Тепловое равновесиеСтационарные распределения температуры.

При сохранении одинаковыми внешних условий (распределения внешнего давления и температуры, мощностей источников тепла и др.) со временем внутри покоящихся тел устанавливается распределение средней кинетической энергии поступательного хаотического движения молекул Еср (температуры). Установившееся распределение соответствует тому, что в каждом данном месте средняя величина кинетической энергии, связанной с поступательным движением молекул, перестает зависеть от времени (в физически малом объеме — в нем содержится большое число молекул , а внешние размеры этого выделенного участка тела значительно меньше характерных размеров самого тела, но значительно больше средних расстояний, на которые молекула свободно перемещается; например, в газах это длина свободного пробега молекул.) Скорость установления стационарного распределения зависит от того, какой механизм установления является определяющим. Для твердых тел этот механизм — теплопроводность. Для жидкостей и плотных газов в поле тяжести к теплопроводности добавляется конвекция. Для тел, разделенных вакуумными (или газовыми) промежутками, таким механизмом является излучение. Сильнейший в атмосферных процессах на Земле механизм теплопередачи — «испарение-конденсация».

Тепловое равновесие.

Тепловое равновесие — это такое состояние неподвижного тела (вещества), при котором всюду внутри тела устанавливается одинаковая величина средней энергии, связанной с хаотическим поступательным движением молекул — Есредн. Всякие макроскопические тепловые потоки при достижении такого состояния прекращаются. Предполагается, что на границах и внутри этого участка пространства вещество не перемещается в макроскопических масштабах, таким образом, из рассмотрения автоматически исключаются процессы, связанные с конвекцией и с переносом вещества путем испарения и конденсации.

Практика показывает, что это состояние достигается со временем самопроизвольно, если внутри тела нет источников или поглотителей тепла и температура на всех границах тела одинакова, или на границах тела устроена теплоизоляция. Если два тела 1 и 2 находятся в состоянии теплового равновесия, и тела 2 и 3 находятся в состоянии равновесия, то это означает, что тела 1 и 3 тоже находятся в состоянии равновесия. Это так называемый «нулевой закон термодинамики».

Установление теплового равновесия происходит вследствие действия различных процессов, которые называют механизмами теплопередачи. Они подробно рассмотрены в соответствующем разделе.

Термически равновесное состояние является динамическим равновесием. Энергообмен между всеми участками тела в этом состоянии имеет место и характеризуется нулевым в среднем по времени потоком теплоты. Передача теплоты при тепловом равновесии происходит и носит флуктуационный характер. Это означает, что за короткий промежуток времени при тепловом равновесии одно тело может передать другому телу некоторое (не равное нулю) количество теплоты, однако в среднем за большой промежуток времени тепловой поток равен нулю.

Обмен энергией между частями системы, находящейся в состоянии теплового равновесия, происходит посредством всего двух механизмов теплопередачи (излучение и теплопроводность) и характеризуется равенством в среднем по времени прямых и обратных потоков, связанных с каждым из механизмов теплопередачи отдельно. Это неочевидное утверждение подтверждается практикой и носит название принципа детального равновесия.

Это означает, что не реализуется на практике такое равновесие, при котором, например, часть «А» системы в среднем по времени отдает энергию части «В» системы путем излучения, а обратный поток энергии от «В» к «А» обеспечивается за счет механизма теплопроводности.

Сама Жизнь является примером того, что некоторые тела не приходят в тепловое равновесие со средой. Например, даже в пятидесятиградусный мороз живут и работают люди, животные. Такие тела непрерывно обмениваются энергией с окружением, то есть являются, как говорят, открытыми термодинамическими системами. Понятно, что поведение таких систем более сложное, чем поведение тел, находящихся в термически равновесном состоянии.


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+