Details

Written by Штырев Н.А.

Parent Category: Categories RU

Category: Articles

Published: 14 December 2015

Hits: 1668

Молярная энергия идеального газа. Энергия микроскопического теплового движения идеальных частиц газообразной среды (вещества) которая возникает периодически в элементарном молярном объеме в результате характеристической тепловой разрушительной флуктуации в условиях термодинамического равновесного состояния данной среды.

Молярная энергия равна минимальной работе, которую производит тепловая энергия микроскопического движения в объеме из одного моля квазичастиц (для идеального газа и частиц массы) \(V_{\mu }\) за некоторый малый период времени [3]. Работа определяется за элементарный характеристический период микроскопической релаксации равновесного состояния или время появления флуктуации разрушения микроскопического равновесия в элементарном объеме \(\bar{\mathrm{v}}_{\mu }\). Система в целом находится в условиях термодинамического равновесия. 

В универсальном уравнении состояния идеального газа (п.5.3) величина \(pV_{\mu }\) термодинамический потенциал, не имеющий собственного названия. Обозначим произведение давления \(pN/m^{2}\) (интенсивность внешней механической нагрузки) и \(V_{\mu }\)- макроскопического объема моля элементарных состояний, как термодинамический потенциал молярной энергии или молярная энергия системы:

 \(\begin{equation}W_{\mu }= pV_{\mu },\; J/mol\end{equation}\)

В кинетической теории газа молярная энергия это величина кинетической энергии встречных потоков прямолинейного движения частиц вдоль одной оси декартовых координат [7] \(W_{\mu }= 2W_{K}\) .

Рассмотрим объем \(V_{\mu }\)как сумму физических элементарных объемов содержащих в себе некоторое количество энергии. Каждый малый объем \(\bar{\mathrm{v}}_{\mu }\) - носитель порции микроскопический элементарной молярной энергии, квазичастица молярной энергии. Каждый элементарный объем \(\bar{\mathrm{v}}_{\mu }\) создает элементарное давление, содержит часть микроскопической энергии \(\bar{\mathrm{w}}_{\mu }\)системы:

\(\begin{equation}\bar{\mathrm{w}}_{\mu }= RT/N_{A}= kT\; J/un\tag{2.3} \end{equation}\)

Где, \(\bar{\mathrm{w}}_{\mu }\) - элементарный молярный (химический) термодинамический потенциал системы [3], \(k\; \left ( J/un\cdot K^{\circ} \right )\) - постоянная Больцмана, эквивалент элементарной тепломеханической энергии (квант).

 \(W_{\mu }\; Дж/моль\)- макроскопической потенциал молярной энергии квазичастиц в термодинамической системе объемом \(V_{\mu }\) 

Моль элементарных частиц массы и квазичастиц кинетической энергии. В классической формулировке \(N_{A}= 6.02\cdot 10^{23}\; un/mol\) число Авогадро, количество специфицированных структурных единиц (атомов, молекул, ионов, электронов или любых других частиц наделенных массой) в 1 моле вещества. Значение определяется как количество атомов в 12 граммах чистого изотопа углерода-12. 

Моль физическая величина и единица измерения энергии микроскопического движения. 

В структурно-энергетической теории, \(N_{A}\) - моль, количество квазичастиц энергии кинетического тепломеханического движения элементарных составляющих, равное числу Авогадро. Количество элементарных идеализированных порций энергии, эквивалентных по величине микроскопической энергии волн (пакет волн, ассоциированный фонон) возникающих при разрушительной флуктуации \(\bar{\mathrm{w}}_{r }\) в элементарном молярном объеме газообразной среды. Флуктуация - результат физического микроскопического взаимодействия, нестационарное состояние относительно малой макроскопической системы, наблюдаемое при случайном периодическом столкновении (сближением) и изменением параметров движения частиц массы в элементарном молярном объеме данной среды. Объем частиц находится в макроскопическом термодинамическом равновесии \(T=const\), разрушительные флуктуации имеют характерный период возникновения.

Элементарная средняя порция энергии идеальной частицы в кинетической теории газа и одновременно квазичастица энергии разрушительной флуктуации в идеальном газе: 

\(\begin{equation}\bar{\mathrm{w}}_{\mu }= \frac{RT}{N_{A}}= \frac{kN_{A}T}{N_{A}}= kT\; Дж/ед.\end{equation}\)

Элементарная энергия микроскопического движения определяется в теории по одной степени свободы:

\(\begin{equation}\mathrm{w}_{\mu }\approx \mathbf{d}\bar{\mathrm{w}}_{\mu }= \mathbf{d}\mathrm{w}_{x}= \mathbf{d}\mathrm{w}_{y}=\mathbf{d}\mathrm{w}_{z}\end{equation}\)

Details

Written by Штырев Н.А.

Parent Category: Categories RU

Category: Articles

Published: 14 December 2015

Hits: 1869

Рассмотрим на примере идеального в условиях макроскопического термодинамического равновесия: (постоянные температура, давление газа) молярные параметры системы. Имеем периодический обмен энергией между элементарными объемами среды, с характеристической термодинамической частотой разрушительных флуктуаций \(\tau _{ro}\). Характеристическая частота (период) является объективной характеристикой скорости микроскопической релаксации равновесного состояния системы [3]. 

Индивидуальной физической характеристикой локального потока тепловой микроскопической молярной энергии данного газообразного вещества является функция элементарного потенциала локальной молярной мощности \(q_{\mu } \left ( t \right )\) [3]. Это скорость релаксации плотности молярной энергии \(\bar{\mathrm{w}}_{\mu }(t)\)теплового движения в элементарном объеме. Величина элементарного потенциала является объективной однозначной физической характеристикой микроскопических структурно-энергетических процессов и свойством вещества. В равновесном состоянии макроскопического объема идеальной газообразной среды, как физической модели данного вещества, молярная локальная мощность постоянная, это характерный параметр средней скорости молярного потока энергии данной системы: 

\(\begin{equation}q_{\mu }= \frac{\partial \bar{\mathrm{w}}_{\mu }}{\partial t}= \frac{pV_{\mu }}{\tau _{ro}N_{A}}= \frac{RT}{\tau _{ro}N_{A}}= \frac{kT}{\tau _{ro}}= const\; \; J/mol\cdot s,\; T= const\end{equation}\)

В данном случае мы рассматривали тривиальную изотропную среду, структура (свойства) микроскопических потоков молярной энергии идеального газа не зависят от направления, среднее значение \(q_{\mu }\)не зависит от времени.

В линейном приближении каждый элементарный молярный объем содержит элементарный источник линейной волны локального молярного потенциала. Из условия равновесия, в рамках общей векторной и волновой теорий, вытекает, что в элементарном объеме находиться одновременно сток энергии [8]. На поверхности элементарного объема имеем поток расходимости (дивергенция) микроскопической кинетической энергии \(\bar{\mathrm{w}}_{\mu }\) (Рис.1). Энергия разрушительной периодической флуктуации, в матрице из объемов \(\bar{\mathrm{v}}_{\mu }\), равна \(\bar{\mathrm{w}}_{f}= 2\bar{\mathrm{w}}_{\mu }\) . Появление флуктуации в элементарном объеме, есть физическое условие возникновения периодического акта элементарного разрушения. В результате флуктуации происходит 100% необратимый перенос (трансляция) элементарной порции молярной энергии или квазичастицы в соседний элементарный объем по трем степеням свободы.

Рис.1. Дивергенция (расходимость) потока поля кинетической молярной энергии

в макроскопическом объеме среды идеальных частиц газа при термодинамическом равновесии.

Details

Written by Штырев Н.А.

Parent Category: Categories RU

Category: Articles

Published: 14 December 2015

Hits: 1552

Деформирование макроскопического объема твердого тела рассматривается как совокупное формоизменение объема конгломерата СЕ, в результате упругих обратимых и необратимых микроструктурных сдвиговых деформаций СЕ. Необратимые макроскопические деформации рассматриваются как результат совокупного пространственно процесса микроскопических скачкообразных хаотических сдвигов, смещений СЕ (зерен, кластеров, блоков, доменов и др.) между собой (аналог механизм Френкеля – Эйринга). Этот процесс характеризуется диссипацией упругой энергии, отображенной абсолютными и относительными изменениями новой физической величины молярного объема квазичастиц прочности, определяемой в трех ортогональных направлениях тензора главных напряжений (деформаций). Макроскопическое формоизменение в новой модели можно схематически рассматривать как реологическое течение твердой среды, подобной очень вязкой сжимаемой жидкости образованной структурными единицами – вязкий конгломерат. Механические и др. свойства твердого тела рассматриваются через физические свойства молярного объема среды с квазичастицами прочности, молярные функции состояния среды и их производные. СЕ взаимодействуют между собой посредством коллективных связей атомарного уровня (характеризуются энергией квазичастиц), эти связи определяют механическую прочность, пластичность среды. Локальная энергия квазичастиц прочности это термодинамический (изохорно-изобарный - изохронный) молярный потенциал деформированного твердого тела. Таким образом, в данной модели предполагается, что объем реальной твердой среды заполнен квазичастицами прочности, находящимися в полях механических напряжений и температуры, а состояние самих ЭСЕ (атомов и др.) не рассматривается. Объем этой среды под нагрузкой (механической, тепловой) с течением времени упруго и пластически изменяет форму. Необратимое изменение с течением времени формы (объем постоянный) сопровождается необратимым изменением корневого молярного объема энергии квазичастиц. Экспериментальные исследования и зависимости показывают, что относительные необратимые изменения формы материала и необратимые относительные формоизменения корневого молярного объема квазичастиц прочности (плотности энергии диссипации) однозначно связаны между собой.

Необратимое микроскопическое формоизменение (деформирование), образование микроскопических повреждений в объеме тела происходит с первого момента отвердевания среды и ускоряется (инициируется) в результате сложения полей микроскопических (локальных) напряжений и деформаций и макроскопических механических деформаций и напряжений, температуры. Указанные процессы аналитически характеризуются посредством функции состояния локальной молярной энергии квазичастиц прочности деформированного твердого тела, соответствующих производных молярных функции. 

В новой структурно-энергетической физической модели деформирование сопровождается непрерывным процессом образования микроскопических дефектов структуры, образованием микроскопических пустот (рыхлость), микро и макро поверхностей среды и др. Влиянием микроповреждений и микро пустот на величину механических макроскопических напряжений деформируемой твердой среды в первом приближении пренебрегаем, считаем, что эти изменения учтены в молярных параметрах материала. Влияние образования свободных поверхностей (пустот, трещин) может быть учтено соответствующими зависимостями, рассматривающими свойства совокупности макроскопических состояний. Материал в этом случае предстает объемной конструкцией с разными термодинамическими физическими параметрами и физическими (не обязательно условие свободной поверхности) границами. 

Details

Written by Штырев Н.А.

Parent Category: Categories RU

Category: Articles

Published: 14 December 2015

Hits: 1537

Пространство реального твердого тела образует поле напряжений, как совокупность микроскопических потоков импульсов кинетического движения, формирующихся на микроскопическом и макроскопическом уровне.

Напряжения \(\sigma\) \(N/m^{2}\) рассматриваются как физический процесс - потоки энергии микроскопических импульсов тепломеханического структурно-взаимосвязанного колебательного движения элементарных составляющих ДТ [9]. Потоки микроскопической энергии формируют поле внутренних распределенных сил – напряжений.

Механические напряжения (теория упругости и механика) - количественная мера и картина статического или динамического (ударные волны) распределения интенсивности внутренних механических усилий в континуальной сплошной среде деформированного твердого тела (ДТТ).

Плотность энергии механических напряжений \(W_{\sigma }\) в идеальной среде определена зависимостями теории упругости, это обратимые процессы.

Физические напряжения – микроскопические локальные потоки энергии (потоки волн или квазичастиц энергии) обусловленные тепловым кинетическим хаотическим тепломеханическим движением и разрушающими флуктуациями в элементарных объемах конгломерата элементарных структурно анизотропных составляющих конденсированной среды находящимся в макроскопическом термомеханическом равновесии ДТТ. Микроскопическая молярная энергия кинетического движения в элементарном объеме \(kT\; Дж/ед\). Макроскопическая молярная энергия \(RT\; Дж/моль\). Физические механические напряжения – квазиравновесное состояние микроскопической тепломеханической энергии в макроскопическом объеме физической среды ДТТ выраженное через элементарную молярную энергию \(kT\). Время релаксации физических напряжений любого уровня в объеме ДТТ пренебрежимо мало. Энергия напряжений в физической среде ДТТ характеризуется двумя показателями: упругой (обратимой) \(W\sigma \; J/м^{3}\) и молярной локальной энергией \(\bar{\mathrm{w}}_{L} \; J/mol\) диссипативных (необратимых) процессов разрушения структурно-атомарных связей при любом уровне напряжений ДТТ.