Состояние системы. Обратимые и необратимые процессы

Поскольку при адиабатном сжатии температура газа повышается, то давление газа растет быстрее, чем при изотермическом сжатии. Понижение температуры газа при адиабатном расширении приводит к тому, что давление газа убывает быстрее, чем при изотермическом расширении.

Системой тел или просто системой мы будем называть сово­купность рассматриваемых тел. Примером системы может служить жидкость и находящийся в равновесии с ней пар. В частности, си­стема может состоять из одного тела.

Всякая система может находиться в различных состояниях, отличающихся температурой, давлением, объемом и т. д. Подоб­ные величины, характеризующие состояние системы, называются параметрами состояния.

Не всегда какой-либо параметр имеет определенное значение. Если, например, температура в разных точках тела неодинакова, то телу нельзя приписать определенное значение параметра Т. В этом случае состояние называется неравновесным. Для неравновесных состояний параметры, определяющие состояние системы, не имеют определенных значений.

Если такое тело изолировать от других тел и предоставить самому себе, то температура выравнивается и принимает одинаковое для всех точек значение Т - тело перейдет в равновесное состояние. Это значение Т не изменяется до тех пор, пока тело не будет выведено из равновес­ного состояния воздействием извне.

То же самое может иметь место и для других параметров, напри­мер для давления р. Если взять газ, заключенный в цилиндриче­ском сосуде, закрытом плотно пригнанным поршнем, и начать быстро вдвигать поршень, то под ним образуется газовая подушка, давление в которой будет больше, чем в остальном объеме газа. Следовательно, газ в этом случае не может быть охарактеризован определенным значением давления р, и состояние его будет неравно­весным. Однако если прекратить перемещение поршня, то давление в разных точках объема выравнивается и газ перейдет в равновесное состояние.

С аналогичным положением мы встречаемся и при установле­нии равновесия между жидкостью и паром в закрытом сосуде. Пар над жидкостью образуется в результате испарения — про­цесса, который состоит в том, что молекулы жидкости, обладающие большой скоростью, покидают жидкость с ее поверхности. Но часть молекул, покинувших жидкость, при своем хаотическом дви­жении может снова вернуться в нее, и это происходит тем чаще, чем больше образовалось пара. Равновесие между жидкостью и ее паром наступает тогда, когда число молекул, покидающих жидкость в единицу времени, становится равным числу молекул, возвращающихся в нее из пара. Пар станет насыщенным и после этого никакие макроскопические изменения в системе уже не про­исходят — давление и температура остаются постоянными. Од­нако выход молекул из жидкости и возвращение их из пара про­должаются и после установления равновесия. И в этом случае не исключено, что в состоянии равновесия в отдельных частях объема пара его плотность может несколько отличаться от средней, т. е. от плотности насыщенного пара.

Эти примеры указывают на две особенности равновесного состояния. Во-первых, понятие о термодинамическом равновесии является определенной идеализацией, потому что, строго говоря, параметры состояния при равновесии не остаются постоянными, а испытывают небольшие колебания вблизи своих равновесных (средних) значений. Такие колебания, как указывалось выше, называются флуктуациями. Во-вторых, о термодинамическом равновесии можно говорить только в том случае, когда число частиц, составляющих систему, очень велико.

Итак, равновесным состоянием системы назы­вается такое состояние, при котором все параметры системы имеют определенные значения, остающиеся при неизменных внешних условиях постоянными сколь угодно долго.

Процесс перехода системы из неравновесного состояния в рав­новесное называется процессом релаксации или про­сто релаксацией. Время, затрачиваемое на такой переход, называют временем релаксации. В качестве времени релаксации принимается время, за которое первоначальное откло­нение какой-либо величины от равновесного значения уменьшается в е раз. Для каждого параметра системы имеется свое время релак­сации. Наибольшее из этих времен играет роль времени релакса­ции системы.

Но когда равновесие уже установилось, то система не может, как показывает опыт, сама собой возвратиться к первоначальному неравновесному состоянию. Другими словами, изменения состоя­ния, которые претерпела система, переходя в состояние равновесия, не могут происходить в обратном направлении без внешнего воз­действия.

Дата добавления: 2014-01-14