Квазистатический процесс
в
термодинамике
— относительно медленный (в пределе — бесконечно медленный) процесс (то есть переход термодинамической системы из одного состояния в другое
), длительность протекания которого намного превышает характерные
времена релаксации
системы
. При этом система проходит через последовательность бесконечно близких квазиравновесных состояний
, и квазистатический процесс может также называться
квазиравновесным
. Совокупность бесконечно малых квазистатических процессов есть конечный квазистатический процесс
.
Содержание
Значение квазистатических процессов
Т. А. Афанасьева-Эренфест
показала (1925), что понятие об обратимости и необратимости процессов имеет лишь косвенное отношение к термодинамике, то есть классическая термодинамика должна, по её мнению, строиться как теория равновесных состояний и квазистатических процессов
. Квазистатические процессы по сию пору иногда называют обратимыми лишь в силу восходящей ко временам
Клаузиуса
традиции
, хотя не всякий квазистатический процесс является обратимым или равновесным
. Однако в классической термодинамике состояний и идеальных процессов (термостатике)
, термины
обратимые процессы
и
квазистатические процессы
часто рассматривают как синонимы
.
Медленность квазистатических процессов служит основанием для того, чтобы не учитывать полагаемые равными нулю скорости протекания таких процессов, то есть использование представления о квазистатичности процессов есть способ исключить время из числа переменных, учитываемых классической термодинамикой состояний и идеальных процессов (термостатикой) и рассматривать процесс, то есть изменение состояния системы во времени
без использования этой физической величины в качестве термодинамической переменной
. Время, однако, может входить в термостатические соотношения в качестве параметра
, например, в формулы вычисления мощности.
Опыт показывает, что число переменных, полностью описывающих равновесное состояние, меньше, чем требуется для описания любого неравновесного состояния
. Поэтому допущение о квазистатичности реального процесса и связанное с этим сокращение числа принимаемых во внимание переменных существенно упрощает термодинамический анализ рассматриваемого процесса
. При этом оказывается, что аппроксимация идущего с конечной скоростью реального нестатического процесса его идеализированной бесконечно медленной квазистатической моделью позволяет проводить вычисления с достаточной точностью для большого класса практических задач
. С другой стороны, выводы, получаемые термодинамикой для квазистатических процессов, носят характер своего рода теорем о предельных значениях термодинамических величин — полезной работы,
КПД
тепловой машины и т. п.
.
Условия квазистичности процесса
Пусть
X
— некоторая характеризующая процесс термодинамическая величина. В термостатике для получения количественных зависимостей типа
X
= … рассматривают только квазистатические процессы
, тогда как для нестатических процессов термостатика даёт качественные результаты вида
X
< … или
X
> … Иными словами, термодинамический процесс является квазистатическим, если характеризующие его величины могут быть найдены методами термостатики
.
Квазистатические процессы не реализуются в природе, но являются хорошей моделью для процессов, протекающих достаточно медленно по сравнению с процессами установления термодинамического равновесия в системе. Условие «медленности» относительно, а именно, сравнивают время
квазистатического изменения значения некоторой
термодинамической переменной
на величину
и
время релаксации
после мгновенного изменения этого же значения
на величину
: при квазистатическом изменении переменной
.
Графическое изображение квазистатических процессов
Поскольку для квазистатических процессов время исключено из числа учитываемых переменных, то такой процесс можно геометрически представить в виде непрерывной кривой на термодинамической поверхности
, например на PV-
диаграмме Эндрюса
. Изображать графически на термостатических (не содержащих времени термодинамических) диаграммах можно квазиравновесные и только квазиравновесные процессы
; нестатические процессы на термостатических диаграммах отобразить нельзя
. Встречающееся в литературе графическое изображение на термостатических диаграммах реальных нестатических процессов, протекающих с конечной скоростью, имеет условный характер
, когда нестатический процесс
аппроксимируют
линией (обычно штриховой или пунктирной
), соединяющей два квазиравновесные состояния
, причём, кроме начальной и конечной, никакая другая точка на этой линии не соответствует промежуточному состоянию
термодинамической системы
.
Виды квазистатических процессов
В термодинамике наиболее часто рассматриваются следующие виды квазистатических процессов:
Адиабатический процесс
Пуассона — процесс, который совершается без подвода или отвода тепла, причем медленно. К примеру, адиабатическое расширение в пустоту не является квазистатическим процессом
. Как и все квазистатические процессы, указанные изменения можно графически изобразить непрерывными линиями, названия которых практически соответствуют названиям самих описываемых процессов —
изобарой
,
изохорой
,
изотермой
и
адиабатой
.
Терминологические замечания
Термин "квазистатический" (от
лат.
quasi
— как если бы, подобно +
static
— статический) был предложен
К. Каратеодори
в 1909 г.
. Понятийный аппарат, используемый в том или ином руководстве по
классической термодинамике
, существенным образом зависит от системы построения/изложения данной дисциплины, используемой автором конкретного пособия. Последователи
Р. Клаузиуса
строят/излагают термодинамику как теорию
обратимых процессов
, последователи
К. Каратеодори
— как теорию квазистатических процессов
, а последователи
Дж. У. Гиббса
— как теорию
равновесных состояний
и
процессов
. Ясно, что, несмотря на применение различных описательных
дефиниций
идеальных термодинамических процессов — обратимых, квазистатических и равновесных, — которыми оперируют упомянутые выше
термодинамические аксиоматики
, в любой из них все построения классической термодинамики имеют своим итогом один и тот же математический аппарат. Де-факто это означает, что за пределами чисто теоретических рассуждений, то есть в прикладной термодинамике, термины «обратимый процесс», «равновесный процесс» и «квазистатический процесс» рассматривают как синонимы
: всякий равновесный (квазистатический процесс) процесс является обратимым, и наоборот, любой обратимый процесс является равновесным (квазистатическим)
.
Разные термодинамические переменные могут иметь для различных систем и процессов существенно разные времена релаксации. Пусть
Z
— та переменная, для которой время релаксации
τ
max
имеет наибольшее значение (его и принимают за время релаксации всей системы) и которая в рассматриваемом процессе изменяется на величину
ΔZ
. Тогда процесс считают квазистатическим, если в каждый момент времени
τ
его скорость много меньше средней скорости изменения переменной
Z
при релаксации, то есть
dZ/dτ << ΔZ/τ
max
.
Может показаться, что к квазистатическому процессу предъявляются взаимоисключающие требования: быть процессом и одновременно быть равновесием, то есть не быть процессом. «Отождествление движения с последовательностью смежных состояний покоя, во время которых движущееся тело находится в равновесии, на первый взгляд кажется абсурдным. Однако движение, составленное из неподвижных состояний, не более и не менее абсурдно, чем длина, составленная из лишенных протяжения точек, или чем время, составленное из не имеющих длительности мгновений» (оригинал
, перевод
).
Замена
постулата Клаузиуса
его антитезой, физически абсурдной предпосылкой противоположного содержания, не отражается ни на существе получаемых с его помощью результатов, ни на способе их получения
.
По вопросу о связи между обратимостью и квазистатичностью (равновесностью) у разных авторов нет единой точки зрения. Вот пример в точности противоположных утверждений двух признанных авторитетов по термодинамике: «квазистатический процесс может быть как обратимым, так и необратимым» (
И. Дьярмати
) и «любой квазистатический процесс обратим и наоборот» (
)
. С И. Дьярмати солидарен
Л. И. Седов
: «…в ряде распространенных учебников авторы ”доказывают”, без специальных оговорок, неверное утверждение, что всякий равновесный процесс обратим»
.
Именно квазистатичность позволила
Клапейрону
ввести (1833)
в термодинамическую практику наглядное графическое изображение процессов
.
Реальные процессы дросселирования (процесс
Джоуля — Томсона
) и расширения газа в пустоту (процесс
Джоуля
) необратимы
, но при рассмотрении методами термостатики их мысленно заменяют квазистатическими моделями
, допускающими, помимо прочего, изображение этих процессов на термодинамических диаграммах
.
Примечания
, с. 229.
, с. 31.
, с. 9.
, с. 236.
, с. 12.
↑
.
, p. 132.
, с. 237.
, с. 341.
, с. 34.
, с. 236.
, с. 8.
, с. 11.
, с. 25.
, с. 10.
, с. 7.
, с. 130.
, с. 130.
, с. 88.
, с. 9.
↑
, с. 28.
, с. 32.
, с. 32.
, с. 18.
, с. 61—62.
, с. 20.
, с. 74.
, с. 45.
, с. 44—45.
, с. 32.
, раздел 1.2.2 Термодинамическое равновесие и равновесный термодинамический процесс.
↑
, с. 139.
, с. 19.
, с. 71.
, с. 14.
, с. 478.
, с. 16.
, с. 14—15.
, с. 138.
, с. 44.
, с. 14.
, с. 59.
, с. 275.
, с. 12.
, с. 23.
, с. 232.
, с. 53.
, с. 29.
, с. 45.
, с. 156.
, с. 106.
.
, с. 88.
, с. 114.
↑
, с. 157.
, с. 197.
, с. 47.
, с. 41.
, с. 268.
, с. 264.
, с. 358.
, с. 63.
↑
, с. 94.
, с. 194.
, с. 76.
, с. 274.
↑
, с. 285.
, с. 185.
, с. 286.
, с. 174.
, с. 272.
, с. 73.
, с. 257.
, с. 213.
, с. 268.
от 21 февраля 2020 на
Wayback Machine
// Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии.
, с. 84.
, с. 240.
, с. 54.
, с. 187.
, с. 287.
, с. 132, 283.
, с. 149.
, Рис. 10.25, с. 31.
, Рис. 9.26, с. 274.
, Рис. 6.9, с. 77.
, Рис. 5.18, с. 175.
, Рис. 14.3, с. 194.
, Рис. 4.6, с. 287.
, Рис. 15.7, с. 227.
, Рис. 5—7, с. 162.
, Рис. 5.11, с. 174.
, Фиг. 65, с. 70.
, Рис. 86, с. 268.
↑
.
, с. 71—158.
, с. 63—78.
.
, с. 28.
(неопр.)
Дата обращения: 27 ноября 2018.
27 ноября 2018 года.
(неопр.)
Дата обращения: 27 ноября 2018.
27 октября 2018 года.
(неопр.)
Дата обращения: 27 ноября 2018.
27 ноября 2018 года.
Литература
Clapeyron E.
(фр.)
// Journal de l’École Royale Polytechnique. — Paris: De l’Imprimerie Royale, 1833. —
Vol. XIV, Cahier XXIII
. — P. 153—190.
.
/ Edited by Joseph Mazur. — New York: Pi Press, 2005. — xviii + 396 p.
Tisza Laszlo
.
Generalized Thermodynamics. — Cambridge (Massachusetts)—London (England): The M.I.T. Press, 1966. — xi + 384 p.
Алабовский А. Н., Недужий И. А.
Техническая термодинамика и теплопередача. — 3-е изд., пераб. и доп. — Киев: Выща школа, 1990. — 256 с. —
ISBN 5-11-001997-5
.
Александров А. А.
Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок. —
М.
: Издательский дом МЭИ, 2016. — 159 с. —
ISBN 978-5-383-00961-1
.
Александров Н. Е., Богданов А. И., Костин К. И. и др.
Основы теории тепловых процессов и машин. Часть I / Под ред. Н. И. Прокопенко. — 5-е изд. (электронное). —
М.
: Бином. Лаборатория знаний, 2015. — 561 с. —
ISBN 978-5-9963-2612-9
.
Алексеев Г. Н.
Общая теплотехника. —
М.
:
Высшая школа
, 1980. — 552 с.
Аминов Л. К.
Термодинамика и статистическая физика. Конспекты лекций и задачи. —
Казань
:
Казанский университет
, 2015. — 180 с.
Ансельм А. И.
Основы статистической физики и термодинамики. — 2-е изд., стереотип. —
СПб.
: Лань, 2007. — 427 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). —
ISBN 978-5-8114-0756-9
.
Арнольд Л. В., Михайловский Г. А., Селиверстов В. М.
Техническая термодинамика и теплопередача. — 2-е изд., перераб. —
М.
: Высшая школа, 1979. — 445 с.
Афанасьев Б. Н., Акулова Ю. П.
Физическая химия. —
СПб.
: Лань, 2012. — 464 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). —
ISBN 978-5-8114-1402-4
.
Базаров И. П.
Термодинамика. — 5-е изд. —
СПб.
: Лань, 2010. — 384 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). —
ISBN 978-5-8114-1003-3
.
Байков В. И., Павлюкевич Н. В.
Теплофизика. Термодинамика и статистическая физика. — Минск: Вышэйшая школа, 2018. — 448 с. —
ISBN 978-985-06-2785-8
.
Барилович B. A.
, Смирнов Ю. А.
Основы технической термодинамики и теории тепло- и массообмена. —
М.
: Инфра-М, 2014. — 432 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). —
ISBN 978-5-16-005771-2
.
Бармасов А. В., Холмогоров В. Е.
Курс общей физики для природопользователей. Молекулярная физика и термодинамика. —
СПб.
: БХВ-Петербург, 2009. — 500 с. — (Учебная литература для вузов). —
ISBN 978-5-94157-731-6
.
Бахшиева Л. Т., Кондауров Б. П., Захарова А. А., Салтыкова В. С.
Техническая термодинамика и теплотехника / Под ред. проф А. А. Захаровой. — 2-е изд., испр. —
М.
: Академия, 2008. — 272 с. — (Высшее профессиональное образование). —
ISBN 978-5-7695-4999-1
.
Белов Г. В.
Термодинамика. Часть 2. —
М.
: Юрайт, 2016. — 249 с. — (Бакалавриат). —
ISBN 978-5-9916-7252-8
.
Белонучкин В. Е., Заикин Д. А.,
Ципенюк Ю. М.
Основы физики. Том II. Квантовая и статистическая физика. Термодинамика / Под ред. Ю. М. Ципенюка. — 2-е изд, испр. —
М.
:
Физматлит
, 2007. — 608 с. —
ISBN 978-5-9221-0754-9
.
Беляев Н. М.
Термодинамика
. — Киев: Вища школа, 1987. — 344 с.
Борщевский А. Я.
Физическая химия. Том 1 online. Общая и химическая термодинамика. —
М.
: Инфра-М, 2017. — 868 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). —
ISBN 978-5-16-104227-4
.
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
.
Бэр Г. Д.
Техническая термодинамика. —
М.
:
Мир
, 1977. — 519 с.
Воронин Г. И.
Основы термодинамики и теплопередачи. —
М.
: Оборонгиз, 1958. — 343 с.
Гельфер Я. М.
История и методология термодинамики и статистической физики. — 2-е изд., перераб. и доп. —
М.
:
Высшая школа
, 1981. — 536 с.
Глаголев К. В., Морозов А. Н.
Физическая термодинамика. — 2-е изд., испр. —
М.
: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. — 270 с. — (Физика в техническом университете). —
ISBN 978-5-7038-3026-0
.
Глазов В. М.
Основы физической химии. —
М.
:
Высшая школа
, 1981. — 456 с.
Еремин В. В., Каргов С. И., Успенская И. А. и др.
Основы физической химии. Часть 1. Теория. — 4-е изд. (электронное). —
М.
: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. — 264 с. — (Учебник для высшей школы). —
ISBN 978-5-9963-2919-9
.
Ерофеев В. Л., Пряхин А. С., Семенов П. Д.
Теплотехника. Том 1. Термодинамика и теория теплообмена / Под ред. В. Л. Ерофеева и А. С. Пряхина. —
М.
: Юрайт, 2017. — 309 с. — (Бакалавр и магистр. Академический курс). —
ISBN 978-5-534-01738-0
.
Залевски К.
Феноменологическая и статистическая термодинамика: Краткий курс лекций / Пер. с польск. под. ред. Л. А. Серафимова. —
М.
:
Мир
, 1973. — 168 с.
Иродов И. Е.
Физика макросистем. Основные законы. — 6-е изд. (электронное). —
М.
: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. — 208 с. — (Технический университет. Общая физика). —
ISBN 978-5-9963-2589-4
.
Каратеодори К.
Об основах термодинамики
(рус.)
// Развитие современной физики : Сборник статей под ред.
Б. Г. Кузнецова
. — 1964. —
С. 188—222
.
Квасников И. А.
Молекулярная физика. —
М.
: Эдиториал УРСС, 2009. — 232 с. —
ISBN 978-5-901006-37-2
.
Квасников И. А.
Термодинамика и статистическая физика. Т. 1: Теория равновесных систем: Термодинамика. — 2-е изд., сущ. перераб. и доп.. —
М.
: Едиториал УРСС, 2002. — 240 с. —
ISBN 5-354-00077-7
.
Кричевский И. Р.
Понятия и основы термодинамики. — 2-е изд., пересмотр. и доп. —
М.
: Химия, 1970. — 440 с.
Круглов А. Б., Радовский И. С., Харитонов В. С.
Руководство по технической термодинамике с примерами и задачами. — 2-е изд., пересмотр. и доп. —
М.
: НИЯУ МИФИ, 2012. — 156 с. —
ISBN 978-5-7262-1694-2
.
Морачевский А. Г., Фирсова Е. Г.
Физическая химия. Термодинамика химических реакций. — 2-е изд., испр. —
СПб.
: Лань, 2015. — 101 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). —
ISBN 978-5-8114-1858-9
.
Московский С. Б.
Курс статистической физики и термодинамики. —
М.
: Академический Проект; Фонд «Мир», 2005. — 317 с. — (Gaudeamus). —
ISBN 5-8291-0616-7
; 5-902357-33-0.
Пригожин И.
, Дефэй Р.
Химическая термодинамика / Пер. с англ. под ред.
В. А. Михайлова
. — 2-е изд.. —
М.
: Бином. Лаборатория знаний, 2009. — 533 с. — (Классика и современность. Естествознание). —
ISBN 978-5-9963-0201-7
.
Рудой Ю. Г.
Математическая структура равновесной термодинамики и статистической механики. — М.—
Ижевск
: Институт компьютерных исследований, 2013. — 368 с. —
ISBN 978-5-4344-0159-3
.
Седов Л. И.
Механика сплошной среды. Т. I. — 6-е изд., стер. —
СПб.
: Лань, 2004. — 528 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). —
ISBN 5-8114-0541-3
.
Седов Л. И.
Механика сплошной среды. Т. II. — 6-е изд., стер. —
СПб.
: Лань, 2004. — 560 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). —
ISBN 5-8114-0542-1
.
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
.
Франкфурт У. И.
К истории аксиоматики термодинамики
(рус.)
// Развитие современной физики : Сборник статей под ред.
Б. Г. Кузнецова
. — 1964. —
С. 257—292
.
Хрусталев Б.М., Несенчук А.П., Романюк В.Н.
Техническая термодинамика
. В 2-х частях. Часть 1. — Минск: Технопринт, 2004. — 487 с. — (Бакалавр. Академический курс. Модуль). —
ISBN 985-464-547-9
.
Шачнева Е. Ю.
Термодинамика в современной химии. —
М.
: Русайнс, 2016. — 210 с. —
ISBN 978-54365-1386-7
.
Ястржембский А. С.
Техническая термодинамика : [Учебник для втузов]. — Москва ; Ленинград: Госэнергоиздат, 1953. — 544 с.