logo search
Термодинамика Реальных Процессов

5. Контрольная поверхность, система и окружающая среда.

Анализ уравнения (31) очень сильно облегчается, если ввести такие понятия, как контрольная поверхность, система и окру­жающая среда. Под контрольной понимается некая замкнутая поверхность, мысленно окружающая данный ансамбль. Понятие контрольной поверхности играет важную роль, поскольку с ее помощью изучаемый ансамбль отделяется от всех остальных ансамблей Вселенной. Разумеется, такое отделение можно совершить только мысленно, ибо в реальных условиях все ан­самбли связаны друг с другом веществом взаимодействия.

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.

О днако 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].