Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Б.Л. Павлов, в.Н. Белко теория открытых равновесных систем и её применение в физике

Монография

Воронеж

2015

УДК 536.75

ББК

П121

Рецензенты:

В.И. Кукуев, д. ф.-м. н., проф. Воронежского государственного университета;

Б.И. Селезнёв, д. т. н., проф., директор института электронных систем,

зав. кафедрой физики твёрдого тела

Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого

ПАВЛОВ, Б,Л,

Теория открытых равновесных систем и её применение в физике : П121 монография / Б.Л. Павлов, В.Н. Белко ; Воронежский ГАСУ. – Воронеж,

2015. – 138 с.

Авторами развита теория открытых однокомпонентных равновесных систем, без которой описание поведения таких термодинамических систем, как вырожденные идеальные бозе- и ферми-газы, состоящие из частиц, масса покоя которых не равна нулю, равновесный фотонный газ, вырожденный идеальный фононный газ (вырожденное твёрдое тело), однокомпонентная равновесная двухфазная объёмная система, однокомпонентная равновесная с объёмными фазами поверхностная фаза, невозможно.

Книга будет интересна и полезна аспирантам, преподавателям вузов и студентам старших курсов.

Библ.: 46 назв.

УДК 536. 75

ББК

Научный редактор – В.В. Чернышёв, д. ф.-м. н., проф., заведующий кафедрой

общей физики Воронежского государственного

университета

Печатается по решению учебно-методического совета

Воронежского ГАСУ

ISBN 978-5-89040-544-9 © Павлов Б.Л., Белко В.Н., 2015

© Воронежский ГАСУ, 2015

Введение

В 1993 г. вышли две работы [1] и [2] , в которых авторами вводится понятие открытых равновесных объёмных систем (систем с переменным числом частиц ) и рассматривается теория таких систем: введены термодинамические параметры и термодинамические характеристики открытых систем, получено уравнение состояния этих систем в неявном виде, которое в то же время является и уравнением равновесного процесса, происходящего в них, а также основное уравнение термодинамики для открытых систем. В этих работах показано, что для однокомпонентных равновесных объёмных систем условием открытости термодинамической системы является равенство нулю химического потенциала её частиц ( ). В последующих работах было показано, что свойствами открытой системы обладают многие термодинамические системы в физике: вырожденные идеальные бозе- и ферми-газы, состоящие из частиц с массой покоя не равной нулю, равновесная однокомпонентная двухфазная система, поверхностная фаза, образующаяся на границе раздела двух однокомпонентных равновесных объёмных фаз, и, наконец, термодинамические системы, состоящие из квазичастиц: равновесный с веществом фотонный газ, вырожденный идеальный фононный газ в твёрдых телах. В работах [1] и [2] показано, что в отличие от термодинамики закрытых систем (систем с постоянным числом частиц ), в которой существуют три термодинамических параметра (соответственно давление, объём и абсолютная температура), в термодинамике открытых равновесных систем используются только два параметра и (объём как параметр отсутствует). Вместо таких обычных термодинамических характеристик для закрытых систем, как (внутренняя энергия), (свободная энергия), (энтропия), (постоянное число частиц), в термодинамике открытых однокомпонентных равновесных систем приходится вводить объёмные плотности этих термодинамических характеристик , , , , которые являются функциями только одной абсолютной температуры. Все изопроцессы (изотермический, изохорический, изобарический, адиабатический), имеющие место в закрытых системах, осуществить в открытых системах невозможно. В открытой однокомпонентной системе существует только один единственный равновесный процесс, связанный с изменением числа частиц в ней при изменении температуры. В монографии рассмотрен большой перечень работ, в которых авторы ошибочно пытаются ввести в открытых системах те или иные изопроцессы. Теория открытых однокомпонентных равновесных систем позволяет несколько иначе взглянуть на такое понятие как вырождение идеальных бозе- и ферми-газов [3]. Согласно этой теории температуры вырождения идеальных бозе- и ферми-газов есть не что иное как температуры перехода этих термодинамических систем из закрытой формы в открытую, а само понятие вырождение этих газов трактуется как состояния этих газов в виде открытых термодинамических систем. Существуют некоторые термодинамические системы, например, равновесный фотонный газ, поверхностная фаза, представляющие собой всегда открытые системы. В монографии также развита и теория однокомпонентных равновесных поверхностных систем: введены термодинамические параметры и (соответственно межфазное натяжение и абсолютная температура) и поверхностные термодинамические характеристики, получено уравнение состояния поверхностной фазы в неявной форме, которое в то же время является и уравнением равновесного процесса в поверхностной фазе, а также основное уравнение термодинамики для поверхностной фазы. В данной работе вводится понятие квазичастицы как структурного элемента модели изучаемой термодинамической системы. Так, например, моделью невырожденного твёрдого тела является невырожденный идеальный фононный газ, состоящий из квазичастиц (фононов), представляющих собой плоские монохроматические упругие волны. Моделью вырожденного твёрдого тела является вырожденный фононный газ, состоящий из двух компонентов: один образован из фононов, представляющих собою плоские упругие монохроматические волны, другой – трёхмерными осцилляторами, имеющими энергию нулевых колебаний. В 2012 г. вышла работа [4], в которой сделана попытка очень кратко систематизировать результаты, связанные с применением теории равновесных открытых однокомпонентных систем в физике. Целью данной монографии является более подробное описание этой теории и её применение в различных разделах физики.