Кіріспе

Екі физикалық жүйе жылулық тепе-теңдікте болады, егер олар жылу өткізгіш жолмен қосылған кезде олардың арасында жылулық энергияның таза ағыны болмаса. Жылулық тепе-теңдік термодинамиканың бірінші заңымен сипатталады. Егер жүйедегі температура кеңістікте біркелкі және уақыт бойынша тұрақты болса, онда жүйе өзімен жылулық тепе-теңдікте деп есептеледі. Термодинамикалық тепе-теңдіктегі жүйелер әрқашан жылулық тепе-теңдікте болады, бірақ керісінше әрқашан дұрыс емес. Егер жүйелер арасындағы байланыс энергияны "ішкі энергияның өзгеруі" түрінде беруге мүмкіндік берсе, бірақ затты немесе энергияны жұмыс түрінде беруге мүмкіндік бермесе, екі жүйе термодинамикалық тепе-теңдікке жетпей жылулық тепе-теңдікке қол жеткізе алады.

Екі жылулық байланыстағы денелер арасындағы жылулық тепе-теңдік қатынасы

Жылулық тепе-теңдік қатынасы – екі дене арасындағы тепе-теңдіктің бір мысалы, яғни ол заттың немесе жұмыстың таңдамалы өткізгіш бөлігі арқылы берілуге қатысты; мұндай жағдай диатермальдық байланыс деп аталады. Либ пен Йнгвасонға сәйкес, жылулық тепе-теңдік қатынасының маңызды мәні рефлексивті және симметриялық екенін қамтиды. Оның транзитивті болуы немесе болмауы маңызды мәнге жатпайды. Анықтаманың семантикасын талқылағаннан кейін, олар жылулық тепе-теңдік транзитивті қатынас екенін постулаттайтын "термодинамиканың бірінші заңы" деп аталатын маңызды физикалық аксиоманы ұсынады. Олар осылайша белгіленген жүйелердің эквиваленттілік кластары изотермалар деп аталады деп түсіндіреді.

Оқшауланған дененің ішкі жылулық тепе-теңдігі

Дененің жылулық тепе-теңдігі – дененің оқшауланған күйін сипаттайды. Мұның себебі – оған ешқандай жылу кірмейтіні не шықпайтыны, сондай-ақ оған өзінің ішкі қасиеттеріне сәйкес тұрақтануға шексіз уақыт беріледі. Толыққандай тұрақтанған кезде, макроскопиялық өзгерістерді анықтау мүмкін болмайтын жағдайда, дене өзінің жылулық тепе-теңдік күйінде болады. Бұл оның міндетті түрде басқа ішкі тепе-теңдік түрлерінде екенін білдірмейді. Мысалы, дене ішкі жылулық тепе-теңдікке жеткенімен, ішкі химиялық тепе-теңдікте болмауы мүмкін; шыны осыған мысал. Бір оқшауланған жүйені бастапқыда ішкі жылулық тепе-теңдік күйінде емес деп елестете беруге болады. Оны ешқандай қабырғасыз, ешбір бөліссіз екі кіші жүйеге бөлудің гипотетикалық термодинамикалық амалына салуға болады. Содан кейін екі кіші жүйе арасында жылу түрінде энергия алмасу мүмкіндігін қарастыруға болады. Гипотетикалық бөлу амалынан соң ұзақ уақыт өткенде, екі кіші жүйе іс жүзінде тұрақты күйге жетеді және бір-бірімен жылулық тепе-теңдік қатынасында болады. Мұндай тәжірибе әртүрлі гипотетикалық бөліктермен көптеген жолдармен жүргізілуі мүмкін. Олардың барлығы әртүрлі бөліктерден алынған кіші жүйелерді сынау арқылы бір-бірімен жылулық тепе-теңдікте екенін көрсетуге болатын жүйелерге әкеледі. Осы себепті, бастапқыда өзінің ішкі жылулық тепе-теңдік күйінде емес, бірақ ұзақ уақытқа қалдырылған оқшауланған жүйе, іс жүзінде әрқашан ішкі жылулық тепе-теңдік күйі деп есептелетін соңғы күйге жетеді. Мұндай соңғы күй – кеңістіктегі біркелкілік немесе температураның біртектілігі болып табылады. Мұндай күйлердің болуы – классикалық термодинамиканың негізгі постулаты. Бұл постулат кейде, бірақ сирек, термодинамиканың минус бірінші заңы деп аталады. Бір ерекшелік – көп денелі локализацияланған және ешқашан ішкі жылулық тепе-теңдікке жетпейтін оқшауланған кванттық жүйелер.

Жылу байланысы

Жылу жабық жүйеге жылу өткізгіштік немесе жылулық сәулелену арқылы жылу резервуарынан кіре немесе оған шыға алады. Егер бұл процесс жылудың таза берілуіне себеп болса, жүйе жылулық тепе-теңдікте болмайды. Жылу түріндегі энергия берілісі жалғасқанда жүйенің температурасы өзгеруі мүмкін.

Бөлшектей біркелкі температурада дайындалған, содан кейін бір-бірімен таза жылу байланысына енгізілген денелер

Егер денелер жеке-жеке микроскопиялық тұрақты күйде дайындалса, және содан кейін өткізгіш немесе сәулелену арқылы бір-бірімен таза жылулық байланысқа түсірілсе, егер байланыс кезінде екі денеде де өзгеріс болмаса, олар жылулық тепе-теңдікте болады. Бірақ егер олар бастапқыда жылулық тепе-теңдікте болмаса, жылу ыстық денеден суық денеге қарай ағады, өткізгіш немесе сәулелену арқылы, қандай жол болса да, және бұл ағын жылулық тепе-теңдікке жеткенше жалғасады, содан кейін олардың температурасы теңеседі. Жылулық тепе-теңдіктің бір түрі – сәулелік алмасу тепе-теңдігі. Екі дене, әрқайсысының өзіндік біркелкі температурасы бар, тек сәулелену байланысында, арақашықтығына қарамастан, немесе сәулелену алмасу жолында жартылай кедергі келтіретін, шағылыстыратын немесе сындыратын кедергілер болса да, бір-біріне қатысты қозғалмаса, жылулық сәулеленумен алмасады, нәтижесінде ыстық дене салқын денеге энергия береді, және олардың температурасы теңелгенде бірдей және қарама-қарсы мөлшерде алмасады. Осы жағдайда Кирхгофтың сәулелену қабілеті мен сіңіру қабілетінің теңдігі туралы заңы және Гельмгольцтің өзаралық принциптері қолданылады.

Оқшауланған жүйенің ішкі күйінің өзгеруі

Егер бастапқыда оқшауланған физикалық жүйе, ішкі қабырғалары жоқ, адиабатикалық оқшауланған ішкі жүйелер құрмайтын болса, ол жеткілікті уақыт өткен соң, әдетте өзінің ішінде термиялық тепе-теңдікке жетеді, онда оның температурасы барлық жерде біркелкі болады, бірақ міндетті түрде термодинамикалық тепе-теңдікке жете бермейді, егер жүйедегі кейбір процестердің тепе-теңдікке жетуіне кедергі жасайтын құрылымдық тосқауыл болса; мысалы, шыны. Классикалық термодинамика көбінесе ішкі тепе-теңдікке жеткен идеалды жүйелерді және олар арасындағы материя мен энергияның идеалды ауысуын қарастырады. Оқшауланған физикалық жүйе біртекті болмауы мүмкін, немесе қабырғалармен бөлінген бірнеше ішкі жүйелерден тұруы мүмкін. Егер бастапқыда біртекті емес физикалық жүйе, ішкі қабырғасыз, термодинамикалық операция арқылы оқшауланса, ол уақыт өте келе ішкі күйін өзгертеді. Немесе егер ол қабырғалармен бөлінген бірнеше ішкі жүйелерден тұрса, онда оның қабырғаларын өзгертетін термодинамикалық операциядан кейін күйі өзгеруі мүмкін. Мұндай өзгерістер құрауыш материалдардың күйін өзгерту арқылы температураның немесе температураның кеңістіктегі таралуының өзгеруін қамтуы мүмкін. Бір жағы ыстық, екінші жағы суық етіп дайындалған темір таяқ оқшауланғанда, оның температурасы ұзындығы бойымен біркелкі болады; оның температурасы біркелкі болмайынша, процесс кезінде таяқ термиялық тепе-теңдікте болмайды. Ыстық суға түсірілген мұз блогы ретінде дайындалған және одан кейін оқшауланған жүйеде мұз балқыуы мүмкін; балқу кезінде жүйе термиялық тепе-теңдікте болмайды; бірақ соңында оның температурасы біркелкі болады; мұз блогы қайтадан қатып қалмайды. Бензин буы мен ауа қоспасы ұшқынмен тұтандырылып, көмірқышқыл газы мен су шығаруы мүмкін; егер бұл оқшауланған жүйеде болса, ол жүйенің температурасын көтереді, ал температураның көтерілуі кезінде жүйе термиялық тепе-теңдікте болмайды; бірақ соңында жүйе біркелкі температураға жетеді. Мұндай өзгерістер оқшауланған жүйелерде қайтымсыз болып табылады, яғни жүйе бірдей дайындалғанда мұндай өзгеріс өздігінен орын алса, кері өзгеріс оқшауланған жүйеде дерлік ешқашан өздігінен орын алмайды; бұл термодинамиканың екінші заңының мазмұнының маңызды бөлігі. Табиғатта толығымен оқшауланған жүйелер кездеспейді және олар әрқашан жасанды түрде дайындалады.

Гравитациялық өрісте

Адам өте биік, адиабатикалық оқшауланған, қатаң қабырғалары бар ыдыстағы жүйені қарастыруы мүмкін, бастапқыда онда термиялық жағынан әртүрлі материал болса, және ол ұзақ уақыт бойы жер сияқты сыртқы дененің әсерінен тұрақты гравитациялық өріс әсеріне ұшыратылса, оның биіктігі бойымен. Ол кеңістікте біркелкі температураға орналасады, бірақ қысымы мен тығыздығы біркелкі болмайды, және мүмкін бірнеше фазадан тұрады. Бұл жағдайда жүйе ішкі жылулық және тіпті термодинамикалық тепе-теңдікте болады. Бұл жүйенің барлық жергілікті бөліктерінің бір-бірімен радиациялық алмасу тепе-теңдігінде екенін білдіреді. Яғни, жүйенің температурасы кеңістікте біркелкі. Бұл тұжырымды кинетикалық теория мен статистикалық механика да қолдайды.

Термиялық және термодинамикалық тепе-теңдіктердің айырмашылығы

Термиялық және термодинамикалық тепе-теңдік арасында маңызды айырмашылық бар. Мюнстердің (1970) сөзіне сәйкес, термодинамикалық тепе-теңдік күйінде жүйенің күй айнымалылары өлшенетін жылдамдықпен өзгермейді. Сонымен қатар, "өлшенетін жылдамдықпен" деген ескерту, тепе-теңдікті тек белгілі процестер мен анықталған тәжірибелік жағдайларға қатысты қарастыруға болатынын білдіреді. Термодинамикалық тепе-теңдік күйін материяның берілген денесінің кез келген басқа күйіне қарағанда аз макроскопиялық айнымалылармен сипаттауға болады. Жеке оқшауланған дене термодинамикалық тепе-теңдікке жетпеген күйде басталып, термодинамикалық тепе-теңдікке жеткенше өзгеруі мүмкін. Жылулық тепе-теңдік – екі дене немесе жабық жүйе арасындағы қатынас, онда энергия ғана алмасуға рұқсат етіледі және бұл алмасу жылу өткізгіш бөлік арқылы жүзеге асырылады, ал денелердің күйі өзгергенше алмасу жалғасады. К. Дж. Адкинс «жылулық тепе-теңдік» пен «термодинамикалық тепе-теңдік» арасында нақты айырма жасайды. Ол екі жүйенің жылу алмасуына рұқсат берілсе де, жұмыс алмасуына шектеу қоюға болатынын айтады; олар табиғи түрде жылу алмасады, температуралары теңелгенше және жылулық тепе-теңдікке жеткенше, бірақ әдетте термодинамикалық тепе-теңдікке жете алмайды. Егер оларға жұмыс алмасуға рұқсат берілсе, термодинамикалық тепе-теңдікке жете алады. Б. К. Эу «жылулық тепе-теңдік» пен «термодинамикалық тепе-теңдік» арасындағы тағы бір нақты айырмашылықты көрсетеді. Ол жылулық байланыстағы екі жүйені қарастырады, олардың біреуі термометр, екіншісі бірнеше қайтымсыз процестер жүріп жатқан жүйе. Ол қызығушылық тудыратын уақыт аралығында термометр көрсеткіштері де, қайтымсыз процестер де тұрақты болатын жағдайды қарастырады. Онда термодинамикалық тепе-теңдіксіз жылулық тепе-теңдік болады. Эу сондай-ақ термодинамиканың бірінші заңы термодинамикалық тепе-теңдік болмаған кезде де қолданылуы мүмкін екенін ұсынады; сонымен қатар, егер өзгерістер соншалықты жылдам болса, тұрақты температураны анықтау мүмкін болмаса, онда «процесті термодинамикалық формализм арқылы сипаттау мүмкін емес. Яғни, термодинамика мұндай процеске қатысы жоқ».

Планеталардың жылулық тепе-теңдігі

Планета жылулық тепе-теңдікте болады, егер оған түсетін энергия (әдетте, ана жұлдызынан келетін сәулелену) ғарышқа шығарылатын инфрақызыл энергияға тең болса.

Сілтеме беру

Адкинс, К. Дж. (1968/1983). Тепе-теңдік термодинамикасы, үшінші басылым, МакГроу Хилл, Лондон. Бейлин, М. (1994). Термодинамика шолуы, Америка физика институты баспасы, Нью-Йорк. Болцман, Л. (1896/1964). Газ теориясы бойынша лекциялар, С. Г. Бруш аударған, Калифорния университеті, Беркли. Чепмен, С., Коулинг, Т. Г. (1939/1970). Біркелкі емес газдардың математикалық теориясы. Газдардағы тұтқырлық, жылу өткізгіштік және диффузияның кинетикалық теориясы туралы еңбек, үшінші басылым, 1970, Кембридж университетінің баспасы, Лондон. Гиббс, Дж. У. (1876/1878). Гетерогенді заттардың тепе-теңдігі туралы, Conn. Acad. транзакциялары, 3: 108–248, 343–524, «Ж. Уиллард Гиббстің жинақталған еңбектерінде» қайта басылды, Ph. D, LL. D., В. Р. Лонгли, Р. Г. Ван Нейм редакторында, Лонгманс, Грин және Ко., Нью-Йорк, 1928, 1-том, 55–353 беттер. Максвелл, Дж. К. (1867). Газдардың динамикалық теориясы туралы, Phil. Trans. Roy. Soc. London, 157: 49–88. Мюнстер, А. (1970). Классикалық термодинамика, Э. С. Халберштадт аударған, Wiley–Interscience, Лондон. Партингтон, Дж. Р. (1949). Физикалық химия бойынша кеңейтілген трактат, 1-том, Негізгі принциптер. Газдардың қасиеттері, Лонгманс, Грин және Ко., Лондон. Планк, М. (1897/1903). Термодинамика туралы трактат, А. Огг аударған, ағылшын тіліндегі бірінші басылым, Лонгманс, Грин және Ко., Лондон. Планк, М. (1914). Жылу сәулеленуінің теориясы, екінші басылым, М. Масиус аударған, P. Blakiston's Son and Co., Филадельфия. тер Хаар, Д., Вергеланд, Х. (1966). Термодинамика элементтері, Addison Wesley Publishing, Рединг, Массачусетс. Тиса, Л. (1966). Жалпыланған термодинамика, M. I. T. Press, Кембридж, Массачусетс.