Proceso cuasi-estático

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Un proceso cuasiestático en termodinámica es un proceso relativamente lento (en el límite, infinitamente lento) (es decir, la transición de un sistema termodinámico de un estado a otro [1] ), cuya duración supera con creces los tiempos de relajación característicos del sistema [2] [K 1] . En este caso, el sistema pasa a través de una secuencia de estados de cuasi-equilibrio infinitamente cercanos [4] [5] , y el proceso cuasi-estático también puede llamarse cuasi-equilibrio . El conjunto de procesos cuasiestáticos infinitamente pequeños es un proceso cuasiestático finito [6] [K 2] .

Importancia de los procesos cuasiestáticos

T. A. Afanas'eva-Ehrenfest mostró (1925) que el concepto de reversibilidad e irreversibilidad de los procesos está solo indirectamente relacionado con la termodinámica, es decir, la termodinámica clásica, en su opinión, debe construirse como una teoría de estados de equilibrio y procesos cuasi-estáticos. [6] . Los procesos cuasiestáticos todavía se llaman a veces reversibles solo debido a la tradición que se remonta a la época de Clausius [K 3] , aunque no todos los procesos cuasiestáticos son reversibles o están en equilibrio [K 4] . Sin embargo, en la termodinámica clásica de estados y procesos ideales (termostática) [K 5] , los términos procesos reversibles y procesos cuasiestáticos suelen considerarse sinónimos [12] [13] [14] [15] [16] [17 ] [18] [19] [20] [21] [22] [23] .

La lentitud de los procesos cuasiestáticos sirve de base para no tomar en cuenta las velocidades de tales procesos asumidas como cero, es decir, usar el concepto de procesos cuasiestáticos es una forma de excluir el tiempo del número de variables tomadas en cuenta. cuenta por la termodinámica clásica de estados y procesos ideales (termostática) y considera el proceso, es decir, el cambio en el estado del sistema en el tiempo [24] sin usar esta cantidad física como una variable termodinámica [25] [26] [27] [ 28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] . El tiempo, sin embargo, puede incluirse en las relaciones termostáticas como parámetro [36] , por ejemplo, en fórmulas de cálculo de potencia.

La experiencia muestra que el número de variables que describen completamente el estado de equilibrio es menor que el requerido para describir cualquier estado de no equilibrio [37] [38] . Por lo tanto, la suposición de que el proceso real es cuasiestático y la reducción asociada en el número de variables tenidas en cuenta simplifica enormemente el análisis termodinámico del proceso en consideración [39] [40] [41] [42] [43] . Al mismo tiempo, resulta que la aproximación de un proceso real no estático que avanza con una velocidad finita por su modelo cuasiestático idealizado e infinitamente lento hace posible realizar cálculos con suficiente precisión para una gran clase de problemas prácticos . 44] [32] . Por otro lado, las conclusiones obtenidas por la termodinámica para procesos cuasiestáticos tienen el carácter de una especie de teoremas sobre los valores límites de las magnitudes termodinámicas - trabajo útil, eficiencia de una máquina térmica, etc. [45] .

Condiciones para que el proceso sea cuasístico

Sea X alguna cantidad termodinámica que caracterice el proceso. En termostática, para obtener dependencias cuantitativas del tipo X = …, solo se consideran procesos cuasiestáticos [21] , mientras que para procesos no estáticos, la termostática arroja resultados cualitativos de la forma X < … o X > … Es decir, un proceso termodinámico es cuasi-estático si las cantidades que lo caracterizan se pueden encontrar métodos termostáticos [46] .

Los procesos cuasiestáticos no se realizan en la naturaleza, pero son un buen modelo para los procesos que avanzan con bastante lentitud en comparación con los procesos de establecimiento del equilibrio termodinámico en un sistema. La condición de "lentitud" es relativa, es decir, comparan el tiempo de un cambio cuasi-estático en el valor de alguna variable termodinámica por el valor y el tiempo de relajación después de un cambio instantáneo en el mismo valor por el valor : con un cuasi -cambio estático en la variable [47] .

Representación gráfica de procesos cuasi-estáticos

Dado que el tiempo se excluye del número de variables que se tienen en cuenta para los procesos cuasiestáticos, dicho proceso se puede representar geométricamente como una curva continua en una superficie termodinámica [48] [49] [50] , por ejemplo, en el Andrews PV diagrama [51] [K 6] . Es posible representar gráficamente en diagramas termostáticos (termodinámicos no temporales) procesos de cuasi-equilibrio y solo de cuasi-equilibrio [56] ; los procesos no estáticos no se pueden mostrar en diagramas termostáticos [57] [58] [55] [59] . La representación gráfica encontrada en la literatura sobre diagramas termostáticos de procesos reales no estáticos que ocurren a una velocidad finita tiene un carácter condicional [60] [61] [62] [63] [64] cuando el proceso no estático se aproxima por un línea (generalmente discontinua o punteada [65] [ 66] [67] [68] [69] [70] ) que conecta dos estados de cuasi-equilibrio [71] [67] y, aparte de los puntos inicial y final, ningún otro punto sobre esta línea corresponde a un estado intermedio del sistema termodinámico [72] [ 73] [74] [75] .

Tipos de procesos cuasi-estáticos

En termodinámica, los siguientes tipos de procesos cuasiestáticos se consideran con mayor frecuencia:

Observaciones terminológicas

El término "cuasi-estático" (del latín  quasi - como si, como + estático - estático) fue propuesto por K. Carathéodory en 1909 [95] . El aparato conceptual utilizado en este o aquel manual de termodinámica clásica depende esencialmente del sistema de construcción/presentación de esta disciplina, utilizado por el autor de un manual en particular. Los seguidores de R. Clausius construyen/exponen la termodinámica como una teoría de procesos reversibles [96] , los seguidores de Carathéodory como una teoría de procesos cuasi-estáticos [95] y los seguidores de JW Gibbs como una teoría de estados y procesos de equilibrio [97] [98] . Es claro que, a pesar del uso de varias definiciones descriptivas de los procesos termodinámicos ideales -reversibles, cuasi-estáticos y de equilibrio- que son utilizados por la axiomática termodinámica antes mencionada , en cualquiera de ellos todas las construcciones de la termodinámica clásica resultan en lo mismo. aparato matemático. De facto, esto significa que fuera de consideraciones puramente teóricas, es decir, en termodinámica aplicada, los términos "proceso reversible", "proceso de equilibrio" y "proceso cuasi-estático" se consideran sinónimos [99] : cualquier equilibrio (cuasi- proceso estático) proceso es reversible, y viceversa, cualquier proceso reversible es equilibrio (cuasi-estático) [100] [101] [102] .

Véase también

Comentarios

  1. ↑ Diferentes variables termodinámicas pueden tener tiempos de relajación significativamente diferentes para diferentes sistemas y procesos. Sea Z la variable para la cual el tiempo de relajación τ max tiene mayor valor (se toma como el tiempo de relajación de todo el sistema) y que cambia en ΔZ en el proceso considerado . Entonces el proceso se considera cuasi-estático si en cada tiempo τ su tasa es mucho menor que la tasa de cambio promedio de la variable Z durante la relajación, es decir, dZ/dτ << ΔZ/τ max [3] .
  2. ↑ Puede parecer que se imponen requisitos mutuamente excluyentes a un proceso cuasiestático: ser un proceso y al mismo tiempo ser un equilibrio, es decir, no ser un proceso. “La identificación del movimiento con una secuencia de estados de reposo adyacentes, durante los cuales el móvil está en equilibrio, a primera vista parece absurda. Sin embargo, el movimiento compuesto de estados inmóviles no es ni más ni menos absurdo que la longitud compuesta de puntos desprovistos de extensión, o que el tiempo compuesto de instantes sin duración” (original [7] , traducción [8] ).
  3. ↑ Reemplazar el postulado de Clausius por su antítesis, una premisa físicamente absurda de contenido opuesto, no afecta ni la esencia de los resultados obtenidos con su ayuda, ni el método para obtenerlos [9] .
  4. ↑ Sobre el tema de la relación entre reversibilidad y cuasi-estático (equilibrio), diferentes autores no tienen un único punto de vista. He aquí un ejemplo de declaraciones exactamente opuestas de dos autoridades reconocidas en termodinámica: "un proceso cuasiestático puede ser tanto reversible como irreversible" ( I. Gyarmati ) y "cualquier proceso cuasiestático es reversible y viceversa" ( P. Landsberg ) [10] . L. I. Sedov está de acuerdo con I. Gyarmati : “… en varios libros de texto populares, los autores “prueban”, sin reservas especiales, la afirmación incorrecta de que cualquier proceso de equilibrio es reversible” [11] .
  5. ↑ El término termodinámica clásica de estados y procesos ideales se usa para distinguir la termodinámica clásica (termostática) de la termodinámica clásica de procesos reales (no estáticos) .
  6. ↑ Fue cuasi-estático lo que permitió a Clapeyron introducir (1833) [52] en la práctica termodinámica una representación gráfica visual de los procesos [53] [54] [55] .
  7. ↑ Los procesos reales de estrangulación ( proceso de Joule-Thomson ) y expansión de gas en el vacío ( proceso de Joule [77] ) son irreversibles [78] [79] [80] [63] [81] [82] , pero cuando se consideran por Los métodos termostáticos son reemplazados mentalmente por modelos cuasiestáticos [83] , que permiten, entre otras cosas, la representación de estos procesos en diagramas termodinámicos [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] .

Notas

  1. ↑ Aleksandrov N. E. et al. , Fundamentos de la teoría de procesos térmicos y máquinas, parte 1, 2015 , p. 229.
  2. ↑ Aleshkevich V. A. , Física molecular, 2016 , pág. 31
  3. ↑ Korenblit S. E. , Apuntes sobre termodinámica, 2007 , p. 9.
  4. ↑ Aleksandrov N. E. et al. , Fundamentos de la teoría de procesos térmicos y máquinas, parte 1, 2015 , p. 236.
  5. ↑ Nikolaev L. A. , Química Física, 1979 , p. 12
  6. ↑ 1 2 Frankfurt UI , Sobre la historia de la axiomática de la termodinámica, 1964 .
  7. ↑ Tobias D. , Número, 2005 , pág. 132.
  8. ↑ Krichevsky I. R. , Conceptos y fundamentos de la termodinámica, 1970 , p. 237.
  9. ↑ Gukhman A. A. , Sobre los fundamentos de la termodinámica, 2010 , p. 341.
  10. ↑ Petrov N., Brankov J. , Problemas modernos de termodinámica, 1986 , p. 34.
  11. ↑ L. I. Sedov , Mecánica continua, Vol. 1, 2004 , p. 236.
  12. ↑ Eremin V. V. et al. , Fundamentos de Química Física, Parte 1, 2015 , p. ocho.
  13. ↑ Irodov I. E. , Física de macrosistemas, 2015 , p. once.
  14. ↑ Lyashkov V.I. , Fundamentos teóricos de la ingeniería térmica, 2015 , p. 25
  15. ↑ Morachevsky A. G., Firsova E. G. , Química física. Termodinámica de las reacciones químicas, 2015 , pág. diez.
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  100. ↑ [[Zubarev,_Dmitry Nikolaevich| Zubarev D. N. ]] Proceso cuasi-estático // Enciclopedia física, volumen 2, 1990, p. 261-262. . Consultado el 27 de noviembre de 2018. Archivado desde el original el 27 de noviembre de 2018.
  101. ↑ [[Zubarev,_Dmitry Nikolaevich| Zubarev D. N. ]] Proceso reversible // Enciclopedia física, volumen 3, 1992, p. 383. . Consultado el 27 de noviembre de 2018. Archivado desde el original el 27 de octubre de 2018.
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Literatura