Необратимых процессов

28. Эбелинг В. Образование структур при необратимых процессах.- М.: Мир, 1979.- 275 с.

28. Эбелинг В. Образование структур при необратимых процессах.- М.: Мир, 1979.-275 с.

В то же время основной задачей теории изнашивания является установление критериев, с помощью которых можно было бы предсказать скорость (или интенсивность) изнашивания, наступление предельного состояния поверхностных слоев, переходы от одного вида изнашивания к другому. Наиболее общим и перспективным в исследовании и описании процессов изнашивания является термодинамический подход, в основе которого лежат законы сохранения энергии и принцип увеличения энтропии при необратимых процессах (первое и второе начала термодинамики). Целесообразность такого подхода также объясняется тем, что в основе современных теорий прочности твердых тел и строения вещества лежат энергетические концепции, а процесс трения всегда сопровождается диссипацией энергии. При этом совокупность происходящих физико-химических процессов, обусловливающая изменение структуры материала, энтропии трибосистемы и ее изнашивание (разрушение), может быть описана с помощью законов неравновесной термодинамики и термодинамических критериев (энерге-

Все процессы, протекающие в двигателях, происходят при конечных значениях скоростей, конечных разностях температур и обладают, таким образом, всеми признаками необратимости. Ввиду сложности явлений, происходящих в газе при необратимых процессах, термодинамика не может непосредственно решать задачи, связанные с необратимыми изменениями состояния, и поэтому в первую очередь изучает обратимые процессы, хотя они, требуя для своего осуществления идеальных условий, в двигателях не происходят.

Некоторые открытия последних лет дают основание полагать, что в далеких пространствах Вселенной действительно происходят «возрождение» энергии и ее концентрация. Эти явления, следовательно, происходят с уменьшение;^ энтропии и должны компенсировать рост ее, происходящий в наблюдаемых нами необратимых процессах.

Изменение энтропии в необратимых процессах. Из соотношений (1.121) и (1.124) следует, что для обратимого цикла Карно

находят по содержанию в дымовых газах продуктов неполного сгорания (СО, Н2, СН4, CmHn), определяемому на основе химического анализа дымовых газов. Потери от механической неполноты сгорания (1 — 12 %) оценивают по содержанию горючих веществ в шлаке и золе. Потери от наружного охлаждения (0,5 — 3 %) зависят от производительности котла, при эксплуатации их определяют на основе теории теплообмена по данным измерения температуры наружных стен котла и окружающего воздуха. Потери с физическим теплом шлаков зависят от количества удаляемых из котла шлаков, их теплоемкости и температуры. В большинстве случаев они незначительны, но при жидком шлако-удалении они увеличиваются до 1 — 5%. Эксергетический баланс котла. КПД котла, полученный на основе теплового баланса, учитывает лишь потери энергии в установке и не отражает качественных изменений, сопровождающих реальные необратимые процессы. При необратимых процессах в соответствии со вторым законом термодинамики происходит обесценивание энергии, т. е. потеря ею способности передаваться в форме работы. Оценка эффективности работы котла с точки зрения второго закона термодинамики может быть осуществлена на основе баланса эксергии. Эксергия

3.6. Изменение энтропии в необратимых процессах

Рис. 3.8. К определению изменения энтропии в необратимых процессах.

§18. ПОНЯТИЕ О РАВНОВЕСНЫХ И НЕРАВНОВЕСНЫХ, ОБРАТИМЫХ И НЕОБРАТИМЫХ ПРОЦЕССАХ

§ 18. Понятие о равновесных и неравновесных, обратимых и необратимых процессах .................... 34

2. Стационарное неравновесное (необратимое) изотермическое разрушение. При бесконечно медленном росте внешних сил приращение свободной энергии тела меньше механической работы на величину энергии, обусловленной наличием необратимых процессов в теле, т.е.

В термодинамике необратимых процессов вводится феноменологическая связь между силами и потоками, которая в нашем случае имеет вид:

Неоднородные системы — неравновесные и в них всегда возможно возникновение необратимых процессов, таких, как теплопередача, диффузия и т. д. Такие системы рассматривает термодинамика необратимых систем, используя уравнения математической физики (Фурье, Фика и др.). Эта область термодинамики в настоящее время получила большое развитие благодаря широкому применению ЭВМ.

Рост энтропии указывает наличие в системе необратимых процессов; s стремится к максимальному значению при равновесии, т. е. когда все необратимые процессы будут закончены. Можно из определения энтропии записать:

где deS - изменение энтропии за счет обмена теплом и веществом с внешней средой; d;S - изменение энтропии в результате протекания необратимых процессов внутри системы.

Г.П. Гладышев [2] показал, что дискретность строения природных структур позволяет выделить системы и подсистемы, а их поведение описать равновесными и неравновесными моделями. Это дает возможность сочетать подходы, основанные на классической термодинамике и термодинамике неравновесных систем. Такое сочетание получило название макротермодинамики, изучающей системы любого типа с использованием методов термостатики и неравновесной термодинамики. Классическая термодинамика (термостатика) не оперирует временем как параметром. Однако она имеет то преимущество, что использует термодинамический потенциал, обладающий высокой информативностью и характеризующий экстремальные свойства. Термодинамика необратимых процессов, наоборот, оперирует со временем, но требует для описания неравновесных процессов существенно большее число переменных по сравнению с соответствующим равновесным процессом, фиксируя свое внимание на эффектах неустойчивости.

где d S - изменение энтропии за счет обмена теплом и веществом с внешней средой; d.S - изменение энтропии в результате протекания необратимых процессов внутри системы.

Г.П. Гладышев [2] показал, что дискретность строения природных структур позволяет выделить системы и подсистемы, а их поведение описать равновесными и неравновесными моделями. Это дает возможность сочетать подходы, основанные на классической термодинамике и термодинамике неравновесных систем. Такое сочетание получило название макротермодинамики, изучающей системы любого типа с использованием методов термостатики и неравновесной термодинамики. Классическая термодинамика (термостатика) не оперирует временем как параметром. Однако она имеет то преимущество, что использует термодинамический потенциал, обладающий высокой информативностью и характеризующий экстремальные свойства. Термодинамика необратимых процессов, наоборот, оперирует со временем, но требует для описания неравновесных процессов существенно большее число переменных по сравнению с соответствующим равновесным процессом, фиксируя свое внимание на эффектах неустойчивости.

Наиболее полно физические представления о природе совместимости материалов как оптимальном состоянии трибосистемы в заданных условиях работы вытекают из положений термодинамики необратимых процессов. Применение этих положений в трибологии описывается в работах Б.И. Костецкого,Л.И. Бершадского, Ю.К. Машкова, А.А. Полякова, В. Эбелинга и др. Трибосистема рассматривается как открытая система, обменивающаяся энергией и веществом с окружающей средой. Трибопроцессы проходят в стационарном, установившемся и нестационарном, переходном режимах. Наблюдаются локальные равновес-

где d,S - изменение энтропии в результате обмена с окружающей средой; d,S - изменение энтропии вследствие необратимых процессов внутри трибосистемы. Следовательно, минимальное увеличение энтропии системы может быть достигнуто при выполнении двух условий:

Дальнейшее обобщение и развитие энергетических концепций стали возможны на основе фундаментальных законов термодинамики. Трибосистема с позиций термодинамики необратимых процессов, как отмечалось выше, при определенных условиях является открытой термодинамической системой, обменивающейся энергией и веществом с окружающей средой. Известно, что в термодинамике неравновесных систем в отличие от равновесной термодинамики изучают изменения состояний, протекающие с конечными, отличными от нуля скоростями. Предмет исследования - переносы массы, энергии, вызванные различными факторами, называемыми силами. Причиной возникновения потока всегда являются различия в значениях термодинамических сил: температуры, давления и концентрации или их функции, т.е. перепады, или градиенты. Поэтому поток теплоты в трибосистеме появляется, если возникает градиент температуры, а поток вещества есть следствие наличия градиента концентрации и т.д. Следовательно, термодинамические силы представляют собой градиенты, характеризующие удаленность трибосистемы от термодинамического равновесия. Суть применения законов классической термодинамики к неравновесным системам заключается в предположении о локальном равновесии внутри малых элементов областей системы. Представление о локальном равновесии позволяет изучать большое число практически важных неравновесных систем, к которым с полным основанием можно отнести и трибосистемы. При этом все уравнения сохраняют свою ценность по отношению к малым областям, а значит, и общность описываемых ими закономерностей. Так, уравнение Гиббса. показывающее зависимость внутренней энергии U от энтропии S, объема \' и химических потен-