Введение

Термодинамика неравновесных процессов – это раздел термодинамики, изучающий физические системы, не находящиеся в термодинамическом равновесии, но описываемые в терминах макроскопических величин (переменных неравновесного состояния), представляющих собой экстраполяцию переменных, используемых для характеристики системы в термодинамическом равновесии. Термодинамика неравновесных процессов занимается транспортными процессами и скоростями химических реакций. Почти все системы в природе находятся не в термодинамическом равновесии, поскольку они изменяются или могут быть приведены в состояние изменения со временем, и непрерывно и скачкообразно подвергаются потокам вещества и энергии из других систем и в них, а также химическим реакциям. Однако многие системы и процессы можно рассматривать как локально находящиеся в равновесии, что позволяет описывать их с помощью известной термодинамики равновесия. Тем не менее, некоторые природные системы и процессы остаются за пределами применимости методов равновесной термодинамики из-за существования невариационной динамики, при которой теряется понятие свободной энергии. Термодинамическое изучение неравновесных систем требует более общих понятий, чем те, которые используются в термодинамике равновесия. Одно из фундаментальных различий между термодинамикой равновесия и термодинамикой неравновесных процессов заключается в поведении неоднородных систем, для изучения которых необходимо знание скоростей реакций, которые не учитываются в термодинамике равновесия однородных систем. Это обсуждается ниже. Другое фундаментальное и важное отличие состоит в сложности определения энтропии в конкретный момент времени в макроскопических терминах для систем, не находящихся в термодинамическом равновесии. Однако это можно сделать локально, и макроскопическая энтропия будет определяться интегралом от локально определенной плотности энтропии. Было установлено, что многие системы, значительно отклоняющиеся от глобального равновесия, все еще подчиняются принципу локального равновесия.

Разница между равновесной и неравновесной термодинамикой

Глубокое различие отделяет равновесную термодинамику от неравновесной. Равновесная термодинамика не учитывает временное развитие физических процессов. В отличие от нее, неравновесная термодинамика стремится описать их временное развитие в деталях, непрерывно во времени. Равновесная термодинамика ограничивает свои рассмотрения процессами, имеющими начальное и конечное состояния термодинамического равновесия; временное развитие процессов сознательно игнорируется. Неравновесная термодинамика, стремясь описать непрерывное течение времени, требует, чтобы ее переменные состояния были тесно связаны с переменными состояния равновесной термодинамики. Эта концептуальная проблема решается при допущении локального равновесия, которое подразумевает, что соотношения между макроскопическими переменными состояния, справедливые в равновесии, выполняются локально и вне равновесия. Однако существуют ситуации, когда даже на локальном уровне наблюдаются значительные нелинейные эффекты.

Обзор

Некоторые концепции, имеющие особое значение для неравновесной термодинамики, включают скорость диссипации энергии во времени (Рейли 1873, Онсагер 1931, а также), скорость производства энтропии во времени (Онсагер 1931), диссипативные структуры. Существуют и другие подходы к неравновесной термодинамике, например, расширенная необратимая термодинамика, но они лишь вкратце упоминаются в данной статье.

Квазирадиационная неравновесная термодинамика вещества в лабораторных условиях

Согласно Уайльдту (см. также Эссекс), современные версии неравновесной термодинамики не учитывают тепловое излучение; они могут позволить себе это, поскольку оперируют лабораторными количествами вещества в лабораторных условиях при температурах, значительно ниже, чем температуры звезд. При лабораторных температурах и в лабораторных количествах вещества тепловое излучение незначительно и может быть практически полностью проигнорировано. Однако, например, в физике атмосферы рассматриваются огромные объемы вещества, занимающие кубические километры, которые в совокупности выходят за рамки лабораторных масштабов; в таких случаях тепловое излучение нельзя игнорировать.

Термодинамика локального равновесия

Термины "классическая необратимая термодинамика" для систем. В некоторых работах исходят из того, что интенсивные переменные равновесной термодинамики достаточны в качестве независимых переменных для решения задачи (такие переменные считаются не обладающими "памятью" и не проявляют гистерезис); в частности, локальные интенсивные переменные потока не допускаются в качестве независимых переменных; локальные потоки рассматриваются как зависимые от квазистатических локальных интенсивных переменных. Также предполагается, что локальная плотность энтропии является той же функцией других локальных интенсивных переменных, что и в состоянии равновесия; это называется предположением о локальном термодинамическом равновесии (см. также Keizer, 1987). Излучение игнорируется, поскольку оно представляет собой перенос энергии между областями, которые могут быть значительно удалены друг от друга. В классическом необратимом термодинамическом подходе допускается пространственное изменение от бесконечно малого элемента объема к соседнему, но предполагается, что глобальная энтропия системы может быть найдена путем простого пространственного интегрирования локальной плотности энтропии. Этот подход предполагает пространственную и временную непрерывность и даже дифференцируемость локально определенных интенсивных переменных, таких как температура и плотность внутренней энергии. Хотя эти требования могут показаться чрезмерно ограничивающими, установлено, что предположения о локальном равновесии применимы к широкому кругу систем, включая реагирующие границы раздела, на поверхностях катализаторов, в замкнутых системах, таких как цеолиты, при температурных градиентах вплоть до K м, и даже в ударных фронтах, движущихся со скоростью, превышающей скорость звука в шесть раз. В других работах рассматриваются локальные переменные потока; их можно считать классическими по аналогии с временными инвариантами долгосрочных усредненных значений потоков, возникающих в бесконечно повторяющихся циклических процессах; примеры, связанные с потоками, можно найти в термоэлектрических явлениях, известных как эффекты Зеебека и Пельтье, изученных Кельвином в девятнадцатом веке и Ларсом Онсагером в двадцатом. Эти эффекты наблюдаются в металлических соединениях, которые первоначально эффективно рассматривались как двумерные поверхности, лишенные пространственного объема и пространственных изменений.

Термодинамика локального равновесия с материалами с "памятью"

Дальнейшее развитие термодинамики локального равновесия состоит в допущении, что материалы могут обладать "памятью", в результате чего их конститутивные уравнения зависят не только от текущих, но и от предыдущих значений переменных локального равновесия. Таким образом, время играет более важную роль, чем в термодинамике локального равновесия, зависящей от времени, для материалов, не имеющих памяти, однако потоки не являются независимыми переменными состояния.

Расширенная необратимая термодинамика

Расширенная необратимая термодинамика – это раздел неравновесной термодинамики, выходящий за рамки ограничения гипотезы локального равновесия. Пространство переменных состояния расширяется за счет включения потоков массы, импульса и энергии, а также, в конечном счете, потоков более высоких порядков. Этот формализм хорошо подходит для описания высокочастотных процессов и материалов с малыми масштабами.

Стационарные состояния, колебания и стабильность

В термодинамике часто представляют интерес стационарные состояния процессов, при этом допускается, что стационарное состояние включает в себя возникновение непредсказуемых и экспериментально невоспроизводимых флуктуаций в состоянии системы. Эти флуктуации обусловлены внутренними процессами в системе, а также обменом веществом или энергией с окружающей средой, которые создают ограничения, определяющие данный процесс. Если стационарное состояние процесса стабильно, то невоспроизводимые флуктуации связаны с локальным временным уменьшением энтропии. Воспроизводимая реакция системы – увеличение энтропии до максимума посредством необратимых процессов: флуктуация не может быть воспроизведена со значительной вероятностью. Флуктуации вблизи стабильных стационарных состояний чрезвычайно малы, за исключением критических точек (Kondepudi and Prigogine 1998, стр. 323). Стабильное стационарное состояние характеризуется локальным максимумом энтропии и является локально наиболее воспроизводимым состоянием системы. Существуют теоремы о необратимом затухании флуктуаций. Здесь термин "локальный" относится к локальности в абстрактном пространстве термодинамических координат состояния системы. Если стационарное состояние нестабильно, то любая флуктуация почти наверняка приведет к резкому отклонению системы от этого нестабильного состояния. Это может сопровождаться увеличением экспорта энтропии.

Местное термодинамическое равновесие

Область современной неравновесной термодинамики не охватывает все физические процессы. Обоснование многих исследований в неравновесной термодинамике вещества требует, чтобы они рассматривали так называемое локальное термодинамическое равновесие.

Весовая материя

Локальное термодинамическое равновесие вещества. Большее время релаксации сопоставимо со временем, необходимым для изменения макроскопической динамической структуры системы. Меньшее время релаксации сопоставимо со временем, необходимым для достижения локального термодинамического равновесия отдельной "ячейкой". Если эти два времени релаксации недостаточно хорошо разделены, то классическое термодинамическое понятие локального термодинамического равновесия теряет смысл. Он определил "локальное термодинамическое равновесие" в "ячейке", потребовав, чтобы она макроскопически поглощала и спонтанно излучала излучение, как если бы находилась в радиационном равновесии в полости при температуре вещества в этой "ячейке". В этом случае она строго подчиняется закону Кирхгофа об равенстве излучательной способности и поглощательной способности, используя функцию источника абсолютно чёрного тела. Ключевым условием локального термодинамического равновесия является то, что скорость столкновений весомых частиц вещества, таких как молекулы, должна значительно превышать скорости рождения и аннигиляции фотонов.

Энтропия в развивающихся системах

У. Т. Гранди-младший отмечает, что энтропия, хотя и может быть определена для неравновесной системы, при строгом рассмотрении является лишь макроскопической величиной, относящейся ко всей системе в целом, и не представляет собой динамическую переменную, а также, как правило, не выступает в роли локального потенциала, описывающего локальные физические силы. Однако, при определенных условиях, можно метафорически представить, будто тепловые переменные ведут себя как локальные физические силы. Классическая необратимая термодинамика основана на этом метафорическом подходе. Эта точка зрения имеет много общего с концепцией и применением энтропии в термомеханике сплошных сред, которая развивалась совершенно независимо от статистической механики и принципов максимума энтропии.

Приложения

Термодинамика неравновесных процессов успешно применяется для описания биологических процессов, таких как сворачивание/разворачивание белков и транспорт через мембраны. Она также используется для описания динамики наночастиц, которые могут находиться в неравновесном состоянии в системах, где происходят каталитические и электрохимические процессы. Кроме того, идеи неравновесной термодинамики и информационно-теоретического подхода к энтропии были адаптированы для описания общих экономических систем.