Страница 28 из 150
В термодинамике данный ансамбль, ограниченный контрольной поверхностью, принято называть системой, или телом, а все, что находится за пределами контрольной поверхности, - окружающей средой. Изучая систему, мы вправе не интересоваться свойствами окружающей среды. Окружающая среда должна волновать нас только в той мере, в какой она служит источником специфических и универсальных воздействий на систему. Такой подход к изучению ансамбля очень плодотворен, поэтому мы будем широко использовать его в дальнейшем.
В общем случае система может состоять из одного ансамбля, совокупности многих ансамблей или даже фрагмента отдельного ансамбля. При этом система может принадлежать любому из количественных уровней мироздания: микро-, макро-, мега- и тому подобным мирам.
Известны различные виды специфических и универсальных воздействий окружающей среды на систему. Один из них заключается в переносе через контрольную поверхность определенного количества вещества dE . Сам по себе процесс переноса говорит о наличии специфического воздействия. Но одновременно совершается работа dQ , равная произведению экстенсора dE на интенсиал Р . Следовательно, перенос вещества свидетельствует также и о наличии универсального воздействия. Процесс переноса сравнительно легко обнаруживается, если наблюдать за тем, что происходит непосредственно на контрольной поверхности.
Второй вид воздействия связан с эффектом экранирования веществами друг друга в пределах системы. В состоянии экранирования и после нарушения этого состояния вещество ведет себя по-разному, что существенно влияет на свойства системы. Прекращение экранирования во многих отношениях равносильно появлению в системе вещества. Например, соответствующие условия возникают, если нейтрон, в котором взаимно скомпенсированы (экранированы) положительный и отрицательный электрические заряды, распадается на протон и электрон. При этом в системе как бы появляются положительное и отрицательное электрические вещества. С другими весьма распространенными примерами экранирования придется столкнуться в гл. XIII.
Очень большой интерес представляет также третий вид изменений экстенсора системы - за счет парена. Этот процесс пока наименее исследован, но ему предстоит большое будущее.
При изучении и расчетах второй и третий виды воздействий могут быть сведены к первому путем соответствующего выбора контрольной поверхности, системы и окружающей среды. При этом экранированное вещество и вещество парена мысленно относятся к окружающей среде, хотя на самом деле они находятся в пределах системы. Нарушение экранирования и появление вещества из парена условно рассматриваются как перенос вещества через контрольную поверхность. С похожими условными методами выбора контрольной поверхности, системы и окружающей среды приходится сталкиваться также при изучении химических и фазовых превращений [17, с.303; 21, с.205].
Следовательно, в качестве основного вида воздействий окружающей среды на систему можно принять первый, который сопровождается переносом через контрольную поверхность вещества в количестве dE . Этот вид является наиболее общим, к нему могут быть сведены все остальные, поэтому ниже его изучению уделяется наибольшее внимание.
Введение понятий контрольной поверхности, системы и окружающей среды, а также установление основного вида воздействий позволяют очень четко обозначить принадлежность величин, содержащихся в уравнении (31), то есть определить, какие из них относятся к системе, какие - к контрольной поверхности и окружающей среде. Например, совершенно очевидно, что величина dU должна принадлежать системе, поскольку энергия определяет связь между всеми веществами, образующими систему. В термодинамике энергию U принято называть внутренней. Однако в ОТ существует только одна энергия - мера, поэтому такая конкретизация названия не имеет особого смысла.
В противоположность энергии экстенсор dE относится к окружающей среде, ибо в процессе взаимодействия вещество в количестве dE переходит из окружающей среды в систему. Этот процесс сопровождается совершением работы dQ . Работу совершает окружающая среда над системой, поэтому величина dQ также принадлежит окружающей среде.
Следовательно, в целом левая часть уравнения (32), а значит, и (31) относится к системе, а правая - к окружающей среде. При этом положительному приращению величины экстенсора системы dE (переходу вещества из окружающей среды в систему) соответствует положительная работа dQ (окружающей среды над системой) и положительное приращение (возрастание) энергии dU системы. В этом заключается правило знаков для энергии, работы и экстенсора.
Необходимо отметить, что в термодинамике в качестве некоего исключения принято считать так называемую механическую работу, связанную с изменением объема системы. В этом случае положительное приращение dU получается при отрицательном приращении объема dV : при совершении положительной работы система сжимается - ее объем уменьшается. Поэтому механическую работу обычно записывают в виде
dQv = - pdV Дж, (43)
или dL = pdV Дж,
где использовано известное обозначение
dQv = - dL Дж.
Однако ниже по мере расшифровки физического смысла введенных понятий станет ясно, что во всех случаях положительному dU отвечают положительные dQ и dE . Причина кажущегося исключения для механических явлений заключена толь ко в неадекватном способе традиционного выбора механического экстенсора, то есть объема V (см. параграфы 2 и 4 гл. XV). Кстати, на примере механической работы легко показать органическую связь, существующую между уравнениями (28) и (43) и таким образом перекинуть мост к общему уравнению (34). Для этого достаточно обратиться к рис. 1, где изображена система, изменившая свой объем на величину dV под действием давления р ; площадь контрольной поверхности равна F.
Рис.1. Схема для определения связи между формулами (28) и (43).
Находим
dQx = Pxdx = pFdV/F = pdV = dQv = dQk (44)
где Px = pF ; dx = dV/F .
Здесь знак минус опущен (рассматривается абсолютное значение работы); давление р, равномерно распределенное по площади F , выражено через силу Рх ; приращение объема dV, отнесенное к площади, дает перемещение контрольной поверхности на расстояние dx [ТРП, стр.99-102].
6. Внутренние и внешние степени свободы системы.
Установим далее физический смысл величины l, которая входит в правую часть уравнения (31), принадлежащую окружающей среде.
Допустим, что данная система, определяемая уравнением (27), внутренне восприимчива к l конкретным веществам, она способна приобретать и терять через контрольную поверхность эти вещества. Тогда такую систему можно определить как обладающую l внутренними степенями свободы. Следовательно, под внутренними степенями свободы мы будем понимать располагаемые, потенциально заложенные в системе возможности взаимодействий с окружающей средой.
Однако реализация имеющихся возможностей зависит не только от свойств системы, но не в меньшей мере и от свойств окружающей среды. Ведь последняя на границе с системой - на контрольной поверхности - располагает вполне определенными своими внутренними степенями свободы. В общем случае количество этих степеней, внешних по отношению к системе, равно lе , причем не все степени из числа lе обязательно совпадают со степенями из числа l . Очевидно, что взаимодействие между системой и окружающей средой возможно только по сопряженным степеням свободы, когда система и среда одновременно способны воспринимать и терять соответствующие вещества.
Если число сопряженных между собой степеней свободы системы и среды обозначить через n , то должно соблюдаться требование [18, с.61; 21, с.47]
n ? 1 (45)
Величина n характеризует фактически реализуемые взаимодействия между системой и окружающей средой, то есть определяет внешние степени свободы системы, зависящие от свойств окружающей среды.