Кіріспе

Термодинамикалық тепе-теңдік – термодинамиканың аксиоматикалық ұғымы. Бұл бір термодинамикалық жүйенің ішкі күйі немесе бірнеше термодинамикалық жүйелер арасындағы қатынас, олар аз немесе көп өткізгіш немесе өткізбейтін қабырғалармен байланысты. Термодинамикалық тепе-теңдікте жүйенің ішінде немесе жүйелер арасында заттың немесе энергияның таза макроскопиялық ағыны болмайды. Ішкі термодинамикалық тепе-теңдік күйіндегі жүйеде макроскопиялық өзгеріс болмайды. Өзара термодинамикалық тепе-теңдікте тұрған жүйелер бір мезгілде өзара жылулық, механикалық, химиялық және радиациялық тепе-теңдікте болады. Жүйелер бір түрдегі өзара тепе-теңдікте болуы мүмкін, ал басқаларында болмауы мүмкін. Термодинамикалық тепе-теңдікте тепе-теңдіктің барлық түрлері бірден және шексіз сақталады, термодинамикалық операциямен бұзылғанға дейін. Макроскопиялық тепе-теңдікте микроскопиялық алмасулар толық немесе дерлік толық теңгерілген болады; бұл макроскопиялық тепе-теңдік ұғымының физикалық түсіндірмесі. Ішкі термодинамикалық тепе-теңдік күйіндегі термодинамикалық жүйе кеңістікте біркелкі температураға ие. Температурадан басқа оның интенсивті қасиеттері, айналадағы ортаның өзгермейтін ұзаққа созылған күш өрісінің әсерінен кеңістікте біртектілікке ұшырауы мүмкін. Тепе-теңдіксіз күйдегі жүйелерде, керісінше, заттың немесе энергияның таза ағыны болады. Егер мұндай өзгерістер олар бұрыннан болмаған жүйеде туындауы мүмкін болса, онда жүйе метатұрақты тепе-теңдікте деп айтылады. Көп таралмаған "заң" болмаса да, термодинамикалық тепе-теңдік күйлерінің бар екендігі термодинамиканың аксиомасы болып табылады. Термодинамиканың екінші заңы бойынша, оқшауланған материал денесі тепе-теңдік күйінен басталып, оның бөліктері аз немесе көп өткізгіш немесе өткізбейтін бөліктермен әртүрлі күйде ұсталып тұрса, және термодинамикалық операция осы бөліктерді алып тастаса немесе оларды өткізгіш ететін болса, онда ол өздігінен жаңа ішкі термодинамикалық тепе-теңдік күйіне жетеді және бұл бөліктердің энтропиясының қосындысының артуымен бірге жүреді.

Жүйелер арасындағы айырбастау тепе-теңдігінің байланысы

Термодинамикалық жүйенің айналасын көбінесе тағы бір термодинамикалық жүйе ретінде қарастыруға болады. Осы көзқарас бойынша, жүйе мен оның айналасын өзара әрекеттесетін екі жүйе ретінде қарастыруға болады, оларды ұзақ қашықтықтағы күштер де байланыстырады. Жүйенің сыртқы ортасы – екі жүйе арасындағы жанасу беті немесе шекара. Термодинамикалық формализмде бұл бетке белгілі өткізгіштік қасиеттері тән деп есептеледі. Мысалы, жанасу беті тек жылуға өткізгіш болуы мүмкін, энергияның тек жылу түрінде берілуіне рұқсат береді. Онда екі жүйе ұзақ қашықтықтағы күштер уақыт бойынша өзгермейтін және олардың арасындағы жылу энергиясының берілуі баяулап, соңында тоқтаған кезде жылулық тепе-теңдікте деп есептеледі; бұл контактілік тепе-теңдіктің бір мысалы. Контактілік тепе-теңдіктің басқа түрлері әртүрлі өткізгіштік түрлерімен анықталады. Екі жүйе белгілі бір өткізгіштікке қатысты контактілік тепе-теңдікте болғанда, олар сол өткізгіштік түріне жататын интенсивті шаманың бірдей мәніне ие болады. Мұндай интенсивті шамалардың мысалдары температура, қысым, химиялық потенциал болып табылады. Контактілік тепе-теңдікті алмасу тепе-теңдігі ретінде де қарастыруға болады. Контактілік тепе-теңдікте екі жүйе арасындағы белгілі бір шаманың берілу жылдамдығының тепе-теңдігі нөлге тең болады. Мысалы, тек жылуға өткізгіш қабырға үшін, екі жүйе арасындағы ішкі энергияның жылу түрінде таралу жылдамдығы тең және қарама-қарсы бағытталған. Екі жүйе арасындағы адиабаттық қабырға тек жұмыс түрінде берілетін энергияға «өткізгіш» болады; механикалық тепе-теңдікте олардың арасындағы жұмыс түрінде энергияның берілу жылдамдығы тең және қарама-қарсы. Егер қабырға қарапайым болса, онда оның арқылы көлемнің берілу жылдамдығы да тең және қарама-қарсы болады; және оның екі жағындағы қысымдар бірдей. Егер адиабаттық қабырға күрделірек болса, белгілі бір тетікке ие болса және көлем алмасу қатынасы болса, онда екі жүйенің алмасу тепе-теңдігіндегі қысымдары көлем алмасу қатынасының кері пропорционалдығында болады; бұл жұмыс түрінде берілудің тепе-теңдігін сақтайды. Радиациялық алмасу екі бөлек жүйе арасында жүзеге асуы мүмкін. Радиациялық алмасу тепе-теңдігі екі жүйенің температурасы бірдей болғанда орнатылады.

Жүйенің ішкі тепе-теңдіктің термодинамикалық жағдайы

Материя жиынтығы қоршаған ортадан толығымен оқшаулануы мүмкін. Егер ол белгісіз ұзақ уақыт бойы бұзылмаса, классикалық термодинамика оның ішінде ешқандай өзгеріс болмайтын және ішінде ешқандай ағын болмайтын күйде екенін постулаттайды. Бұл – ішкі тепе-теңдіктің термодинамикалық күйі. (Бұл постулат кейде, бірақ жиі емес, термодинамиканың «минус бірінші» заңы деп аталады. Бір оқулық оны «нөлдік заң» деп атайды, авторлар бұл атаудың оның одан әдеттегі анықтамасына қарағанда лайықтырақ екенін, және оны Fowler ұсынған деп санайды.) Мұндай күйлер классикалық немесе тепе-теңдік термодинамикасындағы басты мәселе болып табылады, себебі осы пәнде олар ғана жүйенің жақсы анықталған күйлері болып саналады. Басқа жүйемен байланыс тепе-теңдігіндегі жүйе термодинамикалық амал арқылы оқшаулануы мүмкін, ал оқшауланған кезде онда ешқандай өзгеріс болмайды. Сондықтан, басқа жүйемен байланыс тепе-теңдігіндегі жүйе де өзінің ішкі термодинамикалық тепе-теңдік күйінде деп қарастырылуы мүмкін.

Көп түйіспелі тепе-теңдік

Термодинамикалық формализм бір жүйені бір уақытта бірнеше басқа жүйелермен байланысуға мүмкіндік береді, олар өзара байланысқа түсуі де, түспеуі де мүмкін, ал байланыстар әртүрлі өткізгіштікке ие. Егер осы жүйелердің барлығы қалған әлемнен оқшауланған болса, онда байланыстағылары бір-бірімен сәйкес байланыс тепе-теңдігіне жетеді. Егер бірнеше жүйе бір-бірімен адиабатикалық қабырғаларсыз болса, бірақ әлемнің қалған бөлігінен бірлесіп оқшауланған болса, онда олар көп контактілі тепе-теңдікке жетеді және олардың ортақ температурасы, жалпы ішкі энергиясы және жалпы энтропиясы болады. Интенсивті айнымалылардың арасында температураның бұл ерекше қасиеті бар. Бұл қасиет ұзақ қашықтықтағы күштердің әсеріне де төтеп береді. (Яғни, температураның айырмасын сақтап тұратын "күш" жоқ.) Мысалы, тік гравитациялық өрісте термодинамикалық тепе-теңдіктегі жүйеде жоғарғы қабырғадағы қысым төменгі қабырғадағы қысымнан кем, бірақ температура барлық жерде бірдей болады. Термодинамикалық операция қоршаған ортаның қабырғаларында ғана жүзеге асатын оқиға ретінде қарастырылуы мүмкін, ол жүйенің қоршаған ортамен байланыстағы қабырғаларына немесе оның ішкі кеңістігіне тікелей әсер етпейді және шекті уақыт ішінде аяқталады. Мысалы, қоршаған ортада жылжымайтын адиабатикалық қабырғаны орналастыруға немесе алып тастауға болады. Мұндай қоршаған ортамен шектелген операцияның нәтижесінде жүйе уақытша өзінің бастапқы термодинамикалық тепе-теңдік күйінен ауытқуы мүмкін. Содан кейін термодинамиканың екінші заңына сәйкес, жүйе өзгеріске ұшырап, ақырында қоршаған ортамен жаңа және соңғы тепе-теңдікке жетеді. Планктің айтуынша, осы оқиғалар тізбегі табиғи термодинамикалық процесс деп аталады. Бұл процесс тепе-теңдік термодинамикасында рұқсат етіледі, өйткені бастапқы және соңғы күйлер термодинамикалық тепе-теңдікте болады, тіпті процесс кезінде термодинамикалық тепе-теңдіктен уақытша ауытқу болса да, жүйе де, оның айналасы да ішкі тепе-теңдіктің анықталған күйлерінде болмайды. Табиғи процесс өз бағытының көп бөлігінде шекті жылдамдықпен жүреді. Бұл оны өте баяу және гипотетикалық түрде "кері қайтарылатын" квазистатикалық "үдерістен" түбегейлі түрлендіреді. Классикалық термодинамика процеске термодинамикалық тепе-теңдікке жету үшін көп уақыт кетсе де, егер оның басым бөлігі шекті жылдамдықпен жүрсе, онда ол табиғи процесс деп есептеледі және термодинамиканың екінші заңына бағынады, демек, қайтарылмайды. Қоршаған ортада инженерлік машиналар, жасанды құрылғылар мен манипуляцияларға рұқсат етіледі. Осындай операциялар мен құрылғыларды қоршаған ортада, бірақ жүйеде емес, пайдалануға Кельвиннің термодинамиканың екінші заңының бір түсіндірмесінде "жансыз" күштер туралы айтуы себеп болды; термодинамикалық тепе-теңдіктегі жүйе жансыз. Әйтпесе, термодинамикалық операция жүйенің қабырғасына тікелей әсер етуі мүмкін. Көп жағдайларда, қоршаған ортаның кейбір ішкі жүйелері жүйеден әлдеқайда үлкен болып табылады деп есептеу ыңғайлы, сондықтан процесс тек қоршаған ортаның интенсивті айнымалыларына ғана әсер етеді, оларды тиісті интенсивті айнымалылардың резервуарлары деп атайды.

Жергілікті және жаһандық тепе-теңдік

Глобалды және жергілікті термодинамикалық тепе-теңдікті ажырату пайдалы. Термодинамикада жүйе ішіндегі және жүйе мен сыртқы орта арасындағы алмасулар интенсивті параметрлермен бақыланады. Мысалы, температура жылу алмасуды басқарады. Глобалды термодинамикалық тепе-теңдік (ГТД) – интенсивті параметрлердің бүкіл жүйеде біртекті болуы, ал жергілікті термодинамикалық тепе-теңдік (ЖТД) – интенсивті параметрлердің кеңістікте және уақытта өзгеруі, бірақ өте баяу өзгеруі, сондықтан кез келген нүкте үшін сол нүктеге жақын аймақта термодинамикалық тепе-теңдікке қол жеткізуге болады. Егер жүйені сипаттау үшін интенсивті параметрлердің тым үлкен өзгеруі қажет болса, осы интенсивті параметрлердің анықтамасы негізделген болжамдар бұзылады және жүйе глобалды немесе жергілікті тепе-теңдікте болмайды. Мысалы, бөлшектің айналасына тепе-теңдікке келгеніне жеткенше белгілі бір сандағы соқтығысулар қажет. Егер бұл соқтығысулар кезінде қозғалған орташа қашықтық оны тепе-теңдікке келтіретін аймақтан шығарып тастаса, ол ешқашан тепе-теңдікке келмейді және ЖТД болмайды. Температура, анықтамасы бойынша, тепе-теңдікке келген аймақтың орташа ішкі энергиясына пропорционал. Тепе-теңдікке келген аймақ болмағандықтан температураның түсінігі дұрыс емес, температура анықталмайды. Бұл жергілікті тепе-теңдік жүйедегі бөлшектердің белгілі бір жиынтығына ғана қатысты болуы мүмкін екенін ескеру маңызды. Мысалы, ЖТД әдетте тек массивті бөлшектерге қолданылады. Сәулеленетін газда газдың шығаратын және сіңіретін фотондарының бір-бірімен немесе газдың массивті бөлшектерімен термодинамикалық тепе-теңдікте болуы қажет емес. Кейбір жағдайларда ЖТД болу үшін еркін электрондардың әлдеқайда массивті атомдар немесе молекулалармен тепе-теңдікте болуы қажет деп саналмайды. Мысалы, ЖТД балқып жатқан мұз түйіршігі бар су ыдысында болады. Шыны ішіндегі температураны кез келген нүктеде анықтауға болады, бірақ мұз құймасының жанында одан алыстағаннан гөрі суық болады. Егер белгілі бір нүктеге жақын орналасқан молекулалардың энергиясы байқалса, олар белгілі бір температурада Максвелл-Болцман таралымына сәйкес бөлінеді. Егер басқа нүктеге жақын орналасқан молекулалардың энергиясы байқалса, олар басқа температура үшін Максвелл-Болцман таралымына сәйкес бөлінеді. Жергілікті термодинамикалық тепе-теңдікке жергілікті немесе жаһандық стационарлық талап етілмейді. Басқаша айтқанда, әр шағын аймақтың тұрақты температурасы болуы қажет емес. Алайда, бұл әрбір шағын аймақтың молекулалық жылдамдықтардың жергілікті Максвелл-Болцман таралуын іс жүзінде сақтау үшін жеткілікті баяу өзгеруін талап етеді. Глобалды тепе-теңдік емес күй тұрақты түрде стационарлық болуы мүмкін, егер ол жүйе мен сыртқы орта арасындағы алмасу арқылы сақталса ғана. Мысалы, сулы стақанның ішінде тұрақтанған тұрақты жағдайды, балқытуды өтеуге ұсақ ұнтақталған мұзды үнемі қосу және балқыту суын үнемі ағызу арқылы ұстауға болады. Табиғи көлік құбылыстары жүйелерді жергілікті термодинамикалық тепе-теңдікке, яғни жаһандық тепе-теңдікке жеткізе алады. Біздің мысалымызға қайта оралайық, жылудың таралуы біздің сулы стаканымызды жаһандық термодинамикалық тепе-теңдікке, стаканның температурасы толығымен біртекті болатын жағдайға жеткізеді.

Қорытындылар

Термодинамика туралы мұқият және жақсы хабардар жазушылар термодинамикалық тепе-теңдік туралы жазғанда, көбінесе мәлімдемелеріне шарттар қояды немесе ескертулер жасайды. Кейбір жазушылар мұндай ескертулерді тек меңзеп кетумен немесе толық айтпаумен шектеледі. Мысалы, көпке танымал жазушы Х.Б. Каллен осы контексте былай деп жазады: "Шындығында, абсолютті және нағыз тепе-теңдікте болатын жүйелер өте сирек". Ол радиоактивті процестерге сілтеме жасайды және олардың "толық аяқталуы үшін ғарыштық уақыттар қажет ететінін, әдетте оларды елеуге болмайды" деп атап өтеді. Ол былай деп қосады: "Тәжірибеде тепе-теңдік критерийі дөңгелек сипатта болады. Жүйенің қасиеттері термодинамикалық теориямен тұрақты түрде сипатталса, ол тепе-теңдік күйде болып есептеледі!" Дж.А. Бити мен И. Оппенхайм былай деп жазады: "Тепе-теңдік анықтамасын қатаң түсіндіруге талап ету, термодинамиканы нақты жүйелердің дерлік барлық күйлеріне қолдану мүмкіндігін жоққа шығарады". Каллен "ғылыми және қатаң зерттеу" деп бағалаған, ал Адкинс "классикалық мәтін" деп атаған тағы бір автор А.Б. Пиппард сол мәтінде былай деп жазады: "Егер жеткілікті уақыт берілсе, қатты суытылған бу әрі қарай конденсацияланады. Алайда, бұл процеске кететін уақыт өте ұзақ болуы мүмкін, мысалы, 10100 жыл немесе одан да көп. Көп жағдайда, егер өздігінен жылдам өзгеріс туындамаса, жүйе тепе-теңдікте деп есептелуі мүмкін". Тағы бір автор А. Мюнстер осыған байланысты жазады. Ол термоядролық процестердің көбінесе өте баяу өтетінін, сондықтан термодинамикада оларды елемеуге болатынын байқайды. Ол былай деп түсіндіреді: "Сондықтан, "абсолютті тепе-теңдік" немесе "барлық ойдағы процестерге қатысты тепе-теңдік" ұғымы физикалық мағынаға ие емес". Осыған байланысты ол былай дейді: "Біз тек белгілі процестер мен анықталған тәжірибелік жағдайларға қатысты тепе-теңдікті қарастыра аламыз". Л. Тиццаның сөзіне сәйкес: "абсолютті нөлге жақын құбылыстарды талқылау кезінде классикалық теорияның абсолютті болжамдары әсіресе бұлыңғыр болады, себебі теңгерімсіз күйде қатып қалған күйлердің пайда болуы өте жиі кездеседі".

Анықтамалар

Жүйенің термодинамикалық тепе-теңдігінің ең жалпы түрі – қоршаған ортамен байланыста болу, ол барлық химиялық заттар мен барлық түрдегі энергияның бір уақытта өтуіне мүмкіндік береді. Термодинамикалық тепе-теңдіктегі жүйе кеңістікте біркелкі үдеумен қозғалуы мүмкін, бірақ осы процесте пішіні мен көлемі өзгермеуі керек; демек, ол кеңістікте қатаң көлеммен анықталады. Ол сыртқы күштер өрісінде орналасуы мүмкін, бұл өріс жүйенің өзінен әлдеқайда үлкен сыртқы факторлармен анықталады, сондықтан жүйе ішіндегі оқиғалар сыртқы күштер өрісіне елеулі әсер ете алмайды. Жүйе термодинамикалық тепе-теңдікте болуы үшін сыртқы күштер өрісі біркелкі болуы керек, немесе ол біркелкі емес күштер өрісінде орналасқан болса, механикалық қысым сияқты жергілікті күштермен оның бетінде тұрақты ұсталуы керек. Термодинамикалық тепе-теңдік – термодинамика теориясының бастапқы ұғымы. П.М. Морс атап өткендей: «Термодинамикалық күйлердің болуы және тепе-теңдік күйімен анықталатын термодинамикалық айнымалылардың болуы – ешқандай философиялық алғашқы принциптерден логикалық түрде шығарылған қорытындылар емес. Бұл – екі ғасырдан астам тәжірибеден алынған сөзсіз қорытындылар». Бұл термодинамикалық тепе-теңдікті термодинамиканың басқа теориялық ұғымдарымен ғана анықтауға болмайды дегенді білдіреді. М. Бейлин термодинамикалық тепе-теңдік күйлерінің болуын анықтайтын және постулаттайтын термодинамиканың негізгі заңын ұсынады. Термодинамикалық тепе-теңдіктің оқулықтағы анықтамалары көбінесе сақтықпен, қандай да бір ескертулермен беріледі. Мысалы, А. Мюнстер: «Жүйеде өлшенетін жылдамдықпен ешқандай күй өзгерісі болмаса, оқшауланған жүйе термодинамикалық тепе-теңдікте болады», – деп жазады. Мұнда екі ескерту бар: жүйе оқшауланған; кез келген күй өзгерістері өлшеусіз баяу. Ол екінші шартты катализатордың болмауына байланысты бөлме температурасындағы оттегі мен сутегі қоспасының мысалымен түсіндіреді. Мюнстер термодинамикалық тепе-теңдік күйі берілген жүйенің кез келген басқа күйіне қарағанда аз макроскопиялық айнымалылармен сипатталатынын көрсетеді. Бұл ішінара, бірақ толық емес, өйткені жүйедегі және оның ішіндегі барлық ағындар нөлге тең. Р. Хаазе термодинамиканы термодинамикалық тепе-теңдікке шектеуден бастамайды, өйткені ол тепе-теңдікке жатпайтын термодинамиканы қарастыруға ниетті. Ол уақытқа тәуелді қасиеттері бар кездейсоқ жүйелерді қарастырады. Ол термодинамикалық тепе-теңдікті сыртқы күштер өрісінен басқа барлық сыртқы әсерлерден оқшаулап сынап көреді. Оқшаулаудан кейін ештеңе өзгермесе, жүйе тепе-теңдікте болды дейді. «Термодинамикалық тепе-теңдік» деген тақырыпта Х.Б. Каллен тепе-теңдік күйлерін параграфта анықтайды. Ол олардың «жүйенің ішкі факторларымен анықталатынын» айтады. Олар – жүйелер уақыт өте келе дамитын «финалдық күйлер», олар «мұздық баяулықпен» пайда болуы мүмкін. Бұл мәлімдеме термодинамикалық тепе-теңдік үшін жүйе оқшауланған болуы керек деп нақты айтпайды; Каллен «ішкі факторлар» деген сөздердің мағынасын ашып көрсетпейді. Тағы бір оқулық авторы К.Дж. Адкинс оқшауланбаған жүйеде термодинамикалық тепе-теңдікке мүмкіндік береді. Алайда оның жүйесі зат алмасуына қатысты жабық. Ол былай деп жазады: «Жалпы алғанда, термодинамикалық тепе-теңдікке көшу қоршаған ортамен жылулық және жұмыс сияқты өзара әрекеттестіктерді қамтиды». Ол мұндай термодинамикалық тепе-теңдікті тек жылулық байланыс арқылы энергия алмасу арқылы болатын жылулық тепе-теңдіктен ажыратады. Басқа оқулық авторы Дж.Р. Партингтон былай деп жазады: «Тепе-теңдік күйі – уақытқа тәуелсіз күй». Бірақ, «тек сырттан қарағанда тепе-теңдікте болып көрінетін» жүйелерге сілтеме жасай отырып, ол былай деп қосады: «Мұндай жүйелер «жалған тепе-теңдік» күйінде болады». Партингтонның мәлімдемесінде тепе-теңдік оқшауланған жүйеге қатысты деп нақты айтылмаған. Мюнстер сияқты Партингтон да оттегі мен сутегі қоспасын келтіреді. Ол «Нағыз тепе-теңдік күйінде, күйге әсер ететін кез келген сыртқы жағдайдың ең кішкентай өзгеруі күйдің кішкентай өзгеруін тудырады» деген шартты қосады. Бұл шарт термодинамикалық тепе-теңдік кішкентай бұзылыстарға қарсы тұрақты болуы керек дегенді білдіреді; бұл талап термодинамикалық тепе-теңдіктің қатаң мағынасы үшін маңызды. Оқулықтардағы студенттік нұсқаулықтардың бірі Ф.Х. Кроуфордтың «Термодинамикалық тепе-теңдік» деген тақырыбы бар. Ол ағындардың бірнеше драйверлерін ажыратады, содан кейін былай дейді: «Бұл – оқшауланған жүйелердің толық механикалық, жылулық, химиялық және электрлік – немесе бір сөзбен айтқанда, термодинамикалық тепе-теңдікке қарайтын жалпыға ортақ тенденциясының мысалдары». Классикалық термодинамика бойынша монография жазған Х.А. Бухдаль «термодинамикалық жүйенің тепе-теңдігін» қарастырады, бірақ «термодинамикалық тепе-теңдік» деген фразаны жазбайды. Зат алмасуына жабық жүйелерге сілтеме жасай отырып, Бухдаль былай дейді: «Егер жүйе дұрыс статикалық финалдық жағдайда болса, ол тепе-теңдікте болады делінеді». Бухдальдің монографиясы термодинамикалық сипаттама мақсатында аморфты шыны туралы да талқылайды. Ол былай деп мәлімдейді: «Дәлірек айтқанда, шыны эксперименттік сынақтар «баяу» өтулердің іс жүзінде қайтымды екенін көрсеткенде тепе-теңдікте болып есептелуі мүмкін». Бұл шартты термодинамикалық тепе-теңдіктің анықтамасының бөлігі ретінде жазу қалыпты емес, бірақ керісіне әдетте болжанады: термодинамикалық тепе-теңдіктегі дене жеткілікті баяу процеске ұшыраса, бұл процесс жеткілікті қайтымды деп есептелуі мүмкін және дене процеске қатысты жеткілікті жақын термодинамикалық тепе-теңдікте қалады. А. Мюнстер оқшауланған жүйелерге арналған термодинамикалық тепе-теңдіктің анықтамасын кеңейтеді, байланыс тепе-теңдігін енгізеді. Бұл оқшауланбаған жүйелер үшін термодинамикалық тепе-теңдікті қарастырғанда рұқсат етілген процестерді нақтылайды, ашық жүйелерге ерекше назар аударады, олар қоршаған ортадан зат ала алады немесе оған бере алады. Бұл байланыс тепе-теңдігі қызығушылық тудыратын жүйе мен қоршаған ортадағы жүйе арасындағы байланыс арқылы жүзеге асырылады, байланыс арнайы қабырға арқылы жүзеге асырылады; қалғаны үшін бүкіл біріккен жүйе оқшауланған. Мұндай арнайы қабырғаларды Ц. Каратеодори де қарастырған, және басқа авторлар да олар туралы айтады. Олар селективті өткізгіш. Олар тек механикалық жұмысқа, немесе тек жылуға, немесе тек белгілі бір химиялық затқа өткізгіш болуы мүмкін. Әр байланыс тепе-теңдігі интенсивті параметрді анықтайды; мысалы, тек жылуға өткізгіш қабырға эмпирикалық температураны анықтайды. Қызығушылық тудыратын жүйенің әр химиялық құрауы үшін байланыс тепе-теңдігі болуы мүмкін. Байланыс тепе-теңдігінде, селективті өткізгіш қабырға арқылы болуы мүмкін алмасуға қарамастан, қызығушылық тудыратын жүйе өзгермейді, оқшауланған термодинамикалық тепе-теңдікте болғандай. Бұл схема «біз тепе-теңдікті белгілі процестер мен анықталған экспериментальдық жағдайларға қатысты ғана қарастыра аламыз» деген жалпы ережені сақтайды. П.М. Морс термодинамиканың «термодинамикалық тепе-теңдік күйлерімен» айналысатынын жазады. Ол энергияның жылу ретінде дене мен жылу резервуары арасындағы алмасуын талқылай келе «жылулық тепе-теңдік» фразасын да қолданады, бірақ «жылулық тепе-теңдік» деген арнайы терминді нақты анықтамайды. Дж.Р. Валдрам «нақты термодинамикалық күй» туралы жазады. Ол «оның байқаулары уақыт өте келе өзгермейтін» жүйе үшін «жылулық тепе-теңдік» терминін анықтайды. Бірақ сол анықтаманың бірден төменінде ол әлі «толық термодинамикалық тепе-теңдік күйіне» жетпеген шыны туралы жазады. Тепе-теңдік күйлерін қарастыра отырып, М. Бейлин былай дейді: «Әр интенсивті айнымалының өзінің тепе-теңдік түрі бар…».

Сыртқы күштердің болмауындағы біртектілік

Сыртқы күштердің болмауы кезінде, өзінің ішкі термодинамикалық тепе-теңдігінде болатын және бір фазадан тұратын термодинамикалық жүйе біртекті болып табылады. Планк өзінің еңбегін жылу, температура және жылулық тепе-теңдік туралы қысқаша мәліметпен бастайды, содан кейін былай деп жариялайды: "Бұл еңбекте біз негізінен кез келген пішіндегі біртекті, изотропты денелерді қарастырамыз, олардың құрамындағы температура мен тығыздық бірдей болып, бетіне перпендикуляр бағытта әрекет ететін біркелкі қысымға ұшырайды". Каратеодори сияқты, Планк та беттік әсерлерді, сыртқы өрістерді және анизотроптық кристалдарды ескермей қалдырды. Температура туралы айтқанмен, Планк термодинамикалық тепе-теңдік тұжырымын нақты айтпады. Керісінше, Каратеодоридің жабық жүйелер үшін классикалық термодинамиканы ұсыну жолы Гиббспен (Гиббс үнемі "термодинамикалық күй" туралы айтады) сәйкес "тепе-теңдік күйі" тұжырымын қабылдайды, бірақ "термодинамикалық тепе-теңдік" деген сөзді нақты қолданбайды және оны анықтау үшін температураның бар екенін нақты тұжырымдамайды. Термодинамикалық тепе-теңдіктегі жүйеде температура кеңістік және уақыт бойынша біркелкі болады. Өзінің ішкі термодинамикалық тепе-теңдігіндегі жүйеде ішкі таза макроскопиялық ағындар болмайды. Бұл жүйенің барлық жергілікті бөліктерінің өзара сәулелік алмасу тепе-теңдігінде екенін білдіреді. Осыдан жүйенің температурасы кеңістікте біркелкі екені шығады. Бұл тұжырымды кинетикалық теория мен статистикалық механика да қолдайды. Жүйенің өзінің ішкі термодинамикалық тепе-теңдігінде болуы үшін, оның өзінің ішкі жылулық тепе-теңдігінде болуы қажет, бірақ бұл жеткіліксіз шарт; жүйе ішкі жылулық тепе-теңдікке жеткенге дейін ішкі механикалық тепе-теңдікке жете алады. А. Мюнстердің атап көрсетуінше, термодинамикалық тепе-теңдікті анықтау үшін қажетті айнымалылардың саны берілген оқшауланған жүйенің кез келген күйі үшін ең аз болады. Дж. Г. Кирквуд пен И. Оппенхайм да термодинамикалық тепе-теңдік күйін интенсивті айнымалылардың белгілі бір саны бар арнайы кіші класымен анықтауға болатынын көрсетті. Егер термодинамикалық тепе-теңдік сыртқы күш өрісінде орналасса, онда кеңістікте біркелкі болатыны тек температура ғана болады деп күтілуге болады. Сыртқы күш өрісі нөлден өзгеше болған жағдайда температурадан басқа интенсивті айнымалылар әдетте біркелкі болмайды. Мұндай жағдайда кеңістіктегі біркелкіліктерді сипаттау үшін қосымша айнымалылар қажет.

Кішігірім қобалжыуларға қарсы тұрақтылық

Жоғарыда айтылғандай, Дж. Р. Партингтон термодинамикалық тепе-теңдік күйінің шағын уақытша бұзылыстарға тұрақты екенін көрсетеді. Егер бұл шарт орындалмаса, термодинамикалық тепе-теңдіктегі жүйелерді зерттеуге бағытталған эксперименттер күрделі қиындықтарға кезігеді.

Оқшауланған жүйедегі термодинамикалық тепе-теңдікке көзқарас

Материал денесі тепе-теңдік емес, біртектіліксіз немесе химиялық тепе-теңдіксіз күйден басталып, оқшауланғанда, өздігінен ішкі термодинамикалық тепе-теңдік жағдайына қарай эволюциялайды. Ішкі термодинамикалық тепе-теңдіктің барлық жақтары бірдей уақытта орнатуы міндетті емес; кейбіреулері басқаларынан бұрын орнатуға болады. Мысалы, мұндай эволюцияның көп жағдайында ішкі механикалық тепе-теңдік, соңғы термодинамикалық тепе-теңдіктің басқа жақтарына қарағанда әлдеқайда жылдам орнатылады. Тағы бір мысал, осындай эволюцияның көп жағдайында жылулық тепе-теңдік химиялық тепе-теңдікке қарағанда әлдеқайда жылдам орнатылады.

Жекеленген жүйедегі өзінің ішкі термодинамикалық тепе-теңдіктегі ауытқулары

Оқшауланған жүйеде термодинамикалық тепе-теңдік, анықтама бойынша, белгісіз ұзақ уақыт бойы сақталады. Классикалық физикада өлшеудің әсерлерін елемеу көбінесе ыңғайлы, және бұл осы еңбекте қарастырылады. Оқшауланған термодинамикалық жүйедегі ауытқулар ұғымын қарастыру үшін, кеңейтілген күй айнымалылары – ішкі энергия, көлем және массалық құрамы арқылы сипатталатын жүйе ыңғайлы мысал болып табылады. Бұл айнымалылар уақытқа тәуелсіз. Олар, уақыт инвариантты конъюгатты интенсивті функцияларының – кері температураның, температураға бөлінген қысымның және температураға бөлінген химиялық потенциалдардың номиналды мәндерімен бірігіп, термодинамика заңдарын қатаң сақтайды. Алайда, термодинамика заңдары мен нақтыланған кеңейтілген күй айнымалыларының мәндері, осы номиналды мәндерді білу үшін жеткіліксіз. Жүйенің құрылымдық қасиеттері туралы қосымша ақпарат қажет. Конъюгатты интенсивті күй функцияларын қайталап өлшеу кезінде, олардың уақыт өте келе сәл өзгеше мәндерге ие екені байқалады. Мұндай өзгергіштік ішкі ауытқулардың нәтижесі деп есептеледі. Әртүрлі өлшенген мәндердің орташасы олардың номиналды мәндеріне тең болады. Егер жүйе классикалық термодинамика постулаттарына сәйкес макроскопиялық болса, онда ауытқулар макроскопиялық деңгейде анықтауға тым кішкентай болады. Бұл термодинамикалық лимит деп аталады. Іс жүзінде, материяның молекулалық табиғаты мен импульс берудің кванттық табиғаты көзге көрінбейді, оларды байқау мүмкін емес. Бухдалдың айтуынша: "тепе-теңдікке қатысты ауытқулар туралы идеяға қатаң феноменологиялық теорияда орын жоқ (бірақ 76-бөлімді қараңыз)". Егер жүйе бірнеше рет бөлінетін болса, соңында анық ауытқуларды көрсететін жеткілікті кішкентай жүйе пайда болады. Бұл мезоскопиялық зерттеу деңгейі. Ауытқулар жүйенің қабырғаларының сипаттамаларына тікелей байланысты болады. Осылайша, тәуелсіз күй айнымалыларын дұрыс таңдау маңызды. Осы кезеңде термодинамика заңдарының статистикалық ерекшеліктері айқын көрінеді. Егер мезоскопиялық жүйе одан әрі қайталап бөлінетін болса, соңында микроскопиялық жүйе пайда болады. Содан кейін материяның молекулалық сипаты мен импульс берудің кванттық сипаты ауытқу процестерінде маңызды рөл айналады. Классикалық немесе макроскопиялық термодинамика саласынан шығып, кванттық статистикалық механика қажет болады. Ауытқулар салыстырмалы түрде үлкен болуы мүмкін, және өлшеу мәселелері маңызды болады. "Жүйе өзінің ішкі термодинамикалық тепе-теңдігінде" деген тұжырымды "көптеген өлшемдер белгілі бір уақыт аралығында жүргізілген, өлшенген мәндерде уақыт бойынша ешқандай тенденция байқалмаған" деп түсінуге болады. Осылайша, "жүйе өзінің ішкі термодинамикалық тепе-теңдігінде, оның нақтыланған күй функцияларының номиналды мәндері оның нақтыланған күй айнымалыларымен сәйкес келеді" деген мәлімдеме, "осы күй функцияларының бір мезгілдегі өлшемдерінің жиынтығы сол мәндерге ие" деген мәлімдемеден әлдеқайда толық ақпарат береді. Себебі, жеке өлшемдер белгісіз және әртүрлі құрылымдық қасиеттерге байланысты, конъюгатты интенсивті күй функцияларының басқа номиналды мәндер жиынтығынан ауытқу кезінде жасалған болуы мүмкін. Бір ғана өлшеу, тепе-теңдік күйіне жататын номиналды мәндер туралы білім болмаса, мұндай жағдайдың болуын анықтай алмайды.

Жылу тепе-теңдігі

Б. К. Е. «термодинамикалық тепе-теңдік» пен «жылулық тепе-теңдік» арасында нақты айырма жасайды. Ол жылулық байланыстағы екі жүйені қарастырады, біреуі термометр, екіншісі бірнеше қайта қайталанбайтын процестер жүріп жатқан жүйе, нәтижесінде нөлдік емес ағындар пайда болады; екі жүйе тек жылу өткізгіш қабырғамен бөлінеді. Ол қызығушылық тудыратын уақыт аралығында термометр көрсеткіштері де, қайта қайталанбайтын процестер де тұрақты болатын жағдайды қарастырады. Онда термодинамикалық тепе-теңдік болмаса да, жылулық тепе-теңдікке қол жеткізіледі. Сондықтан Ев термодинамиканың бірінші заңы термодинамикалық тепе-теңдік болмаған кезде де қолданылуы мүмкін деп ұсынады; сондай-ақ, егер өзгерістер соншалықты жылдам болса, тұрақты температураны анықтау мүмкін болмаса, онда «процесті термодинамикалық формализм арқылы сипаттау мүмкін емес. Яғни, термодинамика мұндай процеске қатысы жоқ». Бұл температураның термодинамика үшін маңызды екенін көрсетеді. Жылулық тепе-теңдік екі жүйе жылулық байланыста болғанда, олардың арасындағы энергияның таза алмасуы тоқтағанда туындайды. Егер екі жүйе жылулық тепе-теңдікте болса, олардың температурасы бірдей болады. Жылулық тепе-теңдік жүйенің макроскопиялық жылулық көрсеткіштері уақыт өте келе өзгермейтін кезде пайда болады. Мысалы, таралу функциясы белгілі бір Максвелл-Болцман таралуына тұрақтанған идеалдық газ жылулық тепе-теңдікте болады. Бұл жағдай бүкіл жүйеге бірыңғай температура мен қысымды тағайындауға мүмкіндік береді. Оқшауланған дене үшін механикалық тепе-теңдік жылулық тепе-теңдікке жетуден бұрын туындауы мүмкін, бірақ соңында термодинамикалық тепе-теңдікке қол жеткізу үшін тепе-теңдіктің барлық аспектілері, соның ішінде жылулық тепе-теңдік қажет.

Тепе-теңдіктің болмауы

Жүйенің ішкі термодинамикалық тепе-теңдік күйін "стационарлық күйден" ажырату қажет, онда термодинамикалық параметрлер уақыт өте өзгермейді, бірақ жүйе оқшауланбағандықтан, жүйеге және одан сыртқа тұрақты макроскопиялық ағындар болады. Тепе-теңдіксіз термодинамика – термодинамиканың термодинамикалық тепе-теңдікте емес жүйелерді зерттейтін саласы. Табиғатта кездесетін көптеген жүйелер термодинамикалық тепе-теңдікте емес, себебі олар уақыт өте өзгеріп отырады немесе өзгеріске итермеленеді, және басқа жүйелермен үздіксіз және үзіліссіз материя мен энергия алмасады. Тепе-теңдіксіз жүйелерді термодинамикалық тұрғыдан зерттеу үшін, тепе-теңдік термодинамикасында қарастырылатын қарапайым ұғымдардан гөрі, көбірек жалпылама ұғымдар қажет. Көптеген табиғи жүйелер қазіргі таңдағы белгілі макроскопиялық термодинамикалық әдістердің шеңберінен әлі де шығып тұр. Тепе-теңдіктен алыс жүйелерді басқаратын заңдар да күмәнді. Мұндай жүйелерді басқаратын негізгі принциптердің бірі – энтропия өндірісінің максималды болу принципі. Ол тепе-теңдіксіз жүйенің энтропия өндірісін барынша арттыруға қарай дамитынын көрсетеді.

Жалпы сілтемелер

C. Майкл Хоган, Леда С. Патмор және Гарри Сейдман (1973) Стандартты метеорологиялық деректер базасын қолданып, динамикалық жылулық тепе-теңдік температурасын статистикалық болжау, екінші басылым (EPA 660/2 73 003 2006) АҚШ Қоршаған ортаны қорғау агенттігінің Ғылыми-зерттеу және даму кеңсесі, Вашингтон, Д.С. Чезаре Барбиери (2007) Астрономия негіздері. Бірінші басылым (QB43.3. B37 2006) CRC Press, F. Мандль (1988) Статистикалық физика, екінші басылым, John Wiley & Sons. Ханс Р. Грием (2005) Плазма спектроскопиясының принциптері (Плазма физикасы бойынша Кембридж монографиялары), Кембридж университетінің баспасы, Нью-Йорк.