Элементы неравновесной термодинамики

Ключевые тезисы

  • Неравновесная термодинамика описывает системы как непрерывные среды с параметрами состояния, зависящими от координат и времени.
  • Основной метод — составление уравнений баланса для элементарных объёмов на основе законов сохранения и феноменологических уравнений.
  • Энтропия в неравновесных процессах не сохраняется, а возрастает, что выражает направление самопроизвольных процессов.

🎯 Основной метод описания

Система представляется как совокупность элементарных объёмов, достаточно больших для макроскопического описания. Состояние каждого элемента характеризуется термодинамическими параметрами (температура, давление и др.), являющимися функциями координат и времени. Количественное описание строится на:

  • Уравнениях баланса для массы, импульса и энергии.
  • Уравнении баланса энтропии.
  • Феноменологических уравнениях, связывающих потоки (массы, импульса, энергии) с градиентами термодинамических параметров.

Этот подход позволяет получить полную систему уравнений переноса (гидродинамики, теплопроводности, диффузии) для сложных систем.

📐 Законы сохранения в локальной форме

Закон сохранения массы

  • Для компоненты k: ∂ρₖ/∂t = -∇·(ρₖ vₖ), где ρₖ — плотность, vₖ — массовая скорость потока частиц данного вида.
  • Для суммарной плотности ρ = Σρₖ: ∂ρ/∂t = -∇·(ρ v), где v — средняя гидродинамическая скорость среды.
  • Через концентрацию cₖ = ρₖ/ρ: ρ * dcₖ/dt = -∇·Jₖ, где d/dt = ∂/∂t + (v·∇) — полная производная, а Jₖ = ρₖ(vₖ - v) — диффузионный поток.

Закон сохранения импульса
Изменение импульса элементарного объёма происходит за счёт внутренних напряжений и внешних сил. Его применение приводит к уравнению гидродинамики (уравнению Навье-Стокса):
ρ * dvᵅ/dt = -Σ ∂/∂xᵝ * Pᵅᵝ + Σ ρₖ * fₖᵅ,
где Pᵅᵝ — тензор напряжений, fₖᵅ — внешняя сила на компоненту k.

Закон сохранения энергии (Первое начало)
Полная энергия складывается из кинетической, потенциальной в поле сил и внутренней энергии u. Для удельной внутренней энергии u уравнение баланса показывает, что её изменение определяется:

  • Дивергенцией потоков внутренней энергии и теплоты.
  • Работой внутренних и внешних сил.

🔥 Уравнение баланса энтропии и её рост

Принимается, что локальная энтропия элементарного объёма является такой же функцией состояния, как и в равновесии. Это позволяет вывести уравнение баланса:
ρ * ds/dt = -∇·Jₛ + σ,
где:

  • Jₛ — плотность потока энтропии (выражается через потоки теплоты, диффузии и тензор вязких напряжений).
  • σ — скорость локального производства энтропии (σ > 0).

σ определяется только необратимыми процессами (диффузия, теплопроводность, вязкость) и равна сумме произведений потоков на сопряжённые им термодинамические силы (градиенты параметров). Положительность σ выражает закон возрастания энтропии в термодинамике необратимых процессов.

📈 Примеры необратимых процессов и статистический смысл энтропии

Пример 1: Выравнивание температур

  • Две одинаковые порции идеального газа в тепловом контакте при разных температурах T₁ > T₂.
  • После установления равновесия общая температура T₃ = (T₁ + T₂)/2.
  • Расчёт показывает, что полное изменение энтропии системы ΔS = ΔS₁ + ΔS₂ > 0.

Пример 2: Расширение газа в вакуум

  • При удалении перегородки, разделяющей объёмы V₁ и V₂ (V₂ > V₁), вероятность нахождения всех N частиц в меньшем объёме V₁ крайне мала: W ~ (V₁/V₂)ᴺ.
  • Энтропия связана с вероятностью макросостояния формулой Больцмана: ΔS = k * ln(W).

Выводы

  1. Статистический смысл энтропии: Энтропия — мера вероятности макросостояния системы. Она возрастает при переходе к более вероятному состоянию.
  2. Направление процессов: Все самопроизвольные (необратимые) процессы в замкнутых системах идут в сторону увеличения энтропии (ΔS > 0).
  3. Упорядоченность: Возрастание энтропии отражает общую тенденцию перехода от более упорядоченных состояний (сосредоточение энергии или частиц) к менее упорядоченным (равномерное распределение). Обратный процесс термодинамически не запрещён, но его вероятность ничтожно мала.