Номер 2, страница 64 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 3. Температура. Газовые законы. Параграф 3.4. Равновесные (обратимые) и неравновесные (необратимые) процессы - номер 2, страница 64.

Условие.

2. Дайте характеристику неравновесных процессов.

Решение.

Определение и общая характеристика

Неравновесный процесс — это термодинамический процесс, при котором система проходит через последовательность неравновесных состояний. В отличие от идеализированных равновесных (квазистатических) процессов, которые протекают бесконечно медленно, все реальные процессы в природе происходят с конечной скоростью и являются неравновесными. В ходе такого процесса макроскопические параметры системы, такие как температура, давление и концентрация, не являются одинаковыми во всех её частях и изменяются во времени. Например, при быстром сжатии газа его давление и температура у поршня будут выше, чем в отдаленных частях сосуда. Для описания таких систем часто применяют гипотезу локального равновесия, согласно которой можно выделить малые объемы системы, в пределах которых термодинамическое равновесие устанавливается, но вся система в целом остается неравновесной.

Ответ: Неравновесный процесс — это реальный процесс, протекающий с конечной скоростью, в ходе которого система проходит через состояния, не являющиеся термодинамически равновесными, то есть макроскопические параметры (давление, температура) не одинаковы во всех частях системы.

Необратимость и производство энтропии

Важнейшей характеристикой всех неравновесных процессов является их необратимость. Это означает, что система и окружающая среда не могут вернуться в исходное состояние без того, чтобы в других телах произошли какие-либо изменения. Необратимость связана с диссипативными явлениями, такими как трение, вязкость, теплопроводность, диффузия, при которых происходит рассеяние (диссипация) энергии, то есть переход упорядоченной энергии в неупорядоченную тепловую энергию. С точки зрения второго начала термодинамики, необратимость проявляется в производстве энтропии. Полное изменение энтропии системы $\text{dS}$ можно представить как сумму двух слагаемых: $dS = dS_e + dS_i$, где $dS_e$ — это поток энтропии из-за обмена теплом с окружающей средой, а $dS_i$ — это производство энтропии внутри самой системы из-за необратимых процессов. Для любого неравновесного процесса производство энтропии всегда положительно: $dS_i > 0$. Для обратимых (равновесных) процессов $dS_i = 0$.

Ответ: Ключевой характеристикой неравновесных процессов является их необратимость, которая количественно выражается в положительном производстве внутренней энтропии системы ($dS_i > 0$), что является следствием диссипативных явлений (трения, вязкости, теплопроводности).

Движущие силы и потоки

Неравновесные процессы возникают и поддерживаются за счет наличия в системе так называемых термодинамических движущих сил. Этими силами являются градиенты (пространственные производные) различных физических величин. Наличие движущей силы порождает соответствующий поток (перенос) вещества, энергии или заряда. Основные примеры:
1. Градиент температуры ($∇T$) является движущей силой для потока тепла (теплопроводность).
2. Градиент концентрации ($∇c$) — для потока вещества (диффузия).
3. Градиент давления ($∇P$) — для потока импульса (вязкое течение).
4. Градиент электрического потенциала ($∇φ$) — для потока заряда (электрический ток).
Вблизи состояния равновесия между потоками и движущими силами существует линейная связь (например, закон Фурье для теплопроводности, закон Фика для диффузии).

Ответ: Неравновесные процессы вызываются наличием в системе пространственных неоднородностей (градиентов) физических величин, таких как температура, концентрация или давление. Эти градиенты выступают в роли движущих сил, порождающих потоки вещества, энергии или заряда.

Примеры неравновесных процессов

Все процессы, наблюдаемые в реальном мире, являются неравновесными. Вот некоторые характерные примеры:
• Теплопередача: Перенос тепла от горячей батареи к холодному воздуху в комнате.
• Диффузия: Распространение запаха духов в воздухе или растворение сахара в чае.
• Быстрое расширение или сжатие газа: Истечение газа из проколотого баллона, работа двигателя внутреннего сгорания.
• Химические реакции: Процессы горения, ржавления металла, протекающие с конечной скоростью.
• Вязкое течение: Течение воды в трубе или перемешивание жидкости ложкой (механическая работа переходит в тепло из-за внутреннего трения).
• Электрический ток: Протекание тока через резистор, сопровождающееся выделением джоулева тепла.

Ответ: Примерами неравновесных процессов являются все реальные явления: теплопроводность, диффузия, вязкое течение жидкости, быстрое сжатие газа, горение, протекание электрического тока по проводнику с сопротивлением.