Факультет

Студентам

Посетителям

Неравновесная термодинамика в физической геокриологии

В отличие от классической термодинамики, изучающей закономерности всего многообразия равновесных состояний (процессы тоже рассматриваются как последовательная смена таких состояний), неравновесная термодинамика исследует процессы во времени, и сам факт неравновесности понимается как связь изменения мгновенных состояний термодинамической системы со временем или как наличие неуравновешенных внешних воздействий.

Поэтому неравновесная термодинамика познает наиболее сложные явления природы макроскопического (феноменологического) уровня, все причинно-следственные связи которого нам неизвестны. Заметим, что сложный объект познания часто представляется отдельным исследователям с разных позиций — в соответствии с особенностями их мировоззрения. На этом основании часто и создаются различные теории, разные оценки исследуемых систем.

Современная неравновесная термодинамика имеет несколько направлений, которые интенсивно продолжают развиваться. Наиболее фундаментально — классическое, или онсагеровское, направление. Оно связано с работами зарубежных физиков Л. Онсагера (1931, 1932), И. Пригожина (1945, 1960, 1985) и его школы, а также К. Эккарта (1940), Г. Казимира (1945), Дж. Мейкснера (1959), Л. Вудса (1975). Из других направлений выделяется так называемая школа рациональной неравновесной термодинамики, или термодинамики сред с памятью, возглавляемая физиком К. Трусделлом (1973). Это направление, использующее положения теории поля и механики сплошной среды, развито также в работах зарубежных исследователей Б. Коулмена, У. Нолла, М. Гартина, У. Уильямса, Н. Петрова и Й. Бранкова.

Неравновесная термодинамика, или, как ее еще называют, термодинамика необратимых процессов, очень многогранна. Практически любые физические энергообменные процессы макроскопического уровня могут выступать объектом исследования неравновесной термодинамики. Это позволяет, например, считать, что ее начало было положено работой французского математика и физика, члена Петербургской Академии наук Ж. Фурье «Аналитическая теория тепла», которую он опубликовал в 1822 г., на два года раньше работы Н. Карно. В дальнейшем теория теплопроводности становится одним из наиболее развитых разделов макроскопической теплофизики и неравновесной термодинамики, а для физической геокриологии в настоящее время она — мощный инструмент познания теплообмена почвенно-грунтового комплекса и развития криогенных физико-геологических процессов и явлений.

Не весь комплекс макроскопических процессов пока поддается описанию неравновесной термодинамикой, и сам аппарат науки еще далек от совершенства. Например, хорошо разработанное классическое направление неравновесной термодинамики ограничено в применении вследствие того, что положенный в ее основу принцип локального равновесия некорректен для сильнонестационарных процессов, именуемых иногда процессами вдали от равновесия. В этом смысле направления неравновесной термодинамики, для которых указанный принцип несуществен, представляются наиболее перспективными. И важно то, что неравновесную термодинамику сейчас уже можно понимать как прообраз будущей физической кинетики, объединяющей микро — и макротермию и включающей в виде отдельного раздела классическую равновесную термодинамику.

Можно выделить три типа состояний термодинамических систем с точки зрения увязки со временем: равновесное, стационарное и нестационарное.

Первые два типа представляют собой состояния с вырожденным внутренним (или собственным) временем системы, т. е. когда наблюдатель, помещенный во внутрь такой системы, не сможет заметить никаких изменений в ней со временем. Отличие между этими двумя состояниями заключается только в том, что в первом случае равновесие в системе не вызывает изменений в окружающей среде, тогда как во втором неизменное со временем состояние внутри системы влечет изменения в окружающей среде. Как мы уже говорили, первый тип состояний изучает классическая равновесная термодинамика. Второй же тип состояний, явно отвечающий принципу локального равновесия, описывается классической, или онсагеровской, версией неравновесной термодинамики, называемой иногда линейной.

Третий тип состояний — нестационарное; оно — с непрерывно изменяющимися во времени значениями параметров — самопроизвольно стремится к стационарному (локально равновесному) или к самому предельному — равновесному состоянию, которое является своеобразным аттрактором всяких неравновесных состояний. Нестационарное состояние — наиболее общее и, следовательно, сложное для изучения. Естественные состояния почвенно-грунтового комплекса относятся преимущественно к этому типу — нестационарному, которое, как и стационарное, — неравновесное. Изучение таких состояний, а точнее, процессов, и ставит своей целью неравновесная термодинамика (и в том числе теория теплопроводности) в приложении к физической геокриологии.

В настоящее время большим препятствием для практического использования разных версий неравновесной термодинамики, описывающей сложные взаимосвязанные физические или физико-геологические процессы, стала громоздкая и сложная для физического осмысливания формализация ее математического аппарата. Во многом здесь повинны, например, принципиальная неоднозначность разделения процесса на потоки и силы, а также традиционно сложившийся энтропийный подход. Поэтому уже сейчас известен целый ряд (порядка 10 и более) безэнтропийных подходов в неравновесной термодинамике. На этом основании правомерно ожидать появления и других новых эффективных направлений описания неравновесных процессов, в которые бы энтропия входила как производное понятие и лишь в целях увязки новых положений с уже широко распространившимися.