Равновесной влажности

Трудно объяснимое на первый взгляд наличие каскада переходов в неравновесной системе становится понятным, если принять во внимание статистический характер свойств среды. В равновесных системах состояние равновесия устойчиво относительно флуктуации, которые непрерывно возмущают средние значения потоков энергии. Вблизи равновесия флуктуации затухают. Поэтому можно считать, что равновесные и близкие к равновесным системы управляемы. В них равновесие контролируется стремлением системы к минимуму свободной энергии Гиббса. В неравновесных условиях устойчивость системы контролируется стремлением системы к минимуму производством энергии. Но что же заставляет систему забывать, что она является неравновесной и эволюционировать на определенном этапе по законам равновесной термодинамики? Физические причины такого поведения рассмотрены ниже.

Установлено, что при облучении на один акт ионизации приходится несколько СОТРН устраненных дефектов. Аннигиляция дефектов при облучении металлов и сплпнов приводит к возникновению тепловых вспышек в области аннигиляции, способных вызвать и поддерживать цепной процесс аннигиляции дефектов. Повышение температуры в области аннигиляции дефектов приводит к освобождению за-ппсениой в материале анергии и снятию напряжений. При этом возникают состояния с более низкой энтропией по сравнению с начальной, что характеризует упорядочение структуры материала. Тпкие состояния, маловероятные с позиций равновесной термодинамики, мо-

Трудно объяснимое,на первый взгляд,наличие каскада переходов в неравновесной системе становится понятным, если принять во внимание статистический характер свойств среды. В равновесных системах состояние равновесия устойчиво относительно флуктуации, которые непрерывно возмущают средние значения потоков энергии. Вблизи равновесия флуктуации затухают. Поэтому можно считать, что равновесные и близкие к равновесным системы управляемы. В них равновесие контролируется стремлением системы к минимуму свободной энергии Гиббса. В неравновесных условиях устойчивость системы контролируется стремлением системы к минимуму производством энергии. Но что же заставляет систему забывать, что она является неравновесной и эволюционировать на определенном этапе по законам равновесной термодинамики? Физические причины такого поведения рассмотрены ниже.

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-

Представляется интересным для практики произвести количественное рассмотрение влияния химической реакции на межфазную энергию на границе «твердое тело — газ» с позиций равновесной термодинамики. Нами было получено, что

Процессы, протекающие в тонком прилегающем к поверхности слое, наиболее сложны и мало изучены. Это связано как с высоким уровнем рабочих температур, так и с тем, что в отличие от газообразного пограничного слоя здесь не применимы методы равновесной термодинамики. Не только величина того или иного параметра, но и сам характер протекания процесса обусловлены взаимодействием многих физических и химических факторов.

Изучение открытых систем - одно из перспективных направлений термодинамики завтрашнего дня. Самоорганизация в открытых системах всегда выступала как «островок сопротивления» второму началу равновесной термодинамики, которое предсказывает дезорганизацию и разрушение структуры в изолированной системе при эволюции к равновесию. Заслугой неравновесной термодинамики является установление того факта, что самоорганизация - общее свойство открытых систем. При этом именно неравновесность служит источником упорядоченности. Этот вывод послужил отправной точкой для идей синергетики, выдвинутых учеными Брюссельской школы во главе с И. Пригожиным.

В металлургии и материаловедении уже давно используется технология получения материалов в неравновесных условиях, однако теоретические основы управления структурой и свойствами материалов до настоящего времени базируются главным образом на принципах равновесной термодинамики. Рассмотренные в данной главе подходы синергетики являются методологической основой для решения проблем материаловедения с использованием законов неравновесной термодинамики.

1.1. Принципы равновесной термодинамики

Из принципов равновесной термодинамики следует, что энтропия закрытой системы остается постоянной, а открытой -— возрастает до максимального значения. Максимальная энтропия означает низкую степень организованности и, таким образом, определяет наибольшую неупорядоченность. Состояние термодинамического равновесия характеризуется условием равновесия

Принцип локального равновесия означает справедливость всех уравнений равновесной термодинамики для бесконечно малых элементов массы (объема) неравновесных систем. Согласно этому принципу, состояние неравновесной системы характеризуется локальными термодинамическими потенциалами, которые зависят от времени только через характеристические термодинамические параметры, причем для всех термодинамических величин справедливы уравнения классической термодинамики. Это позволяет строить рассмотрение неравновесных открытых систем на анализе термодинамической самоорганизации структур, в которых локализован некий квазиравновесный процесс. В этом случае эволюцию системы можно рассматривать как ее переход через ряд термодинамических квазиравновесных состояний, а зависимость системы от времени описывать с помощью параметров, контролирующих наиболее медленный процесс.

ность в период изготовления деревянной конструкции была бы несколько ниже или хотя бы равна равновесной влажности древесины периода эксплуатации.

Для устранения формоизменяемости деревянных изделий в процессе ях эксплуатации необходимо, чтобы равновесная влажность в период изготовления деревянной конструкции была несколько ниже или хотя бы была равна равновесной влажности древесины периода эксплуатации.

Фиг. 9. Зависимость равновесной влажности древесины от влажности и температуры воздуха.

Перед окончанием сушки проверяется лабораторным анализом (ОСТ НКЛеса250) влажность материала в разных зонах штабеля. Величина конечной влажности должна соответствовать равновесной влажности воздуха (см. фиг. 9), в котором высушенная древесина будет длительное время находиться в период эксплоатации. Для отапливаемых помещений в зависимости от гигро-термических условий в них влажность высушенной древесины допускается в пределах 7—12%.

Температура по сулему термометру t Фиг. 22. Номограмма для определения равновесной влажности древесины W и влажности воздуха <р по показаниям психрометра.

б) Производить повторную сушку до равновесной влажности, т. е. до влажности воздуха, в котором изделие будет находиться в условиях эксплоатации.

в) период падающей скорости сушки, обозначенной отрезком-2—3 на кривой рис. 2. Этот период наступает по достижении материалом средней влажности, соответствующей точке 2 кривой на рис. 2 и называемой критической влажностью (WK). Скорость сушки в этот период уменьшается в каждый последующий момент времени, и при достижении материалом равновесной влажности (Wp) становится равной нулю, т. е. сушка материала прекращается. Падение скорости сушки сопровождается уменьшением расхода тепла на испарение влаги и увеличением расхода тепла на подогрев материала, вследствие чего температура материала начинает подниматься (см. рис. 1), стремясь достигнуть температуры воздуха, окружающего материал.

Таким образом, из рис. 17 видно, что удаление свободной влаги из кирпича заканчивается одновременно с окончанием усадки кирпича. Средняя прочность кирпича к этому моменту достигает 2,0 кг/см2 для тощих глин и 6,5 кг/см2 для пластичных глин, ia прочность периферийных слоев, очевидно, достигает -максимальных значений, так как их влажность близка к равновесной влажности кирпича.

достижения равновесной влажности при этом сильно сокращается и составляет от 5 до 10 час.

Материал может поглощать влагу из окружающей паровоздушной среды путем сорбции только до гигроскопической (равновесной) влажности.

Проведенные автором [42] исследования сорбционного поглощения на одиночных образцах и образцах, состоящих из двух плотно соприкасающихся материалов, вскрыли различие в величинах максимальной гигроскопической влажности и взаимное влияние соприкасающихся материалов на увеличение равновесной влажности при высокой относительной влажности воздуха (выше 80%).