Definición de trabajo en general, no quasistic proceso que implican interacción térmica

Question

Es posible, incluso en teoría, para determinar el trabajo realizado y el calor intercambiado en general, no casiestática proceso?

Situación de ejemplo: Considere un tubo separado en dos lados a y B por un pistón que está inicialmente en una posición fija. El pistón conduce el calor. Inicialmente, el lado a se llena con un fresco, gas de baja densidad y el lado B está vacío. En t=0, se llena rápidamente de la cara B con un gas caliente a una muy alta densidad. Nosotros, a continuación, suelte rápidamente el pistón, causando que se mueve rápidamente hacia el lado de A. Supongamos que el pistón se mueve lo suficientemente rápido que el proceso no puede ser considerado cuasi-estático. Además, suponga que la inicial de la diferencia de temperatura entre los gases es lo suficientemente grande como para asegurar que interactúan térmicamente durante este proceso.

Pregunta: ¿se Puede definir el trabajo realizado en Un en este proceso?

Mi pensamiento: En un no-cuasi-estático proceso, la interacción mecánica causas de los niveles de energía definidos por el Hamiltoniano para el cambio. Al mismo tiempo, la interacción hace que las transiciones entre niveles de energía para producirse. La combinación de estos dos efectos da como resultado un cambio en el promedio de energía del sistema (Una). De acuerdo con Rafa, este cambio de energía se define como el trabajo. Sin embargo, al mismo tiempo, hemos térmica de la interacción entre a y B. Estas interacciones no causan que los niveles de energía de Una a cambio, pero a causa de las transiciones entre niveles de energía.

En cualquier paso del proceso, la mayoría de nosotros podría saber acerca de nuestro sistema es que los niveles de energía y la población de los niveles de energía por un conjunto de sistemas similares. Sin embargo, no veo cómo se puede determinar que las transiciones desde el estado original en el que fueron inducidos por las interacciones mecánicas y que fueron inducidos por la térmica interacciones. Por lo tanto, no veo cómo podemos separar el promedio total de cambio de energía en el trabajo y el calor.

Cualquier luz en este problema, o donde mi pensamiento se fue por mal camino es muy apreciado.

Answer 1

Un proceso irreversible como esto no puede ser cuantificado mediante el equilibrio termodinámica solo. Este proceso implica grandes no uniforme de los gradientes de temperatura y gradientes de velocidad en el gas. Así, los fenómenos de transporte de viscosa transferencia de impulso y conductora de transferencia de calor están presentes. En primer año de la física, hemos aprendido acerca de la transformada de Fourier de la ley de conducción de calor y la ley de Newton de viscosa transmisión del impulso. Para situaciones más complicadas que involucran a la temperatura y gradientes de velocidad que varían con la posición y dirección, necesitamos utilizar el 3D tensorial versiones de estas leyes. Para la transformada de Fourier de la ley, el vector de flujo de calor se expresa en términos de la temperatura del vector gradiente. Por la ley de Newton de viscosa transferencia de impulso, el viscoso tensor de tensiones se expresan en términos de la parte simétrica de la velocidad del tensor gradiente. La nueva propiedad física de los parámetros que intervienen aquí son la conductividad térmica y la viscosidad.

Estas leyes de transporte se sustituyen en una ecuación diferencial parcial denominada el diferencial impulso ecuación de balance y un diferencial de la ecuación de balance energético (el tiempo-dependiente de la primera ley de la termodinámica con los procesos de transporte incluido). Estas ecuaciones, a continuación, nos permiten resolver para las variaciones en la velocidad y de la temperatura con respecto al tiempo y la posición espacial dentro del sistema durante el proceso. Las ecuaciones son por lo general bastante complicado, por lo que normalmente requieren el uso de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) solución numérica.