Контакты jokoil@mail.ru КАРТА САЙТА Гостевая книга 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.

Классификации физических систем

СОДЕРЖАНИЕ
1. Понятие о балансе и дисбалансе между системой и окружающей средой.
2. Классификация физических систем по признаку поведения энергоносителей.
3. Классификация открытых физических систем по признаку изменения энергообмена.
4. Особенности закрытых физических систем.
5. Классификации физических систем по другим признакам.
6. Перераспределение видов энергии в физических системах.

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), а по поводу примененных обозначений – по ссылке Символьный указатель (латинские буквы и греческие буквы).

1. Понятие о балансе и дисбалансе между системой и окружающей средой.

Физические системы, как более обобщенное понятие, чем термодинамические системы, нуждаются в такой классификации, которая учитывала бы динамику энергообмена между физической системой и окружающей средой и/или соседними системами. Это возможно только при условии учета динамических свойств физической системы.

Под балансом энергообмена физической системы и окружающей среды будем понимать состояние, при котором энергия энергоносителей, входящих в систему, равна энергии энергоносителей, выходящих из системы. Соответственно, отсутствие такого равенства будем называть дисбалансом энергообмена. Изменение энергообмена является главной характеристикой изменения состояния физической системы.

В статье, посвященной определению окружающей среды, было показано, что устанавливаемая мысленно контрольная поверхность отделяет физическую систему от окружающей среды. Она может быть представлена проницаемой или непроницаемой для движения материальных энергоносителей. В соответствии с этим физические системы, как и термодинамические системы, делятся на открытые системы и закрытые системы. Эта классификация распространяется на все формы движения. При этом следует иметь в виду, что одна и та же физическая система может быть открытой для одних форм движения и закрытой для других форм движения.

2. Классификация физических систем по признаку поведения энергоносителей.

Данная классификация была введена А.Вейником (1968, с.29) (вместо термина "энергоноситель" он применял термин "заряд системы"). Согласно этой классификации физические системы делятся на:
а) стационарные равновесные, в которых количество энергоносителей в системе и их плотность в любой точке системы не изменяются со временем;
б) стационарные неравновесные, в которых энергоносители движутся через систему, но количество энергоносителей в системе остается неизменным;
в) нестационарные равновесные, в которых количество энергоносителей в системе и их плотность в любой точке системы со временем изменяются;
г) нестационарные неравновесные, в которых энергоносители движутся через систему и их количество в системе со временем изменяется.

3. Классификация физических систем по признаку изменения энергообмена.

Данная классификация предложена И.Коганом (2006, с.113). Согласно ней физические системы делятся на:
а) системы-источники, отдающие энергию энергоносителей в большем количестве, чем поглощают ее;
б) системы-стоки, поглощающие энергию энергоносителей в большем количестве, чем отдают ее;
в) проточные системы, одна часть контрольной поверхности которых является общей с системой-источником, а другая часть − общей с системой-стоком;
г) непроточные системы, для которых окружающая среда или соседняя система являются либо системой-источником, либо системой-стоком;
д) комплексные системы, сочетающие свойства непроточных и проточных систем;
е) изолированные системы, у которых контрольная поверхность непроницаема для энергоносителей.

Эта классификация коррелируется с классификацией А.Вейника (1968) по последним четырем пунктам. Изолированные системы соответствуют стационарным равновесным, проточные системы - стационарным неравновесным, непроточные системы - нестационарным равновесным, комплексные системы - нестационарным неравновесным. Первые из сравнивамеых терминов представляются более понятными и лучше усваиваемыми. Упрощенная схема деления физических систем на комплексные, проточные и непроточные приведена также в отдельной статье и иллюстрируется ниже схемой.

На схеме стрелками показано направление потоков энергоносителей. Контрольная поверхность системы обозначена на схеме жирными линиями. Энергообмен следует рассматривать по каждому участку контрольной поверхности в отдельности. Под dW понимается элементарное изменение энергообмена. Индекс "in" означает вход в систему, а индекс "out" означает выход из системы. ΔU = ΔРразность потенциалов по обе стороны контрольной поверхности. dq − элементарное изменение координаты состояния формы движения.

Энергообмен следует рассматривать отдельно по каждой форме движения, имеющейся в системе, так как в одну и ту же систему могут входить энергоносители одной формы движения и одновременно с этим выходить энергоносители другой формы движения. Например, в электродвигатель входят энергоносители электрической формы движения и выходят энергоносители механической вращательной формы движения, а перенос энергии из электрической в механическую форму движения происходит внутри самой системы.

Особый интерес вызывает перенос энергии любой формы движения в тепловую форму движения диссипации dWR , показанный на схеме вертикальными стрелками. Не следует смешивать тепловую форму упорядоченного движения энергоносителей с тепловой формой движения диссипации неупорядоченного движения энергоносителей. В упорядоченной тепловой форме движения, как и в любых других формах движения, энергоносители могут как поглощаться системой, так и отдаваться ею, тогда как тепловая форма движения диссипации только поглощает энергоносители других форм движения системы. Она может обмениваться тепловой энергией только с окружающей средой.

Предполагается, что дисбаланс энергообмена на границе системы с окружающей средой незначителен по сравнению с энергообменом на границах с системой-источником и системой-стоком. В некоторых частных случаях роль системы-источника или системы-стока (но не обеих вместе) может взять на себя окружающая среда.

4. Особенности закрытых физических систем.

У закрытых систем обмен энергоносителями с окружающей средой отсутствует, но энергообмен может осуществляться путем воздействия окружающей среды и системы на контрольную поверхность системы. Это воздействие можеь повлечь за собой изменение энергии энергоносителей внутри закрытой системы.

Закрытые системы являются непроточными системами для всех случаев, когда энергообмен осуществляется вещественными энергоносителями. В том случае, когда энергоносителями являются волны, закрытые системы становятся проточными системами, так как волны могут переносить энергию через контрольную поверхность вследствие колебаний этой поверхности.

5. Классификации физических систем по другим признакам.

1. Все физические системы можно классифицировать также по признаку количества форм движения, для которых существует энергообмен. Системы могут быть с одной, с двумя, с тремя и более учитываемыми формами движения. При этом подразумевается, что в любой физической системе должна учитываться дополнительно такая форма движения, как тепловая форма движения диссипации. Примером системы с двумя формами движения (электрической и механической) является электродвигатель, с тремя формами движения (электрической, механической и акустической) – громкоговоритель.

2. Физические системы можно классифицировать по признаку количества форм физических полей, с которыми взаимодействует система. По этому признаку системы могут взаимодействовать с одной и с двумя формами физического поля или быть формально независимыми от влияния любого физического поля. Хотя на структурном уровне "Вещество" независимых от физических полей систем нет, так как нет тел, не обладающих гравитационной массой. Но в целом ряде случаев этой зависимостью можно пренебречь. Примером проточной системы с одной формой поля (гравитационного) является поток жидкости, с двумя формами поля (гравитационного и электромагнитного) – поток электропроводящей жидкости в электромагнитном поле.

3. Б.Доброборский (2008) предложил классифицировать физические системы также по признаку участия или неучастия химической, атомной и ядерной энергий системы в процессе энергообмена внутри системы. По этому признаку физические системы могут быть активными и пассивными. В активных системах имеет место энергообмен между химической, атомной и ядерной энергиями внутри системы и энергиями существующих в системе других форм движения, в пассивных системах такой энергообмен отсутствует. Изложение идеи наше (И.К.), в оригинальном тексте речь идет о дополнительной классификации термодинамических систем, и формулировка классификации несколько иная, но суть та же. В качестве примера активных систем приводятся системы, в которых в результате химических реакций происходит выделение тепла, например, в двигателе внутреннего сгорания.

6. Перераспределение видов энергии в физических системах

С точки зрения распределения видов энергии (потенциальной, кинетической и диссипации) следует иметь в виду следующее:

А. В непроточных открытых системах в процессе энергообмена дисбаланс потенциальной энергии между системой и окружающей средой преобразуется в перенос энергоносителей, характеризуемый их кинетической энергией, либо вовнутрь системы, либо из нее. Внутри системы изменение кинетической энергии преобразуется в изменение потенциальной энергии по мере выравнивания плотности энергоносителей по всей системе (до равновесного состояния). Процесс перехода кинетической энергии в потенциальную в непроточных открытых системах происходит за конечный промежуток времени. При этом часть кинетической энергии во время переходного процесса переходит в энергию диссипации, остающуюся внутри системы и повышающую ее температуру.

В. Системы-источники и системы-стоки могут быть как непроточными, так и проточными системами, с постоянным переносом энергоносителей через их контрольную поверхность. Они постоянно обмениваются энергоносителями с исследуемой физической системой, а внутри них постоянно происходит перенос энергии различных видов в энергию тепловой формы движения диссипации.

С. Проточные системы при стационарном процессе переноса энергоносителей отличаются отсутствием накопления или сброса потенциальной энергии, они только переносят энергоносителей через себя. На входе в проточную систему в приграничной области потенциальная энергия системы-источника преобразуется в кинетическую, а на выходе происходит обратное преобразование. При этом часть кинетической энергии переходит в энергию тепловой формы движения диссипации и увеличивает количество энергии тепловой формы движения проточной системы.

Примеры различных физических систем из области электромагнетизма, термодинамики, гидродинамики в соответствии с вышеприведенными классификациями приведены в отдельной статье .

Литература

1. Доброборский Б.С., 2008, Об активных и пассивных термодинамических системах. http://interlibrary.narod.ru/GenCat/GenCat.Scient.Dep/GenCatPhysics/150000011/150000011.htm .
2. Коган И.Ш., 2006, Обобщение и систематизация физических величин и понятий. – Хайфа, Изд. Рассвет, 207 с.



© И. Коган Дата первой публикации 01.03.2008
Дата последнего обновления 03.10.2013

Оглавление раздела Предыдущая Следующая