ENERGY utiles et inutiles

Physique. La recherche en physique.

prof., Etkin VA

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L'énergie utile et inutile. L'expression analytique de la 1ère loi de la thermodynamique sous forme de (2) était la base pour John. K. Maxwell définir l' énergie comme la somme de toutes les actions qui peuvent rendre le système plus l'environnement. Une mesure courante d'une telle action est, comme vous le savez, le travail. une manière qualitativement différente de l'approvisionnement énergétique [5] - Cependant, dans la thermodynamique classique des systèmes de chaleur et de travail fermés. On croit que le travail parfait du système "peut aller directement à une augmentation de toute forme de son énergie, alors que la chaleur - qu'à l'issue de l'énergie interne". [3] Par conséquent, le point de vue de Maxwell, le transfert de chaleur lié à une sorte de "mikrorabote" pas très répandue. Pendant ce temps, il est ici qu'il devient possible de revenir à la compréhension originale de l'énergie comme une mesure de la performance du système. Il est seulement nécessaire de généraliser le travail de concept.

Nous donnons la définition la plus générale du travail comme une mesure quantitative du processus de faire face à toute force F. force ont différents (i-ème) la nature et, par conséquent, sont divisés en mécanique, thermique, chimique, électrique, magnétique, gravitationnelle, etc. Nous les désignons par . Il y a la puissance et la masse, volume, surface, etc. - En fonction de savoir si une mesure quantitative de l'objet de ses applications sont proportionnelles (poids M, le volume V, surface, etc. f). les paramètres peut être attribuée à la charge , L'entropie des S, l'élan Mv etc. Ces paramètres - la valeur de vaste, à savoir, - La valeur du paramètre pour une particule k-ème type, qui est le porteur de cette forme d'énergie (par souci de brièveté - Énergie).

En général, les forces de i-ièmes agissent sur la nature de toute particule k-ième constituant le niveau hiérarchique de la structure de la matière (noyaux, des atomes, des molécules, des cellules, etc.). Désigner la force "élémentaire" , La force résultante Agissant sur toutes les particules de ce genre, on trouve que la somme de . Ces forces peuvent être divisées en interne et externe, selon qu'ils agissent entre les particules du système ou entre le système et l'environnement.

Ces considérations générales sont suffisantes pour établir l'existence de deux catégories d'œuvres autres que la présence ou l'absence des forces résultantes à surmonter. Considérons le cas où les forces élémentaires cause de déplacement Un signe des objets de son application, à savoir, le travail est commandé, le caractère dirigé. Dans ce cas, Et la force sont résultant même les systèmes homogènes. Un exemple est le travail du système d'accélération dans son ensemble. Le même caractère est ordonné travaux sur le système non uniforme, lorsque les forces sous-systèmes attachés au signe opposé de toutes les propriétés Par exemple, les charges positives et négatives, les pôles nord et sud des dipôles magnétiques, des électrons et des trous dans les métaux, les zones à faible et élevé (par rapport à la moyenne) paramètre de densité etc. Ce genre de travail utile effectué pendant la polarisation des diélectriques et magnétiques, la dissociation et l'ionisation du gaz, la tige de tension, redistribution de charge, des substances, des légumineuses et l'entropie entre les différentes parties du système initialement homogène. En divisant le montant pour un tel cas en deux parties, ayant les mêmes valeurs de signe et Encore une fois, nous obtenons un zéro non force nette . Ce genre de travail est généralement appelé utile .

un autre personnage obtient le travail lorsque les forces de l'objet d'application le déplacement ou orientées de façon aléatoire. Imaginez la puissance que ses travaux de module et le vecteur d'unité Caractérisant la direction de la force: . Dans ce cas, afin d'avoir la valeur résultante dépend de la force de base Et leurs directions. Dans le cas des systèmes homogènes (où partout la même), en les amenant à l'extérieur du signe de la somme, on constate que la présence de la résultante Il ne dépend que de la direction des forces élémentaires et leur orientation chaotique zéro. de la force Orienté au hasard, habituellement appelées forces de dispersion et de travail contre ces forces - dissipative Faire ce travail provoque système de chauffage, la destruction de la matière et d'autres phénomènes. Il est de ce genre de travail devraient également inclure mikrorabotu accompagnant la chaleur. travail Dissipative comme un «travail de Sisyphe" pour élever une montagne de rochers, qui ont été immédiatement annulées, et en ce sens est inutile.

résultant est absent et si la force commandé, mais en raison de leur mouvement Ils se neutralisent mutuellement. Voir, par exemple, que le travail plein d'expansion appartiennent à la même catégorie d'impact sans entraîner que la chaleur réversible. Compte tenu de la pression p locale comme une force P agissant sur un élément de surface dans le sens de la normale n, sur la base du théorème de la divergence, on constate que la résultante des forces de pression en l'absence de gradients de pression zéro:

Ainsi, le travail d'une expansion globale est pas associée à surmonter les forces de pression résultant. Cette catégorie applique uniforme entrée de travail en substance, charge, etc., et parce qu'il ne perturbe pas l'équilibre interne dans le système. Depuis l'homogène (équilibre interne), le système lui-même ne peut pas effectuer un travail utile (voir ci-dessous) il y a lieu d'appeler ce travail et dissipatif (inutile). Notez, cependant, que par rapport à l'environnement du système «étendu» comprenant - une source de la substance ou de la charge, ce travail devient utile car elle déséquilibre. Et noter que, malgré l'absence de la force résultante la somme des modules des forces élémentaires lors de l'opération de disspativnoy a une valeur finie. À l'avenir, il nous permet d'introduire le concept de potentiel généralisé . Ces potentiels sont, en particulier, la température absolue T et la pression p, a, et potentiels.

Ainsi, nous sommes en mesure de faire la distinction entre l'utile et dissipatif emploi de savoir si la force résultante surmontée Ou pas. Un travail utile se fait sur un ensemble d'interactions (un mouvement) des organismes ou des parties du corps, avec la nécessité de violer l'équilibre dans un tel système, même si les processus sont quasi-statique (infiniment lente). Il est caractérisé en ce qui conduit à l'état opposé des changements de caractère dans ces sous-systèmes: l'apparition de pôles de charges opposées ou opposée à la direction de déplacement des différentes parties du corps, une augmentation de la température, la pression, la concentration d'une substance, etc. dans certaines parties du système et de les abaisser - dans les autres. Cependant, ce travail se fait contre les mêmes forces Ce travail dissipative.

Pour confirmer enfin l'unité des forces de la nature à surmonter lors de travail utile et dissipatif, il est utile d'introduire l'énergie U en fonction d'un certain nombre de coordonnées vecteur nature de la condition - Le rayon vecteur des valeurs centrales dans le cadre de référence choisi [7]. Ces paramètres ont été nommés «moments de distribution» antérieures (entropie, substances kx, le volume, la charge, la dynamique, etc.). [7] Le nombre de ces coordonnées indépendantes détermine le nombre de formes d'énergie, qui dispose d'un système. Dans ce cas, l'énergie U en fonction de l'état a la forme et son différentiel total est donné par:

présentation la somme de , Dont les termes sont trouvés dans l'environnement, respectivement au lieu de (8), nous pouvons écrire:

Etant donné que les dérivés sont respectivement quasipotentials et la puissance dans leur (newtonienne) sens normal, nous arrivons à l'équation de base de la thermodynamique des systèmes nonequilibrium sous la forme de l'identité [7]:

où le premier terme dans les conditions réversibles caractérisent le travail "inutile" (chaleur externe travailler compression uniforme - masse-énergie , L'entrée de travail de la charge électrique (Φ - potentiel électrique), etc.), et les membres de la deuxième somme - un travail utile en dehors du type i-ème fait par le système:

Ainsi, les membres des premier et second montants (10) - deux catégories de travaux indépendants de surmonter les forces de la nature même de la i-ème. différence qualitative entre ces processus est que, par suite du travail utile du système interne diffère de l'équilibre et d'acquérir la capacité de transformer l'énergie d'une forme à l'autre (y compris un thermique). Ainsi, la principale caractéristique du travail utile est qu'il est une mesure quantitative du processus de conversion de l'énergie [7].

Contrairement à elle, le travail dissipative est identique dans la nature et l'ampleur des changements dans l'état (paramètre ) Dans différentes parties du système (augmentation ou une diminution uniforme de la température (entropie), la pression (masse volumique), la masse (concentration), etc.). La même représentation analytique du travail de forme I ont une charge électrique, la chaleur de friction, la chaleur des transitions de phase et des réactions chimiques homogènes. Bien que chaque acte élémentaire de commettre un travail dissipative a encore un caractère de vecteur, provoquant le déplacement de l'élémentaire chaque particule k-ième isolement , La force résultante Il est absent dans ce cas. Elle unit l'entrée de travail pour le travail contre les forces de friction (diffusion). Leur caractéristique générale - processus de scalarization, à savoir, la perte de travail engagée de son caractère directionnel de la transition du micro au niveau macro. En même temps, pour le système dans son ensemble:

La principale caractéristique de l'opération dissipative est qu'il ne perturbe pas l'équilibre dans le système, et par conséquent n'a aucune incidence sur sa capacité à exécuter dans un travail utile interne ou externe ultérieure. Par conséquent, elle peut être définie comme une mesure quantitative du transfert d'énergie de traitement (transfert d'énergie sans changer sa forme). Étant donné que le niveau micro et le travail dissipative est dirigé caractère, pas différent du travail utile, le transfert de chaleur, et peuvent être attribués à une sorte de "mikrorabote".

Comme vous pouvez le voir, la présence ou l'absence de résultante porter signification physique profonde, soulignant que le nœud de la question ne sont pas sous la forme d'un apport d'énergie au système, mais sous la forme de son système de perception. En particulier, l'équilibre thermique interne est perturbé dans le système de refroidissement peut être par échange du système de chaleur. Cependant, à la suite de cela, le système va acquérir la capacité d'effectuer un travail utile, car il fera partie de la source de chaleur et le dissipateur thermique. Par conséquent, nous avons augmenté le rendement du système, ce qui réduit son énergie.

Ainsi, nous arrivons à la nécessité de faire la distinction entre une partie de l'énergie de son système d'utilité (prevratimuyu, viable, non-équilibre) part, et (neprevratimuyu, équilibre de repos) partie inutile. Il serait sage d'appeler d' abord pour faire court (faute d'un meilleur terme) Inergen (Du grec - Interne, - Action), qui se traduit par « la capacité interne à agir", et le second (après la welt) anergie .

Sélectionnez Inergen en fonction de l'état peut être connu par les champs potentiels du système inhomogène la différence entre "sredneenergeticheskim" la valeur de ce potentiel et sa valeur moyenne en poids :

En fonction de l'état Inergen Il dispose d'un certain nombre d'avantages. Tout d'abord, il est un concept plus général que l'énergie extérieure, ce qui est différent de zéro pour les systèmes (fermé) isolés. En outre, contrairement à Gibbs ou Helmholtz énergie libre est fonction plus informative Inergen d'opérabilité, comme son déclin - Il peut être trouvé pour un procédé particulier (comme le produit de la force d'entraînement modifier ses coordonnées ):

Enfin, contrairement à l'environnement exergie Inergen est différent de zéro, si celui-ci se trouve pas dans l'équilibre interne. Cela vous permet d'évaluer la performance de l'environnement lui-même, en particulier, excité le vide physique. Pour les systèmes hétérogènes Inergen relation avec l'énergie du système prevratimosti caractérise le degré d'énergie, et elle peut servir de mesure de l' ordre en général. Cela vous permet de réfléchir en utilisant Inergen changement qualitatif en matière d'énergie dans les systèmes isolés où Inergen réduit en raison de la commission des rouages ​​de la nature dissipative et, en conséquence - dépréciation (dévaluation) energii1). Cette 1ère et 2ème loi de la thermodynamique peut être combiné en un seul simple et énoncé clair: «Quand le flux de processus spontanés dans les systèmes isolés partie pratique de son énergie (Inergen) devient inopérante (anergie); dans lequel la somme est stockée. "

Si le système en question est la conversion de l'énergie (fournit la conversion d'énergie), il nous permet d'introduire le concept de Inergen inergeticheskogo que la sortie de l'unité Inergen rapport à Inergen déposé son entrée :

Ce chiffre est convertisseurs d'énergie parfaits applicables aux moteurs thermiques et non thermiques, ouverts et fermés cycliques et non-cycliques, avant et arrière.

Tout cela fait Inergen outil très souple et pratique pour l'analyse thermodynamique des systèmes nonequilibrium.

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Auteur Prof., Etkin VA
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Date de publication 15.08.2004gg