Контакты jokoil@mail.ru КАРТА САЙТА English

Энергодинамическая система физических величин и понятий

(ЭСВП)


Не смешивать с СИ, унифицирующей ЕДИНИЦЫ измерений (разъяснение).

На Главную

Кому и зачем это нужно?

К сведению студентов

Основные понятия физики

Формы и виды энергии

Классификация физических систем

Основная идея системы величин

Таблицы физических величин

Итоги и выводы:

     Формы и виды движения

     Подробно об угле поворота

     О движении тела по орбите

     Заряды физического поля

     Новые единицы величин         колебаний и волн

     Новая единица         температуры

     Новый взгляд на         явления переноса

     Критерии подобия всюду

     Современная революция         в метрологии

Системный подход в экономике

История систематизации
величин и единиц


Необходимость модернизации
обучения физике


Учебно-наглядные пособия


Новости сайта

Шутки на тему сайта


Oб авторе проекта

Коган И.Ш.

Что означает состояние физической системы?

АННОТАЦИЯ. Разъясняется понятие "состояние физической системы". Приводится терминология различных состояний физической системы.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для получения краткой справки по поводу недостаточно ясных, редко применяемых или введенных автором сайта терминов пройдитесь по ссылке Предметный указатель (от А до О и от П до Я).

Что означает состояние физической системы?

Наиболее четкое определение этого термина имеется в ВИКИПЕДИИ: "Состоя́ние — абстрактный термин, обозначающий множество стабильных значений переменных параметров объекта. Состояние характеризуется тем, что описывает переменные свойства объекта. Состояние стабильно до тех пор, пока над объектом не будет произведено действие; если над объектом будет произведено некоторое действие, его состояние может измениться. Последовательная смена состояний объекта называется процессом". (Выделение жирным шрифтом наше, И.К.)

Если термин "объект" в этом определении заменить термином "физическая система", то получим точное определение понятия "состояние физической системы". Главной и определяющей характеристикой состояния системы является координата состояния. Однако координата состояния характеризует непосредственно не всю систему, а конкретную форму движения в физической системе. А форм движения в системе может быть сколько угодно. Правда, на практике рассматривают обычно одну, реже несколько, превалирующих форм движения. Соответственно, и координат состояния бывает столько же.

Какие бывают состояния физической системы?

Если количество энергоносителей в системе в каждой форме движения постоянно (в физике имеют в виду, что оно постоянно во времени), то состояние системы называют равновесным. В равновесном состоянии находится вся система, если все ее координаты состояния постоянны во времени во всех точках системы. Такое состояние системы называют стационарным или установившимся.

Равновесное состояние системы нарушается при воздействии на нее со стороны окружающей среды или со стороны соседних систем. Если это воздействие разовое, то со временем система приходит к новому равновесному состоянию, но уже с иным значением координат состояния. Процесс перехода к новому состоянию так и называется переходным процессом, анализ которого в физике часто недооценивается.

Если перенос энергоносителей через контрольную поверхность отсутствует, то количество энергоносителей в системе постоянно. Но может существовать перенос энергоносителей внутри системы вследствие различного рода флуктуаций, такое состояние системы называют неравновесным. При неравновесном состоянии значения координат состояния в разных точках системы различны. Движение энергоносителей всегда приводит к диссипации энергии, то есть к переходу энергии из любой формы движения в тепловую форму движения диссипации.

Равновесие системы - понятие неоднозначное. Если энергоносители внутри системы не перемещаются, то говорят о статическом равновесии системы (в переводе с греческого языка “статический“ означает “стоЯщий“, от слова стоять). Если координата состояния в каждой точке системы постоянна во времени при том, что энергоносители через эту точку перемещаются, то в этом случае говорят о динамическом равновесии системы (в переводе с греческого языка “динамический“ означает “движущийся“).

Приведем в пример водопроводную трубу, в которой координатой состояния движущейся воды будем считать какой-нибудь перемещающийся объём воды. Если входной кран перекрыт, то вода в трубе неподвижна, система находится в состоянии статического равновесия. Если же кран открыт, то вода перемещается по трубе, хотя объём воды в трубе и давление в каждой точке остаются прежними, это пример системы, находящейся в динамическом равновесии.

Из приведенных определений видно, что следует различать состояние системы в целом и состояние системы в отдельной точке.

Различают также состояние устойчивого равновесия, когда система, будучи выведенной из равновесного состояния одноразовым воздействием, самостоятельно возвращается в исходное состояние, и состояние неустойчивого равновесия, когда малейшее, даже случайное воздействие приводит систему к выходу из равновесного состояния, к которому система уже не может вернуться самостоятельно.

В 1984 г. был сформулирован принцип Ле Шателье - Брауна: "если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (температура, давление, концентрация, внешнее электромагнитное поле), то в системе усиливаются процессы, направленные на компенсацию внешнего воздействия". В дальнейшем под термином "условие равновесия" в данной формулировке стали понимать координату состояния формы движения.

Следует также заметить, что физические величины, указанные в скобках принципа Ле Шателье - Брауна, являются интенсивными величинами (см. статью о физических величинах, раздел 3. п.4). А процесс восстановления равновесия является, как указано выше, переходным процессом.

Примеры уравнения состояния системы приведены в отдельной статье.

Какие понятия характеризуют состояние системы?

В литературе по физике чаще всего применяют понятие "координата состояния" формы движения, которое рассмотрено подробно в отдельной статье. Именно координаты состояния разных форм движения внутри системы и характеризуют ее состояние. Но применяеются и другие понятия, отличие которых от понятия "координата состояния" следует пояснить.

В технике состояние физической системы определяется численными значениями её конструктивных параметров. Слово “параметр” в переводе с греческого языка означает “отмеривающий”. То есть подразумевается, что параметры следует измерять. Поэтому термин “параметр” и применяется часто по отношению к техническим устройствам. При теоретическом исследовании физической системы можно заменить измерения расчетами по определяющим уравнениям.

В физике применяется также часто термин “степень свободы”. Под этим термином понимают независимую переменную, описывающую состояние системы. Число степеней свободы равно минимальному количеству переменных, необходимому для полного описания состояния системы. Например, любое тело может двигаться в трёх взаимно перпендикулярных направлениях и вращаться вокруг трех взаимно перпендикулярных осей вращения. Поскольку тело тоже является физической системой, то можно говорить о том, что оно обладает шестью степенями свободы. Таким образом, термин “степень свободы” содержит несколько иную информацию о системе, нежели термины “координата состояния“ и "параметр".

А.Вейник (1968) предпочел вместо термина “координата состояния“ применять термин “заряд“. Но эти два термина не адекватны друг другу, что станет понятно при ознакомлении со статьёй, посвященной заряду системы.

Литература

1. Вейник А.И., 1968, Термодинамика. 3-е изд. – Минск, Вышейшая школа, 464 с.


© И. Коган Дата первой публикации 01.03.2008
Дата последнего обновления 22.08.2015

Оглавление раздела Предыдущая Следующая