平衡态是指热力学系统内部没有宏观的粒子和能量流动的状态 - 图文 联系客服

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平衡态是指热力学系统内部没有宏观的粒子和能量流动的状态.由于系统内没有粒子和能量的宏观流动.所以系统及系统各部分的热学宏观性质就不会随时间变化,即系统的状态不会随时间变化。

当处在平衡态的系统受到外界影响时,系统原来的平衡态就受到破坏,内部出现分子的宏观流动,这时称系统处在非平衡状态,简称非平衡态.

非平衡态是系统内部存在宏观能量和粒子流动的状态。 如果一个处在非平衡态的系统,内部存在的是稳定的能量和粒子流动,即在单位时间内通过系统内任一截面的能量和粒子不随时间变化,则系统的宏观性质也不会随时间变化.这样的一种非平衡状态称为稳定状态,简称稳态。

平衡体系:系统内部没有宏观的粒子和能量流动,在无外场的情况下体系内部的强度性质是处处相等的;

非平衡体系:系统内部存在宏观的能量和粒子流动,至少有一种强度性质是处处不相同的。

非平衡体系在宏观上一般处于运动和变化之中,体系内部是不均匀的,其强度性质,如T、p等,在体系的不同区域往往具有不同的数值。为了对非平衡体系的状态进行描述,我们考虑如下情形:

对于总体上为非均匀的热力学非平衡体系,若将其分割成无数个小的区域,则每个小的区域内的性质(如T、p等)可以认为是近乎均匀的。假设把某小区域与其周围的体系隔离开来,在刚隔离开的时刻t,此小区域仍处于非平衡态,但经过极短时间dt之后,这个小区域内的分子便达到平衡分布,即可认为此区域达到热力学平衡,故可给出此小区域的所有热力学函数,并假定这套热力学量可以用来描述此局域在时刻t的热力学状态。

以上所述即为局域平衡假设。

连续性方程和守恒定律 2.2.1 连续性方程:

非平衡体系的热力学函数是时间t 和空间坐标r的函数,若认为体系是连续介质,则所有的热力学量对于体系的一切时、空点均存在并且连续。

2.2.2 质量守恒方程:

体系中各组分的质量的变化途径一般有两种:体系与环境间的质量交换;体系内部发生化学变化。

熵不是守恒量,体系的熵对时间t的微商可写成:

3.1 线性唯象方程

处于非平衡态的热力学体系,其中发生的不只一种热力学力与流的不可逆过程,往往同时存在多种不可逆过程。这些过程会相互影响。

一种热力学流不仅仅是产生该流的力的函数,还是其它热力学力的函数。 各种热力学力之间存在相互耦合的关系。一种流JkXi数。故:

Jk=Jk (Xi) i=0,1,2, 3.2.1 空间对称限制 ( Curie原理): 居里首先提出物理学上的对称性原理:

在各向同性的介质中,宏观原因总比它所产生 的效应具有较少的对称元素。

Prigogine把Curie对称原理延伸到热力学体系:

体系中的热力学力是过程的宏观原因,热力学流是由宏观原因所产生的效应。根据居里原理,热力学力不能比与之耦合的热力学流具有更强的对称性。

简单地可表述为:

即力不能比与之耦合的流具有更强的对称性。

昂色格倒易关系如下式所示: Lkk = Lkk (44) 上式是线性非平衡态热力学最重要的理论基础。它表明线性不可逆过程的唯象系数具有对称性。

此式的物理意义是:

当第k个不可逆过程的流 Jk 受到第k Xk 影响的时候,第k Jk 也必定受到第k个不可逆过程的力 Xk 的影响,并且,这种相互影响的耦合系数相等。

在运用昂色格倒易关系时应注意力和流的量纲的选择,应使流与力的乘积具有熵S的量纲。

3.3 热力学第二定律对唯象系数的限制: 由热力学第二定律,体系内部的熵变不可能小于零,因此,非平衡体系熵产生的唯象系数必须满足此要求。

3.4.1 热力学的非平衡定态

一个热力学孤立体系,不论其初始处于何种状态,最终总会达到平衡态.达到平衡态后,体系的熵为极大值,可以引起熵增的所有热力学流和热力学力均为零.

但若非孤立体系,环境对体系施加某种限制.如保持一定的温度差或浓度差等,这时,体系不可能达到热力学平衡态.但如果外界施加的条件是固定的,如一定的温度差或一定的浓度差,体系开始会因外界的限制条件而发生变化,但最后会达到一种定态.

Prigogine于1945年提出非平衡定态的最小熵增原理:

在接近平衡的条件下,与外界强加的限制条件相适应的非平衡定态的熵产生具有极小值。此即最小熵产生原理.

例如:一个两组分体系,在体系的两端维持一恒定的温差。由于热扩散现象,这种温差也会引起浓度差,故体系中同时存在力X热与X扩,以及相应的流J热流和J扩散流。

在恒定温差的条件下, X热是不变的, 因而必存在与之对应的流J热,而X扩和J扩是可以变化的。

随着时间的推移,体系总会达到不随时间而变化的定态。此时,X热与J热还存在,但是扩散流J扩等于零。

此种非平衡定态仍具有熵增值,但最小熵增原理认为: 非平衡定态的熵增具有极小值