Статья является частью одноименной серии.
Термодинамика
Уравнение состояния Идеальный газ Термодинамические величины Термодинамические потенциалы Термодинамические циклы Фазовые переходы
См. также «Физический портал»

Термостатика — одно из названий классической термодинамики , акцентирующее внимание на том, что эта научная дисциплина представляет собой феноменологическую теорию стационарных состояний и квазистатических процессов в сплошных средах , и в явном виде отражающее современное деление термодинамики на статическую и нестатическую части — равновесную термодинамику и неравновесную термодинамику .

С тем, чтобы более чётко определить область применимости законов термостатики, посмотрим на эту дисциплину с позиций классической неравновесной термодинамики , базирующейся на принципе локального равновесия И. Пригожина (1945) . Согласно принципу Пригожина неравновесную систему можно разбить на части (в пределе — бесконечно малые), каждую из которых в течение заданного отрезка времени (в пределе — бесконечно малого) можно рассматривать как находящуюся в равновесном состоянии , так что все соотношения классической термодинамики сохраняют свою справедливость для любой подсистемы , хотя в действительности каждая из таких частей находится в неравновесном квазистационарном состоянии . Обратимся теперь к рациональной термодинамике , которая не использует принцип локального равновесия и изначально строится как термомеханика сплошных сред . Для систем с не зависящими от времени термодинамическими величинами формулы рациональной термодинамики превращаются в формулы классической термодинамики в локальной формулировке.

Из сказанного следует, что классическая термодинамика представляет собой теорию стационарных и квазистационарных состояний , не обязательно равновесных, а рассмотрение термодинамического равновесия есть просто одна из задач, решаемых классической термодинамикой. Авторы, ссылки на работы которых приведены в преамбуле статьи, вполне обоснованно рассматривают термин «термостатика» с его упором на независимость рассматриваемых величин от времени , как синоним словосочетаний «классическая термодинамика» и «равновесная термодинамика», имея в виду, что все эти термины разнятся только степенью распространённости в научной и учебной литературе. Такой подход к терминологии подразумевает, что под «равновесностью» в данном контексте подразумевается в том числе и квазиравновесность , отождествляемая с квазистатичностью . Перечислим виды стационарных и квазистационарных состояний, в которых определяющие их макроскопические характеристики не зависят от времени. К таковым относятся:

• статическое состояние термодинамического равновесия , характеризуемое отсутствием потоков ( энергии , вещества , импульса , заряда и т. п.) , в котором при постоянстве внешних условий система может пребывать неопределённо долгое время. Если на систему было оказано конечное (не ведущее к разрушению системы) внешнее воздействие, приведшее к изменению свойств системы, то после снятия этого воздействия термодинамическая система возвращается в исходное состояние. Равновесное состояние можно определить также как стационарное состояние, не поддерживаемое протеканием какого-либо внешнего по отношению к системе процесса ;
• статическое состояние метастабильного равновесия , когда при малом внешнем воздействии система ведёт себя как находящаяся в термодинамическом равновесии (система устойчива по отношению к бесконечно малым воздействиям: каждое такое воздействие вызывает бесконечно малое изменение состояния, а при устранении этого воздействия система возвращается в исходное состояние), тогда как при внешнем воздействии, превысившем некоторую граничную величину, система уже не возвращается в исходное состояние, а переходит либо в более устойчивое метастабильное состояние, либо в состояние термодинамического равновесия; термодинамические условия стабильности равновесия выполняются для малых виртуальных воздействий и не выполняются для воздействий, превышающих граничную для данной системы величину;
• статическое состояние заторможенного равновесия в неравновесной системе, когда, например, в системе имеют место частные равновесия — механическое и термическое, — но нет химического равновесия из-за отсутствия подходящих условий для протекания ведущих к установлению равновесия химических реакций (например, вследствие высокой вязкости твёрдых растворов ); такая неравновесная система де-факто ведёт себя как равновесная физическая система (то есть как система с меньшим числом термодинамических степеней свободы ) до тех пор, пока внешним воздействием на неё при не будут инициированы упомянутые выше химические реакции . Часто за термодинамическое равновесие принимают именно заторможенное равновесие в силу того, что релаксационные процессы , ведущие к термодинамическому равновесию, идут чрезвычайно медленно и потому незаметны, особенно если соответствующие им времена релаксации по порядку величины близки к возрасту Земли или даже превосходят его ;
• стационарное неравновесное состояние, в котором независимость термодинамических величин от времени обусловлена потоками энергии, вещества, импульса, электрического заряда и т. п. ;
• квазистатическое (квазиравновесное) состояние, в котором неизменность термодинамических величин во времени есть приближение, с достаточной для решения конкретной задачи точностью выполняющееся в течение отрезка времени, заданного по условиям рассматриваемой задачи.

Таким образом, в рамках классической термодинамики — исключая ситуацию, когда рассматриваются условия термодинамического равновесия и следствия из них — термины «равновесный», «квазиравновесный» и «квазистатический» эквивалентны и их, за исключением упомянутой выше ситуации, можно рассматривать как синонимы.

Из определения термодинамического равновесия следует, что любой процесс в системе, исходное состояние которой является равновесным, возможен только за счёт нарушения исходного равновесия и, следовательно, этот процесс ведёт к состоянию, уже не являющемуся равновесным. После окончания процесса система, будучи предоставлена самой себе, вновь приходит в состояние равновесия, характеристики которого отличны от характеристик исходного равновесного состояния. Рассмотрим бесконечно малый (инфинитезимальный) процесс отклонения системы от равновесного состояния, то есть процесс, ведущий к неравновесному состоянию, термодинамические характеристики которого бесконечно мало отличаются от характеристик исходного равновесного состояния. По истечении конечного промежутка времени, превышающего время релаксации для данной системы, конечное состояние системы станет равновесным и будет иметь характеристики, бесконечно мало отличающиеся от характеристик исходного состояния. Перейдём теперь от бесконечно малых процессов к рассмотрению процессов перехода между двумя произвольным образом выбираемыми равновесными состояниями. Будем рассматривать переход от начального к конечному состоянию системы как идеализированный бесконечно медленный процесс, состоящий из бесконечно большого числа бесконечно малых стадий и реализующий описанным выше образом непрерывную последовательность равновесных состояний. Такой квазиравновесный ( квазистатический ) процесс , для краткости часто называемый просто равновесным процессом , представляет собой широко применяемую в классической термодинамике модель реального процесса, позволяющую не включать время в формулы термодинамики . Степень согласия результатов, получаемых посредством модели «равновесный процесс», с экспериментальными данными есть предмет отдельного рассмотрения, выходящего за рамки обсуждаемой здесь темы.

Многие авторы, не покушаясь на название « термодинамика » применительно к теории стационарных состояний и квазистатических процессов, отмечают, что только с возникновением феноменологической теории неравновесных процессов термодинамика становится настоящей «динамикой теплоты », тогда как до этого она представляла собой лишь термостатику . В то же время на сегодняшний день отсутствует единообразие в понимании того, какое содержание следует вкладывать в термин «термостатика». В преамбуле приведены ссылки на работы авторов, считающих термины «классическая термодинамика», «равновесная термодинамика» и «термостатика» синонимами. Согласно В. П. Бурдакову классическая термодинамика пренебрегает зависимостью термодинамических величин от пространственных координат и времени, тогда как термостатика изучает стационарные термодинамические системы без учета времени, но с учетом координат , то есть представляет собой классическую термодинамику в локальной формулировке. Н. И. Белоконь рассматривает термостатику как составную часть классической термодинамики, не имеющую дела с термодинамическими неравенствами . Ряд авторов считают недопустимым именовать классическую термодинамику термостатикой или термофизикой .

Примечания

Литература

• Schottky W. , Ulich H., Thermodynamik. Die Lehre von den Kreisprozessen den physikalischen und chemischen Veränderungen und Gleichgewichten. Eine Hinführung zu den thermodynamischen Problemen unserer Kraft- und Stoffwirtschaft. — Berlin—Heidelberg—New York: Springer-Verlag, 1973. — xxv +619 p.
• Аносов В. Я., Погодин С. А. . — М. : Изд-во АН СССР, 1947. — 876 с.
• Арис С. Анализ процессов в химических реакторах. — Л. : Химия , 1967. — 328 с.
• Афанасьев Б. Н., Акулова Ю. П. Физическая химия. — 6-е изд. — СПб.—М.—Краснодар: Лань, 2012. — 464 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — ISBN 978-5-8114-1402-4 .
• Базаров И. П. Термодинамика. — 5-е изд. — СПб.—М.—Краснодар: Лань, 2010. — 384 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — ISBN 978-5-8114-1003-3 .
• Белоконь Н. И. Термодинамика. — М. : Госэнергоиздат, 1954. — 416 с.
• Белоконь Н. И. Основные принципы термодинамики. — М. : Недра, 1968. — 112 с.
• Буданов В. В., Максимов А. И. Химическая термодинамика. — 2-е изд., испр. — СПб.—М.—Краснодар: Лань, 2016. — 396 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — ISBN 978-5-8114-2271-5 .
• Булидорова Г. В., Галяметдинов Ю. Г., Ярошевская Х. М., Барабанов В. П. Основы химической термодинамики (к курсу физической химии). — Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2011. — 218 с. — ISBN 978-5-7882-1151-0 .
• Булидорова Г. В., Галяметдинов Ю. Г., Ярошевская Х. М., Барабанов В. П. Физическая химия. — Казань: Изд-во Казан. нац. исслед. технол. ун-та, 2012. — 396 с. — ISBN 978-5-7882-1367-5 .
• Бунге М. Философия физики. — 2-е изд., стереотип.. — М. : Едиториал УРСС, 2003. — 320 с. — ISBN 5-354-00439-X .
• Бурдаков В. П. Основы неравновесной термодинамики. — М. : Изд-во МАИ, 1989. — 91 с.
• Бурдаков В. П. , Дзюбенко Б. В., Меснянкин С. Ю., Михайлова Т. В. Термодинамика. Часть 1. Основной курс. — М. : Дрофа, 2009. — 480 с. — (Высшее образование. Современный учебник). — ISBN 978-5-358-06031-9 .
• Ван-дер-Ваальс И.Д. , Курс термостатики. Термические равновесия материальных систем. Часть I. Общая термостатика. — М. : ОНТИ — Главная редакция химической литературы, 1936. — 452 с.
• Воронин Г. Ф. Основы термодинамики. — М. : Изд-во Моск. ун-та, 1987. — 192 с.
• Вукалович М. П. , Новиков И. И. Термодинамика. — М. : Машиностроение, 1972. — 671 с.
• Гельфер Я. М. История и методология термодинамики и статистической физики. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Высшая школа, 1981. — 536 с.
• Герасимов Я. И., Древинг В. П., Еремин Е. Н. и др. Курс физической химии / Под общ. ред. Я. И. Герасимова. — 2-е изд., испр. — М. : Химия, 1970. — Т. I. — 592 с.
• Глазов В. М. Основы физической химии. — М. : Высшая школа, 1981. — 456 с.
• Дьярмати И. Неравновесная термодинамика. Теория поля и вариационные принципы. — М. : Мир, 1974. — 304 с.
• Жилин П. А. Рациональная механика сплошных сред. — 2-е изд. — СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2012. — 584 с. — ISBN 978-5-7422-3248-3 .
• Журавлев В. А. Термодинамика необратимых процессов в задачах и решениях. — Ижевск: Удмуртский университет, 1998. — 150 с. — ISBN 5-7029-0292-0 .
• Залевски К. Феноменологическая и статистическая термодинамика: Краткий курс лекций / Пер. с польск. под. ред. Л. А. Серафимова. — М. : Мир , 1973. — 168 с.
• Зоммерфельд А. Термодинамика и статистическая физика / Пер. с нем. — М. : Изд-во иностр. лит-ры, 1955. — 480 с.
• Зубович С. О., Суркаев А. Л., Камнева Е. А. Курс лекций. Физика. Часть II. Термодинамика / Пер. с англ. под ред. В. Г. Морозова. — Волгоград: ВолгГТУ, 2012. — 109 с. — ISBN 978-5-9948-0895-5 .
• Зубович С. О., Суркаев А. Л., Камнева Е. А., Синьков А. В. Физика. Часть III. Термодинамика. — Волгоград: ВолгГТУ, 2012. — 109 с. — ISBN 978-5-9948-0895-5 .
• Иванов А. Е., Иванов С. А. Механика. Молекулярная физика и термодинамика. — М. : Кнорус, 2012. — 950 с. — ISBN 978-5-406-00525-5 .
• Каганович Б. М., Филиппов С. П. Равновесная термодинамика и математическое программирование. — Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995. — 236 с. — ISBN 5-02−030848−X.
• Карапетьянц М. Х. Химическая термодинамика. — М. : Либроком, 2013. — 584 с. — ISBN 978-5-397-03700-6 .
• Карякин Н. В. Основы химической термодинамики. — М. : Академия, 2003. — 463 с. — (Высшее профессиональное образование). — ISBN 5-7695-1596-1 .
• Клейн М. Законы термодинамики (рус.) // Термодинамика необратимых процессов. Лекции в летней международной школе физики им. Энрико Ферми. — М. : ИЛ , 1962. — 427 с. — С. 12—35 .
• Кокотов Ю. А. Химический потенциал. — СПб. : Нестор-История, 2010. — 412 с. — ISBN 978-5-98187-668-4 .
• Крестовников А. Н., Вигдорович В. Н. Химическая термодинамика. — 2-е изд., испр. и доп. — М. : Металлургия, 1973. — 256 с.
• Кудряшева Н. С., Бондарева Л. Г. Физическая и коллоидная химия. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Юрайт, 2017. — 380 с. — (Бакалавр. Прикладной курс). — ISBN 978-5-534-01087-9 .
• Мюнстер А. Химическая термодинамика / Пер. с нем. под. ред. чл.-корр. АН СССР Я. И. Герасимова. — М. : Мир, 1971. — 296 с.
• Новиков И. И. Термодинамика. — М. : Машиностроение, 1984. — 592 с.
• Окатов М. Термостатика. Первая часть механической теории теплоты. — СПб. : Типография императорской академии наук, 1871. — 176 с.
• Полторак О. М. Термодинамика в физической химии. — М. : Высшая школа, 1991. — 320 с. — ISBN 5-06-002041-X .
• Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов / Пер. с англ. — М. : Регулярная и хаотическая динамика, 2001. — 160 с. — ISBN 5-93972-036-6 .
• Путилов К. А. Термодинамика / Отв. ред. М. Х. Карапетьянц . — М. : Наука, 1971. — 376 с.
• Радушкевич Л. В. Курс термодинамики. — М. : Просвещение, 1971. — 288 с.
• Семенченко В. К. Избранные главы теоретической физики. — 2-е изд., испр. и доп. — М. : Просвещение, 1966. — 396 с.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 5-е изд., испр. — М. : Физматлит, 2005. — 544 с. — ISBN 5-9221-0601-5 .
• Страхович К. И. Основы феноменологической термодинамики. — Рига: Риж. политехн. ин-т, 1968. — 118 с.
• Термодинамика. Основные понятия. Терминология. Буквенные обозначения величин / Отв. ред. И. И. Новиков . — АН СССР. Комитет научно-технической терминологии. Сборник определений. Вып. 103. — М. : Наука, 1984. — 40 с.
• Трайбус М. Термостатика и термодинамика / Пер. с англ. под ред. А. В. Лыкова. — М. : Энергия, 1970. — 504 с.
• Трусделл К. / Пер. с англ. под. ред. П. А. Жилина и А. И. Лурье. — М. : Мир, 1975. — 592 с.
• Улих Г. Химическая термодинамика. Введение в учение о химическом сродстве и равновесиях. — Л. : Химтехиздат , 1933. — xii + 304 с.
• Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров . — М. : Большая Российская энциклопедия , 1998. — Т. 5. — 760 с. — ISBN 5-85270-101-7 .
• Фокин Б. С. Основы неравновесной термодинамики. — СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2013. — 214 с. — ISBN 978-5-7422-3724-2 .