книги / Техническая термодинамика.-1
.pdfпомощ ью той ж е работы п ревращ ает теп лоту н и зко го тем пературного
потенциала в теп л о ту более вы со ко го |
тем пературного |
потенциала |
||
(’’п е р ек ач и в ает” теп лоту). |
|
|
|
|
П о ско л ьк у в теп л о в о м н асосе q t > |
/0, то следовательн о, всегд а |
|||
ew > 1; это ви д н о и з у р а в н е н и я (416). |
|
|
|
|
Е сли в |
теп л о в о м н асосе о су щ ествояется обратны й ц и к л |
К арно |
при |
|
Т0 = 275 |
К и тем п ер ату р е теп л о н о си тел я в систем е отоп лен и я |
Т2 = |
* 340 К , то п о л у ч аем следую щ ее зн ачен и е отопительного коэф ф ициен
та е0.от = Т2/{Т 2 - |
Г0 ) = 340/(340 - |
275) = 5,2. |
|
|
|
О топительны е |
коэф ф и ц и ен ты |
теп л о вы х |
насосов, использую щ их |
||
циклы тер м о д и н ам и ч еск и м ен ее |
соверш ен н ы х |
холоди льн ы х устан о |
|||
во к , м ен ьш е, чем |
у обратного ц и к л а Карно', при этом и х вели ч и н а |
||||
достигает 4, а и н о гд а и более. |
|
|
|
|
|
Из вы р аж ен и я (415) сл ед у ет, что при е01 = 3 * |
4 потребитель п олуча |
||||
ет в три - четы ре р аза больш е |
теплоты , чем |
при обы чном эл ек тр о |
|||
обогреве с тем и ж е затратам и эл ек троэн ерги и /0 . |
|||||
В тех с л у ч а я х , |
к о гд а в к а ч ес тв е |
ниж него |
и сточника и сп ользуется |
||
охлаж даю щ ая в о д а пром ы ш лен н ы х |
п ечей, |
ко н д ен саторов турбин и |
д р у ги х п р о и зв о д ств ен н ы х агр егато в, эф ф ективность работы теп лового насоса во зр астает.
В первы е п ар о к о м п р ессо р н ая ам м и ач н ая теп лон асосн ая у стан о вк а
бы ла и сп о л ьзо ван а д л я о то п л ен и я п ом ещ ен и я в 1930 г. С тех пор было
сооруж ено достаточн о б ольш ое ко л и ч ество теп ловы х насосов. О днако
они ещ е н е п о л у ч и л и ш и рокого расп ростран ен и я из-за относительной д орогови зн ы эл ек тр о эн ер ги и и вы со к о й стоим ости у стан овк и . По м ере
у со вер ш ен ство ван и я |
техн о л о ги и |
и у д еш ев л ен и я |
электроэн ерги и |
|
теп ловы е насосы в б у д у щ ем н ай д у т б о л ее ш ирокое прим енение. |
||||
В те п л о в ы х н асосах |
и спользую т |
ц и к л ы воздуш н ы х, |
п ароком п рес |
|
сорны х и тер м о эл ек тр и ч еск и х х о л о д и льн ы х устан о во к . |
|
|||
Х олоди льн ы е у стан о в к и м о гу т и сп о л ьзо ваться и |
д л я |
совм естного |
п о л у чен и я теп лоты и х о л о д а . К ом би н и руя п рям ой теплоф икационны й
ц и к л с ц и к л о м теп л о во го насоса, м ож н о п олучать теп лоту с любой пром еж уточной м еж д у тем п ер ату р ам и го р яч его и холодн ого источни к а тем п ер ату р о й . Т а к а я к о м б и н и р о ван н ая у стан о в к а п р ед ставл яет собой трансф орм атор теп л а .
|
* |
|
* |
|
|
|
* |
|
|
|
|
К а к |
отм ети л Р .К убо: ” И сейчас |
тер м о ди н ам и ка, |
п р ед ставл яю щ ая |
||
собой |
о д и н и з .о с н о в н ы х р а зд ел о в |
ф и зи ки , и грает |
столь ж е важ ную |
||
роль, к а к и в о вто р о й п о л о ви н е прош лого в е к а ” . |
|
||||
Т ер м о д и н ам и к а я в л я е т с я ’’ж и в о й ” |
н ау к о й , |
ее со врем ен н ое р а зв и |
|||
тие и д ет по м н оги м н ап р авл ен и я м , |
отразить |
которы е в к о р о тк о м |
заклю чен и и м ож но лиш ь схем ати чески . С оверш ен ствуется сам ап п арат
терм оди н ам и ки , к а к класси ч еск о й , т а к и н ер авн овесн ой . |
||||||
В области |
класси ч еск о й тер м о д и н ам и ки |
в е д у тс я |
и ссл ед о ван и я по |
|||
ф ундам ен тальн ы м |
проблем ам , |
связан н ы м |
с воп росам и ак си о м ати к и , |
|||
ф орм ализации и о б о сн ован и я |
теории, |
р а зв и в ае тся |
тер м о д и н ам и к а |
|||
слож ны х систем , |
в которы х, |
п ом и м о |
д а в л е н и я , действую т д р у ги е |
|||
обобщ енны е |
силы |
- эл ек тр и ч еск и е, |
м агнитны е, |
гр ави тац и он н ы е, |
поверхностны е и т.д .
Т ерм оди н ам и ка в заи м о д ей стви я п о лей с вещ еством |
и грает важ ную |
роль при и зу ч ен и и п о в ед ен и я и свой ств м агн ети к о в, |
д и э л е к т р и к о в , |
св ер х п р о во д н и к о в , при и сслед ован и и разли чн ы х систем в н евесо м о с
ти и т.д . М етоды тер м о д и н ам и ки |
обобщ аю тся н а |
слож н ы е систем ы , |
||
обладаю щ ие вн утрен н ей структурой , так и е к а к |
ко м п о зи тн ы е |
м ате |
||
риалы , п олим еры , ж и д к и е |
кри сталлы , би ологи чески е тк ан и |
и д р . |
||
П ояви лась тер м о д и н ам и к а |
сред с |
пам ятью , представляю щ и х |
собой |
|
та к и е систем ы , состояние которы х |
о п р ед ел яется не то л ьк о зад ан и ем |
|||
парам етров в данны й м ом ент, но |
и и х зн ачен и ям и в п ред ы д ущ и е |
|||
м ом енты вр ем ен и (состояние зави си т от преды стории). |
|
В п ослед н и е годы вн и м ан и е и сслед о вател ей п ри влекаю т процессы
спонтанного |
в о зн и к н о в |
е н и я |
в н еу п о р яд о чен н ы х |
си стем ах |
простран |
|
ствен н ы х |
и |
вр ем ен н ы х |
структур, т.е. я в л е н и я |
ее сам оорган и зац и и . |
||
О дним и з |
создателей теории |
в о зн и к н о в е н и я стр у кту р при |
н еобрати |
м ы х процессах, которы е бы ли н азван ы ди ссипативны м и стр у к ту р ам и , я в л я е т с я И .Р.Пригожин. Он писал: ” . . .Н еко то р ы е откры ты е си стем ы при п ереходе от равн овесн ы х у сл о ви й к у с л о в и я м д а л е к и м от р а в н о весн ы х стан о вятся н еустойчивы м и и и х свой ства р ад и к ал ь н о м ен яю т
ся. Т аки м и |
свой ствам и |
обладаю т м н оги е биологи чески е |
систем ы , |
||||
причем в о |
всех |
сл у ч аях |
сущ ествует, ви д и м о , |
терм о ди н ам и ч ески й |
|||
порог сам оорганизации, четко разграничиваю щ ий |
кл асс р авн о в есн ы х |
||||||
структур и |
кл асс |
структур, |
н азы ваем ы х |
диссипативны м и |
и в о зн и |
||
каю щ их лиш ь при больш их |
о тк л о н ен и ях |
от р ав н о в еси я ” . И сследова |
|||||
ние п о вед ен и я систем вд ал и |
от р авн о в еси я со ставл яет п ред м ет н ел и |
нейной неравн овесн ой тер м о ди н ам и ки . |
В нелинейн ой области ли н ей |
ны е ф ен ом ен ологи чески е зак о н ы (306) у |
ж е н е имею т м еста. П рим ером |
н елинейн ой терм о ди н ам и ки м ож ет служ и ть тер м о д и н ам и к а |
хи м и чес |
||||||||
к и х реакц и й , |
к и н ети к а |
которы х |
п о д чи н яется н ели н ей н ом у |
к и н ети |
|||||
ч еском у зак о н у . |
|
|
|
|
|
|
|
||
С ледствием |
второго |
н ачал а |
терм о ди н ам и ки |
я в л я е т с я |
принцип |
||||
во зр астан и я |
энтропии зам к н у то й |
системы |
dS > 0. |
С истема при |
этом |
||||
п ер ех о ди т в |
состояние |
р авн о в еси я, при |
котором |
S = |
5 max(d5 |
= 0). |
|||
М акси м альн ая |
эн троп и я |
соответствует низш ей степени |
о р ган и зо ван |
||||||
ности систем ы , т.е. наибольш ей |
н еуп орядочен н ости . Н ер авн овесн ы е |
||||||||
состоян и я, д л я которы х S < S max {dS < 0 и л и d S ld t< 0), |
я в л я ю тс я бо |
лее вы со к о ор ган и зо ван н ы м и . Чтобы поддерж и вать так и е состояния,
система д о л ж н а быть откры той . Д ействительно, из у р авн ен и я баланса энтропии (298) d S /d t = d eS /d t + d^S ldt, в котором прои зводство энтро пии d (S /d t в сегд а п олож и тельн о, сл ед у ет, что d S /d t < 0, если d eS /d t <
< 0 и deS /d t > d jS /d t. Э нтропия н ер авн овесн ой системы м ож ет убы вать
или оставаться |
н еи зм ен н о й (d S /d t - |
0 |
в стационарном состоянии) |
||||
только за счет п о то к а энтропии в окруж аю щ ую среду { d S jd t < |
0). При |
||||||
ум еньш ении |
энтропии в |
состоян и ях, |
д а л е к и х |
от равн о веси я, |
м ож ет |
||
наблю даться |
к ач ествен н ы й с к а ч о к (наподобие |
ф азового п ерехода), в |
|||||
результате ко то р о го в о зн и к ае т н о вая , |
б о л ее о р ган и зо ван н ая стр у кту |
||||||
ра. Это н аб лю д ается при достиж ении |
систем ой |
н екоторы х п ороговы х |
|||||
(критических) |
зн ачен и й |
п арам етров . |
П оскольк у сам оорган и зац и я |
во зн и кает в р езу л ьтате совер ш ен и я систем ой необратим ы х процессов,
сопровож даю щ ихся диссипацией, |
х ар актер и зу ем о й диссипативной |
ф ункцией ф = T djSldT , о б р азо вавш и еся н овы е структуры назы ваю т |
|
диссипативны м и . К и н ети чески е |
у р ав н ен и я , описы ваю щ ие необра |
тимые процессы в д а л и от р ав н о в еси я , яв л я ю тся нелинейн ы м и . Н ели нейность п о в е д е н и я систем ы п р ед ставл яет собой одно из необходим ы х
условий |
в о зн и к н о в е н и я д и сси п ати вн ы х |
структур . На м о л ек у л я р н о м |
||
уровн е при этом |
н аблю дается к о о п ер ати вн о е (согласованное) п о вед е |
|||
ние стр у кту р н ы х частиц. |
|
|
||
П рим ером ди сси п ати вн ы х |
стр у к ту р м огут служ ить я ч ей к и Б енара, |
|||
возни каю щ ие в |
п о д о гр еваем о м сн и зу |
тон к ом гори зонтальном слое |
||
ж идкости . При достиж ении |
к р и ти ческо й разности тем ператур м еж ду |
|||
нижней |
и в ер х н ей гран и ц ей |
с л о я в нем |
за счет кооп ерати вн ого д в и |
|
ж ения |
м о л е к у л |
ж и д кости |
возн и каю т |
п рави льн ы е ш естиугольны е |
к о н в ек ти вн ы е я ч ей к и .
К ооп ерати вн ое п о вед ен и е систем ы ф отонов им еет м есто в лазер ах . В н ели н ей н ы х х и м и ч еск и реагирую щ их систем ах наблю даю тся перио
дически п ростран ствен н о -врем ен н ы е концентрационны е структуры .
Р азви ти е |
тер м о д и н ам и к и откры ты х систем |
обеспечило успеш ное |
|||
прим енение |
тер м о д и н ам и ч еск и х |
м ето д о в к |
исследованию |
ж и вы х |
|
систем (б и о л о ги ч еск ая тер м о ди н ам и ка). |
|
|
|||
П реж де всего у д ало сь |
устранить каж у щ и еся |
п роти воречи я |
м еж ду |
||
принципом |
в о зр астан и я |
энтропии, |
вы раж аю щ им тенденцию к |
р азр у |
шению стр у к ту р , и н аблю даем ой вы со ко й степенью орган и зован н ости
биологи чески х систем . |
П ротиворечие устр ан яется |
уж е |
на у р о вн е |
||||||
баланса |
энтропии . Р азви ти е и |
ф у н кц и он и рован и е |
ж и вы х |
систем, в |
|||||
которы х |
П ротекает |
огром н ое |
ко л и ч ество |
необратим ы х |
процессов, |
||||
сопровож даю щ ихся |
п р о и зво д ство м |
энтропии d iS /d t, возм ож н ы п ото |
|||||||
му, что |
п о сл ед н ее |
в р езу л ьтате |
о б м ен а |
вещ еств |
к о м п ен си р у ется |
||||
отрицательны м |
п о то к о м |
энтропии |
- d eSfdT , |
в р езу л ьтате |
dS /dt < 0. |
||||
К он кретн ы е |
п р и л о ж ен и я тер м о д и н ам и ки к би ологии |
в есьм а о б |
ш ирны и разнообразны . Они охваты ваю т процессы транспорта эн ерги и
и вещ ества в к л е т к а х и |
суб клеточн ы х стр у кту р ах , транспорт ч ерез |
|
м ем браны , |
эл ек тр о х и м и чески е процессы , би охи м и чески е р еакц и и , |
|
процессы |
трансф орм ации |
энергии . И сследование в о зн и к н о в е н и я и |
ф у н к ц и он и рован и я ди сси п ати вн ы х стр у кту р п о зв о л я е т гл у б ж е п онять процессы р азви ти я и эволю ции б и олои чески х систем .
П олученны е в этой области результаты м огут о к азаться п олезн ы м и
и д л я тех н |
и ч еск и х прилож ений . Рассм отрим |
один пример* п р и в е д я |
следую щ ую |
техническую х ар ак тер и сти к у : |
’’Л инейны й д ви гател ь |
х ар ак тер и зу ется прочностью и надеж ностью . К он струкц и я п р о вер ен а и оп ти м и зи рован а в х о д е испы таний, п р о во д и вш и х ся в течен и е очень дли тельн ого врем ен и в гл о б ал ьн о м м асш табе. Все м одели вы со ко эко -
ном ичны и |
м огут работать |
н а общ едоступны х в и д ах |
то п л и ва. |
В сос |
|||
то ян и и п о к о я м ощ ности почти |
не потребляет, |
но |
д ви гател ь |
м ож ет |
|||
м гн овен н о |
вк лю чи ться без |
д о б |
ав л ен и я топ ли ва |
и |
за |
н еск о л ь к о м и л |
л и сек у н д разви ть м ощ ность 1 кВт на 1 к г массы . К он струкц и я м о д у л ь
ная, им еет больш ой набор су б б л о ко в, что дает возм ож ность п олучить |
||||||
наивы сш ую экон ом и ческую |
эф ф ективность. |
У правление циф ро |
||||
во е |
И м еется больш ое |
число д оп олн и тельн ы х |
ф у н кц и о н альн ы х |
|||
б л о к о в: встроенны е след ящ и е системы |
на случаи , |
к о гд а тр еб у ется |
||||
то ч н ая п од строй ка” . |
|
|
|
|
|
|
Этим весьм а соверш енны м д ви гател ем |
я в л я е т с я |
м ы ш ца, п р ед став |
||||
ляю щ ая |
собой м ех ан охи м и чески й |
д ви гател ь |
и |
осущ ествляю щ ая |
||
п рям ое |
преобразован и е хи м и ческой |
энергии в |
м ехан и ческую . И нж е |
нерны х ан алогов м ех ан охи м и чески х д ви гател ей в н астоящ ее в р е м я не
сущ ествует. Если учесть, что КПД мыш цы |
достигает > 4 0 % |
а так ж е |
||||||
приведенную вы ш е х ар актер и сти ку , то |
есть н ад |
чем |
п одум ать |
б у д у |
||||
щ им и сслед о вател ям и кон структорам . |
|
|
|
|
|
|
|
|
И сследование биологи чески х структур |
я в л я е т с я |
одной |
из |
зад ач |
||||
ф изики стр уктурооб разован и я . В число этих проблем |
в х о д я т |
специ |
||||||
ф ические хи м и чески е, гео логи чески е, |
эко л о ги чески е, |
м етео р о ло ги |
||||||
чески е, косм ологи чески е, экон о м и чески е структуры и др. |
|
|
||||||
Вопросы |
ф орм и рован и я структур |
относят к |
ф ун дам ен тальн ы м |
|||||
проблем ам |
естественны х н ау к , реш ение которы х н ах о д и тся |
на сам ой |
н ачальной стадии, и м ы ещ е д а л е к и от четкого п он и м ан и я п рои схож д ен и я и м н огообрази я наблю даем ы х в природе структур .
Обш ирной |
областью д л я п ри м ен ен и я |
тер м о ди н ам и ч ески х |
м ето д о в |
||
служ ит эк о л о ги я, в которой |
и зу ч ается |
в заи м о свя зь |
всего |
ж и во го с |
|
окруж аю щ ей |
средой . О снову |
в заи м о д ей стви я ж и вой |
и н еж и вой п ри |
роды составляю т процессы взаи м н о го обм ен а энергией и вещ ество м . В с в я зи с этим зако н ы терм о ди н ам и ки д олж н ы играть важ н ую роль при и сслед ован и и эк о л о ги ч еск и х систем .
О становится н а одной из эк о л о ги ч еск и х п роблем , с в я зан н о й с
м атериальны м п р о и зво дство м , - загр язн ен и ем |
окруж аю щ ей среды . |
||
Причин |
за гр я зн е н и я |
н еск о л ьк о : неэф ф екти вн ое |
исп ользован и е энер |
гии в |
п роц ессах ее |
п р о и зво д ства и п отребления; несоверш енство |
техн о л о ги ч ески х п роц ессов и тех н ологи ч еского оборудован и я; отсут
ствие заи н тересован н ости в |
п ер ер аб о тке отходов . П оследняя |
проб |
лем а я в л я е т с я соци альн ой . К |
тер м о ди н ам и ке имею т отнош ение |
пер |
вые д в е п роблем ы , связан н ы е с и нж енерной п ракти кой . |
|
|
Э ф ф ективность п о л у ч ен и я |
вы сокосортной эл ек три ч еской энергии |
из н и зкосортн ой теп л о во й огран и чен а р ам к ам и второго н ачала терм о
д и н ам и ки |
(п роблем а КПД). Д аж е |
в соверш енны х |
обратим ы х ц и к л ах |
теп ловы х |
д ви гател ей , им ею щ их |
КПД ~ 40 %, |
зн ачи тельн ая часть |
теплоты вер х н его и сто ч н и к а (60 %) д о л ж н а отвод и ться н иж нем у источ нику, роль ко то р о го и грает о круж аю щ ая среда. Все теп ловы е д ви гате ли осущ ествляю т теп л о во е загр язн ен и е среды . У читы вая действую щ ие только эл ек тр и ч еск и е м ощ ности, нетрудн о п редставить м асш табы этих
загрязн ен и й . К ром е того, в окруж аю щ ую |
среду п рои зводи тся вы брос |
|||||||
п р о д у кто в сго р ан и я то п л и в а и о тх о д о в |
разли чн ы х техн ологи чески х |
|||||||
процессов. |
|
|
|
|
|
|
||
Ф и зи ко -хи м и чески е процессы , |
леж ащ и е в |
о сн ове ф ун кц и он и рова |
||||||
ния к а к ж и вы х , т а к и и ску сствен н ы х |
инж енерны х систем, в той или |
|||||||
иной |
степ ен и н еобратим ы , т.е. имею т |
диссипативную природу. Эти |
||||||
диссипативны е эф ф екты м о гу т быть оценены |
ф ун кц и ей эксергетичес- |
|||||||
ких |
потерь (374) (d /d t)A L * = r od ,S /d f |
= |
Г 0 1 к о т о р ы е о п р ед ел я |
|||||
ются |
вел и ч и н о й |
п р о и зво д ства |
энтропии |
d jS /d t. |
Э ксергетические |
|||
потери |
п ер ех о д я т |
в окруж аю щ ую |
среду, |
поэтом у |
вели чи н а d k L * /d t |
|||
служ ит |
м ер о й ее |
за гр я зн ен и я . П р и веден н ая ф орм ула прим еним а к |
любым н еобрати м ы м процессам и в принципе п о зво л яет диф ф еренци
ровать н еобрати м ы е |
потери по |
причинам и областям локал и зац и и , |
п о зв о л я я тем сам ы м |
в ы я в и ть |
’’слабы е м еста” , обусловлен н ы е к а к |
несоверш енством тех н о л о ги и , т а к и к о н стр у к ц и ей разли чн ы х элем ен тов о б о р у д о ван и я . З д есь о тк р ы вается ш ирокое п оле д еятельн ости д л я при м ен ен и я м ето д о в тер м о д и н ам и ки необратим ы х процессов. Сейчас н ако п л ен оп ред елен н ы й опы т и сп о л ьзо ван и я диссипативной ф ун кц и и
терм оди н ам и ки необрати м ы х процессов |
прим енительно к и н |
ж ен ер |
ным и б и о л о ги чески м систем ам , о д н ак о |
больш ое ко л и ч ество |
зад ач |
ж дет сво ей п о стан о вк и и реш ен и я. |
|
|
Полностью избеж ать загр язн ен и й окруж аю щ ей среды н евозм ож н о, но соверш ен н о о ч еви д н о , что и х м ож но и н еобходи м о сниж ать. О дин из п утей состоит в освоен и и более эф ф екти вн ы х и сточн и ков энергии . Д ля этих ц ел ей м ож но и сп о л ьзо вать гравитаци онную энергию (напри
м ер, р е к , в о д о п ад о в, п р и л и во в и |
т.д .), |
солнечную |
энергию , энергию |
ветра, ги дротерм альн ую энергию |
и др . |
П редставляю т интерес к о н |
|
струкц и он н ы е способы п р ео б р азо в ан и я |
энергии - |
п р ям о е п р евращ е |
ни е х и м и ческо й энергии в эл ек тр и ч еску ю (в то п л и вн ы х эл ем ен тах ) и м еханическую » осво ен и е тер м о яд ер н о го си н теза и т.д .
Д ругой п уть зак л ю ч ается в соверш ен ствован и и рабочи х п р о ц ессо в п утем у м ен ьш ен и я необрати м ы х потерь. М и н им и зация д и сси п ати вн ой
ф у н кц и и п р ед ставл я ет собой терм оди н ам и ческую зад ач у , |
а ее р еал и |
||||||||||
за ц и я я в л я е т с я инж енерной проблем ой . |
|
|
|
|
|
|
|||||
С ниж ение ущ ерба от м атер и ал ьн ы х загр язн ен и й св я за н о |
с и х |
п ер е |
|||||||||
р аб откой в м ен ее опасны е и |
даж е п олезн ы е ф орм ы . Д л я этого |
тр еб у |
|||||||||
ется |
со зд ан и е |
м аш ин, которы е м о гу т работать (в соответстви и |
со |
||||||||
вторы м |
зак о н о м тер м о ди н ам и ки ) то л ь к о |
с затратам и |
эн ерги и . З д есь |
||||||||
в е д у щ а я |
роль |
п ри н адлеж и т тер м о д и н ам и к е . Т аки м |
о б разом м о ж ет |
||||||||
быть |
реш ена, |
наприм ер, п р о б л ем а за гр я зн е н и я вб д ы , |
п о с к о л ь к у |
в о |
|||||||
д а - |
одн о и з |
м н о ги х вещ еств, д оп ускаю щ и х |
п олн ое |
во сстан о в л ен и е |
|||||||
п осле п ерви чн ой обработки . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
С |
тер м о ди н ам и ко й тесно |
с в я за н а |
тео р и я |
инф орм ации . О бе |
н а у к и |
||||||
о б ъ ед и н яет статистическое |
п о н яти е |
энтропии и инф орм ации . А н али з |
|||||||||
инф орм ац и он н ы х процессов и м еет свои |
особенности, |
но |
н е тр еб у ет |
||||||||
в в е д е н и я к ак и х -л и б о н о вы х зак о н о в |
и л и |
при н ц и п ов тер м о д и н ам и к и . |
И нф орм ация об лад ает эн ергети ческой |
стоимостью , а лю бой и н ф орм а |
|||||||
ционны й процесс |
соп ровож д ается диссипацией |
энергии . При |
п о л у ч е |
|||||
нии инф орм ации |
в и зм ери тельн ом а к те всегд а |
происходит |
в за и м о |
|||||
дей стви е и зм ери тельн ого устройства |
и и сслед уем ой |
систем ы , |
соп ро |
|||||
вож даю щ ейся |
обм еном |
энергией , д и сси п ац и я |
которой п р и во д и т к |
|||||
необратим ости |
процесса |
и зм ер ен и я . |
А н алоги чн ая |
си ту ац и я |
и м еет |
м есто и в процессах у п р авл ен и я . Это п о зв о л я ет строить тер м о д и н ам и ч ески е м о д ел и процессов и зм ер ен и я и у п р авл ен и я .
Ч резвы чайно больш ая общ ность тер м о д и н ам и ч ески х м ето д о в , которы е п ри м еним ы к лю бым м ак р о ск о п и ч еск и м систем ам , п р и во д и т
к и д ее и сп о л ьзо ван и я терм оди н ам и ческого п о д х о д а в и ссл ед о ван и и
эк о н о м и ческ и х систем . О сн ован и ем д л я тер м о д и н ам и ч еск и х ан ало ги й слож ит сущ ествован и е в эк о н о м и к е ф ун кц и й , обладаю щ их та к и м и ж е свой ствам и , к а к и эн троп и я . В озрастание этой ф у н кц и и о п р е д ел я е т н ап р авл ен и е спонтанны х процессов, а м ак си м у м - состоян и е р а в н о в е
си я . При этом в м о д е л я х эк о н о м и к и о б н ар у ж и вается ан ало г тер м о д и
н ам и ч ески х |
н ер авен ств, |
и з |
которы х, нап ри м ер, |
сл ед у ет |
п ри н ц и п |
|||
Ле-Ш ателье. Б ели налож и ть н а эк о н о м и ч еск и е ф акторы |
р я д о гр ан и че |
|||||||
ний, то д л я |
о п и сан и я д и н ам и к и систем ы , р ел ак сац и и ее к |
состоянию |
||||||
р авн о весн ы х , м о д ел и р о в ан и я |
возн и каю щ и х п о то к о в |
р аб о чей силы , |
||||||
то в а р о в м ож н о и сп о л ьзо вать |
м етоды |
тер м о д и н ам и ки |
н ео б р ати м ы х |
|||||
п роц ессов . |
|
|
|
|
|
|
|
|
Т ак и м об разом , зн ан и е |
осн ов тер м о д и н ам и к и н еоб ходи м о м н о ги м |
|||||||
сп ец и али стам , а |
а к ти в н о е |
в л а д е н и е |
м ето дам и тер м о д и н ам и ч еск о го |
|||||
а н ал и за я в л я е т с я |
м ощ ны м и н струм ен том в р у к а х |
и с с л е д о в а т ел я и |
||||||
и н ж ен ера. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Биомеханика сердечной мышцы/В.Я.Языков, Г.И.Иткин, В.С.Мархасин и др. — М.: Наука, 1981.-325 с.
Вильсон А,Д. Энтропийные методы моделирования сложных систем, — М.: Наука, 1978.-248 с.
Каплем С.Р., Эссиг Э. Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых про
цессов. —М.: Мир, 1986. —384 с. |
|
Кубо Р. Термодинамика. —М.: Мир, 1970. —304 с. |
|
Ленинджер А. Биохимия. —М.: Мир, 1976. —960 с. |
|
Певзнер Л. Основы биоэнергетики. —М.: Мир, 1977. —310 с. |
т |
Петров Н., Бранков И. Современные проблемы термодинамики. —М.: Мир, 1986. — 288с.
ПоплавскийР'П. Термодинамика информационных процессов. —М.: Наука. —1981. — 255с.
Разумихин В.С. Физические модели и методы теории равновесия в программировании и экономике. —М.: Наука, 1975. — 304 с.
Сычев В.В. Сложные термодинамические системы. —М.: Наука, 1980. —208 с.
Эбелинг В. Образование структур при необратимых процессах —М.: Мир, 1979. - 280 с.
Кгл а в е 1
1.Можно ли в качестве термодинамической системы рассматривать: а — молекулу воды; б —живую клетку; в —стальной баллон, содержащий газ?
2.Открытыми или закрытыми являются перечисленные выше системы?
3.Изменяются ли микросостояния газа, находящегося в состоянии равновесия?
4.Можно ли в качестве контрольной поверхности выбрать, наружную поверхность баллона, содержащего газ?
5.Изобразите в диаграмме р —Vсостояние воды в вертикальном сосуде. Объем сосуда V, высота воды от дна Я, барометрическое давление рв.
6.Является ли термодинамическим параметром вес газа в емкости?
7. Служат ли*полными дифференциалы следующих величин: М — масса, G — вес, F —площадь контрольй поверхности, V—объем, Т —температура, С—теплоемкость?
8.Может ли уравнение состояния принять вид р = const?
9.Что можно сказать о молекулах газа, имеющего уравнение состояния р(» —Ь) = ПТ?
10.Определено ли состояние системы, если известны ее масса и объем?
11.Теплоизолированный с боковой поверхности стержень имеет неизменные во време ни температуры торцов Тх > Г2. В каком состоянии находится стержень (стационарном, равновесном и т.д.)?
1.В баллоне с непроницаемой перегородкой находятся азот и кислород. Чему равна внутренняя энергия такой системы?
2.Существует ли для рассмотренной выше системы калориметрическое уравнение состояния t/= U(V, Т)?
3.Какие из параметров: М, р, U, Т, и, Vсчитают интенсивными?
4.Замкнутая система релаксирует к равновесию. Что происходит с ее внутренней энергией?
5.Почему в качестве рабочих тел тепловых двигателей используют газы?
6.Может ли параметром служить величина u^j = U/N0, где N0 —число частиц в сис
теме?
7.Система переходит из одного состояния в Другое обратимо или необратимо. Сравни* не изменение внутренней энергии в обоих переходах.
8Справедливо ли для необратимых процессов уравнение ô Q = dU+ 6L?
9.При сжатии газа р цилиндре с поршнем его некоторое количество вытекает через отверстие в стенке. Можно ли для вычисления работы использовать выражение L и
Vi
-îp(V )dV ? Vi
10.Сравните изменение энтальпии системы при обратимом и необратимом переходах между двумя заданными переходами.
11.Может ли теплоемкость принимать значения сх < 0, сх = 0 и сх - °°?
12.В печи для термообработки находится л деталей. Их массы Mt*и теплоемкости с,-
л
известны. Какой физический смысл имеет величина w = Е с,‘М,*? Служит ли w функцией
I |
i = 1 |
|
состояния системы? |
|
|
|
13* Зависит ли объемная теплоемкость системы от объема? |
Ч |
|
14. Можно ли среднюю теплоемкость вычислить по формуле сх |
|
|
I = 0>5[cx(*i) + |
|
+ cx(*a)L гДе Çx(*i)и сх(Ч) —значения истинных теплоемкостей? |
*i |
15.Чему равна теплоемкость льда в процессе его плавления?
16.В чем состоит различие в теплоемкостях идеальных и реальных газов?
17.Что происходит с энтальпией замкнутой системы, релаксирующей к состоянию равновесия?
18.Чему равно отношение fyVdplÿpdVÏ
19* В замкнутой системе сожгли некоторое количество водорода. Что происходит с внутренней энергией системы?
20* Можно ли поток лучистой энергии характеризовать параметрами р и Г?
21* Можно ли для системы ядер урана записать уравнение q = du + 1> если в системе:
а—идет ядерная реакция; б —реакции нет?
22.Тела массой М перемещается со скоростью w. Можно ли утверждать, что внутрен няя энергия U « 0,5Mwa + const?
23.Газ сжимается в цилиндре поршнем, имеющим отверстие, через которое часть газа
вытекает в окружающую среду. Справедливо ли для такой системы уравнение bQ ~dU +
+61, где ÔQ mcx dTt 61 * pdVl
24.Может ли работа необратимого процесса быть больше работы обратимого процесса?
1.Может ли теплота передаваться от льда к кипящей воде?
2.Справедливо ли равенство 1„ = ф2У5?
3.Можно ли теплоту некоторого источника полностью превратить в работу?
4.Чему равно отношение ф pdVlф TdSl
5.Система переходит из состояния 1 в состояние 2 сначала обратимо, а затем из 1 в 2 необратимо. Сравните изменение энтропии в этих двух процессах.
6.Может ли энтропия системы убывать в необратимых процессах?
7.Может ли иметь место равенство àQ = dSl
8.В чем эквивалентность различных формулировок второго начала термодинамики?
9.Система релаксирует к состоянию равновесия. Что происходит с ее энтропией?
10.Расширение газа в цилиндре с поршнем сопровождается трением. Возможно ли уменьшение энтропии в этом процессе?
11.Может ли адиабата два раза пересекать одну и ту же изотерму?
12.Покажите графически в Г —5-диаграмме теплоемкость системы.
13.Какому из агрегатных состояний систем вода —лед и вода — пар соответствуют меньшие значения энтропии?
14.Зависит ли энтропия системы от ее массы?
15.Чему равна энтропия смеси льда, воды и пара?
16.Можно ли теплоту некоторого источника полностью превратить в энергию электри ческого тока?
17.Что происходит с энтропией проводника, по которому течет электрический ток?
18.Можно ли уменьшить энтропию адиабатной системы?
19.Получите выражения для изменения внутренней энергии и энтальпии газа, подчи няющегося уравнению состояния р (v —Ь) =ЯГ. Чем этот газ отличается от идеального?
20.Найдите связь между теплоемкостями Ср и су вещества, имеющего уравнение состояния р = const, где р —плотность.
21.Вычислите изменение энтропии системы, имеющей постоянную плотность, при изменении температуры от ТЛ до Г2.
22.Зависит ли энтропия идеального газа от его плотности?
23.Используя уравнение состояния идеального газа pv = RT и формулу Майера Ср — —су = R, внутреннюю энергию можно представить в виде и = [1/(к —1)]рт + и0. Не проти воречит ли этот результат закону Джоуля, утверждающему, что внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры?
24.Является ли полным дифференциалом величина 6 ф = T(dS/dT) ydT+ [T(dS/d V )j—
-p]dV ?
25.Какой смысл имеет величина T/(dT/d5)x ?
26.Вычислите интеграл ф 0ф = фТ(д5/дГ)у«/Г+[Г(д5/дУ)г—p]dV.
27.Вычислите производную (dh/du)s для идеального газа. Какой физический смысл имеет эта величина?
28. Из каких условий можно найти постоянную интегрирования в выражении V
29.Является ли полным дифференциалом выражение сydT?
30.Чему равна производная (dh/dT)v для идеального газа?
31.Справедлива ли формула Майера ср —cv =R, если сv = су (Г) и ср =ср (Г) ?