Неравновесные процессы.
Обратимые и необратимые процессы.
Тепловые машины.
Процессы переноса.
Неравновесные процессы.
Обратимые и необратимые процессы.
Тема 1. Основы молекулярной физики и термодинамики.
Лекция №11
Определение 1.
Процесс называется обратимым, если при изменение его направления на обратное, система вернётся в исходное состояние. В противном случае процесс называется необратимым.
Качественной особенностью систем из большого числа частиц по сравнению с чисто механическими системами является необратимый характер термодинамических процессов.
Обратимость механического процесса означает, что если изменить направление процесса на обратное, то тело (макрочастица, но одна!), обладающее определенными значениями координат и скорости в конечном состоянии, будет проходить последовательность тех же состояний, которую оно проходило при первоначальном направлении процесса, но в обратном порядке. То есть, обратимость механического процесса обусловлена его детерминированностью, что устанавливается вторым законом Ньютона.
Всякий реальный термодинамический процесс всегда необратим. Он включает в себя множество независимых случайных событий (например, столкновения частиц!). И для того, чтобы он мог происходить в обратном направлении, необходимо, чтобы реализовалась вся эта случайная последовательность событий в обратном порядке. Иными словами, необратимость термодинамических процессов обусловлена их вероятностным характером.
Вследствие необратимости термодинамических процессов все процессы в изолированной системе протекают лишь в одном направлении – в направлении приближения системы к состоянию теплового равновесия. Будучи выведенной из состояния равновесия, система переходит в новое состояние равновесия спустя некоторое время – время релаксации. Причём переход системы к равновесному состоянию представляет собой необратимый процесс, поскольку вероятность самопроизвольного перехода равновесной системы в неравновесное состояние ничтожно мала.
Рассмотрим некоторые механизмы неравновесной релаксации системы к состоянию равновесия.
Определение 1.
Длина свободного пробега l – это средняя длина пути молекулы в газе между столкновениями.
Определение 2.
Среднее время свободного пробега – это время, равное t = l/v,
где v – средняя скорость теплового движения молекул.
Сущность процесса релаксации состоит в том, что при выведении системы из состояния равновесия в газе возникает поток соответствующей величины, например, тепла, массы, концентрации частиц и др. При приближении системы к равновесию этот поток исчезает, перераспределяясь по всей системе.
Определим поток произвольной физической величины как изменение этой величины в единицу времени в какой-либо точке пространства:
, (1)
где ΔG – разность значений величины Gв соседние моменты времени.
Знак минус означает, что направление потока противоположно направлению возрастания величины.
В выражение для потока введём пространственную координату – 
: 
. (2)
Если речь идёт о потоке частиц, это выражение нужно умножить на их число – число носителей величины G.
Число частиц в единице объема, движущихся в направлении оси ОХ, равно n/6 и (ввиду равновероятности движения в любом из возможных шести направлений: вверх-вниз, вправо-влево, вперёд-назад!).
Полный поток величины Gбудет равен:
, (3)
где величина (n·v·l/3) называется коэффициентом переноса.
При 
, (4)
где частная производная – 
есть скорость изменения физической величины в направлении оси ОХ.