑ Erofeev V. L. a kol. , Tepelné inženýrství, vol. 1, 2017 , str. 73.
  73. ↑ Voronin G.I. , Základy termodynamiky a přenosu tepla a přenosu tepla, 1958 , str. 257.
  74. ↑ Yastrzhembsky A.S. , Technická termodynamika, 1953 , s. 213.
  75. ↑ Zhukovsky V.S. , Technická termodynamika, 1952 , s. 268.
  76. ↑ Adiabatická expanze plynu do vakua Archivní kopie z 21. února 2020 na Wayback Machine // Mezisektorový internetový systém pro vyhledávání a syntézu fyzikálních principů měničů energie.
  77. ↑ Akopyan A. A. , Chemická termodynamika, 1963 , s. 84.
  78. ↑ Kirillin V. A. et al. , Technická termodynamika, 2016 , s. 240.
  79. ↑ Bazarov I.P. , Termodynamika, 2010 , str. 54.
  80. ↑ Kvasnikov I. A. , Molekulární fyzika, 2009 , str. 187.
  81. ↑ Novikov I.I. , Termodynamika, 1984 , s. 287.
  82. ↑ Akopyan A. A. , Obecná termodynamika, 1955 , s. 132, 283.
  83. ↑ Moskovsky S. B. , Kurz statistické fyziky a termodynamiky, 2005 , s. 149.
  84. ↑ Belov G. V. , Termodynamika, část 2, 2016 , Obr. 10.25, str. 31.
  85. ↑ Burdakov V.P. et al. , Termodynamika, část 1, 2009 , Obr. 9,26, str. 274.
  86. ↑ Amerkhanov R. A., Draganov B. Kh. , Tepelné inženýrství, 2006 , Obr. 6.9, str. 77.
  87. ↑ Brodyansky V. M. et al. , Exergetická metoda a její aplikace, 1988 , Obr. 5,18, str. 175.
  88. ↑ N. M. Beljajev , Termodynamika, 1987 , Obr. 14.3, str. 194.
  89. ↑ Novikov I.I. , Termodynamika, 1984 , Obr. 4.6, str. 287.
  90. ↑ Arnold L. V. a kol. , Technická termodynamika a přenos tepla, 1979 , Obr. 15.7, str. 227.
  91. ↑ Brodyansky V. M. , Exergetická metoda termodynamické analýzy, 1973 , Obr. 5-7, str. 162.
  92. ↑ Vukalovich M.P., Novikov I.I. , Termodynamika, 1972 , Obr. 5.11, str. 174.
  93. ↑ F. Boshnakovich , Technická termodynamika. Část 2, 1956 , Obr. 65, str. 70.
  94. ↑ Zhukovsky V.S. , Technická termodynamika, 1952 , Obr. 86, str. 268.
  95. ↑ 1 2 Carathéodory K. , O základech termodynamiky, 1964 .
  96. ↑ Druhý termodynamický zákon, 2012 , str. 71-158.
  97. ↑ Petrov N., Brankov J. , Moderní problémy termodynamiky, 1986 , s. 63-78.
  98. ↑ Tisza L. , Generalized Thermodynamics, 1966 .
  99. ↑ Novikov I.I. , Termodynamika, 2009 , s. 28.
  100. ↑ [[Zubarev,_Dmitrij Nikolajevič| Zubarev D. N. ]] Kvazistatický proces // Physical Encyclopedia, vol. 2, 1990, str. 261-262. . Staženo 27. listopadu 2018. Archivováno z originálu 27. listopadu 2018.
  101. ↑ [[Zubarev,_Dmitrij Nikolajevič| Zubarev D. N. ]] Reverzibilní proces // Physical Encyclopedia, vol. 3, 1992, str. 383 . Získáno 27. listopadu 2018. Archivováno z originálu dne 27. října 2018.
  102. ↑ Rovnovážný proces // Fyzikální encyklopedie, vol. 4, 1994, str. 197 . Staženo 27. listopadu 2018. Archivováno z originálu 27. listopadu 2018.

Literatura