Sistem badan atau ringkasnya sistem ialah pengumpulan badan yang sedang dipertimbangkan. Contoh sistem ialah cecair dan wap dalam keseimbangan dengannya. Khususnya, sistem boleh terdiri daripada satu badan.
Mana-mana sistem boleh berbeza negeri, berbeza dalam suhu, tekanan, isipadu, dll. Kuantiti sedemikian yang mencirikan keadaan sistem dipanggil parameter keadaan.
Tidak selalu mana-mana parameter mempunyai nilai tertentu. Jika, sebagai contoh, suhu pada titik yang berbeza badan tidak sama, maka badan tidak boleh diberikan nilai tertentu parameter T. Dalam kes ini negeri dipanggil tiada keseimbangan. Jika jasad sedemikian diasingkan dari jasad lain dan dibiarkan begitu sahaja, maka suhu akan mengambil nilai T yang sama untuk semua titik - jasad akan masuk ke keadaan keseimbangan. Nilai T ini tidak berubah sehingga jasad dikeluarkan dari keadaan keseimbangan oleh pengaruh luar.
Perkara yang sama mungkin berlaku untuk parameter lain, contohnya, untuk tekanan p. Jika anda mengambil gas yang dimasukkan ke dalam bekas silinder, ditutup dengan omboh yang dipasang dengan ketat, dan mula menggerakkan omboh dengan cepat, maka kusyen gas akan terbentuk di bawahnya, tekanan di dalamnya akan lebih besar daripada isipadu gas yang lain. . Akibatnya, gas dalam kes ini tidak boleh dicirikan oleh nilai tekanan tertentu p dan keadaannya akan menjadi tidak seimbang. Walau bagaimanapun, jika anda berhenti menggerakkan omboh, tekanan pada titik yang berbeza dalam isipadu akan menyamai dan gas akan masuk ke dalam keadaan keseimbangan.
Jadi, keadaan keseimbangan sistem adalah keadaan di mana semua parameter sistem mempunyai nilai tertentu yang kekal malar di bawah keadaan luaran yang malar untuk masa yang lama sewenang-wenangnya.
Jika kita memplot nilai mana-mana dua parameter di sepanjang paksi koordinat, maka mana-mana keadaan keseimbangan sistem boleh diwakili oleh satu titik pada graf ini
(lihat, sebagai contoh, titik 1 dalam Rajah 212). Keadaan tidak seimbang tidak boleh digambarkan dengan cara ini, kerana sekurang-kurangnya satu daripada parameter tidak akan mempunyai nilai tertentu dalam keadaan tidak seimbang.
Setiap proses, iaitu, peralihan sistem dari satu keadaan ke keadaan lain, dikaitkan dengan ketidakseimbangan sistem. Akibatnya, apabila sebarang proses berlaku dalam sistem, ia melalui urutan keadaan tidak seimbang. Merujuk kepada proses pemampatan gas yang telah dipertimbangkan dalam kapal yang ditutup oleh omboh, kita boleh membuat kesimpulan bahawa ketidakseimbangan apabila menggerakkan omboh adalah lebih ketara, lebih cepat gas dimampatkan. Jika anda menggerakkan omboh dengan sangat perlahan, maka keseimbangan sedikit terganggu dan tekanan pada titik yang berbeza sedikit berbeza daripada beberapa nilai purata p. Dalam had, jika mampatan gas berlaku secara tidak terhingga secara perlahan, gas pada setiap saat masa akan dicirikan oleh nilai tekanan tertentu. Akibatnya, dalam kes ini, keadaan gas pada setiap saat masa adalah keseimbangan dan proses yang sangat perlahan akan terdiri daripada urutan keadaan keseimbangan.
Proses yang terdiri daripada urutan keadaan keseimbangan yang berterusan dipanggil keseimbangan . Daripada perkara di atas ia mengikuti bahawa hanya proses yang sangat perlahan boleh menjadi keseimbangan, oleh itu proses keseimbangan adalah abstraksi.
Proses keseimbangan boleh digambarkan pada graf lengkung yang sepadan (Gamb.). Proses nonequilibrium secara konvensional digambarkan oleh lengkung bertitik.
Konsep keadaan keseimbangan dan proses keseimbangan memainkan peranan penting dalam termodinamik. Semua kesimpulan kuantitatif termodinamik hanya terpakai untuk proses keseimbangan.
Kami akan memanggil sistem badan atau ringkasnya sistem keseluruhan badan yang sedang dipertimbangkan. Contoh sistem ialah cecair dan wap dalam keseimbangan dengannya. Khususnya, sistem boleh terdiri daripada satu badan.
Mana-mana sistem boleh berada dalam keadaan berbeza, berbeza dalam suhu, tekanan, isipadu, dll. Kuantiti sedemikian yang mencirikan keadaan sistem dipanggil parameter keadaan.
Tidak selalu mana-mana parameter mempunyai nilai tertentu. Jika, sebagai contoh, suhu pada titik yang berbeza badan tidak sama, maka nilai tertentu parameter T tidak boleh diberikan kepada badan Dalam kes ini, keadaan dipanggil tidak seimbang. Jika jasad sedemikian diasingkan daripada jasad lain dan dibiarkan begitu sahaja, maka suhu akan menyamai dan mengambil nilai T yang sama untuk semua titik - jasad akan masuk ke keadaan keseimbangan. Nilai T ini tidak berubah sehingga jasad dikeluarkan dari keadaan keseimbangan oleh pengaruh luar.
Perkara yang sama mungkin berlaku untuk parameter lain, seperti tekanan. Jika anda mengambil gas yang dimasukkan ke dalam bekas silinder, ditutup dengan omboh yang dipasang dengan ketat, dan mula menggerakkan omboh dengan cepat, maka kusyen gas akan terbentuk di bawahnya, tekanan di dalamnya akan lebih besar daripada isipadu gas yang lain. . Akibatnya, gas dalam kes ini tidak boleh dicirikan oleh nilai tekanan tertentu, dan keadaannya akan menjadi tidak seimbang. Walau bagaimanapun, jika anda berhenti menggerakkan omboh, tekanan pada titik yang berbeza dalam isipadu akan menyamai dan gas akan masuk ke dalam keadaan keseimbangan.
Proses peralihan sistem daripada keadaan tidak seimbang kepada keadaan keseimbangan dipanggil proses kelonggaran atau ringkasnya kelonggaran. Masa yang dihabiskan untuk peralihan sedemikian dipanggil masa relaksasi. Masa kelonggaran diambil sebagai masa di mana sisihan awal sebarang nilai daripada nilai keseimbangan berkurangan dengan faktor. Setiap parameter sistem mempunyai masa kelonggaran sendiri. Masa yang paling lama ini memainkan peranan masa kelonggaran sistem.
Jadi, keadaan keseimbangan sistem ialah keadaan di mana semua parameter sistem mempunyai nilai tertentu yang kekal malar di bawah keadaan luaran yang tetap untuk masa yang lama dengan sewenang-wenangnya.
Jika kita memplot nilai mana-mana dua parameter di sepanjang paksi koordinat, maka sebarang keadaan keseimbangan sistem boleh diwakili oleh satu titik pada satah koordinat (lihat, sebagai contoh, titik 1 dalam Rajah 81.1). Keadaan tidak seimbang tidak boleh digambarkan dengan cara ini, kerana sekurang-kurangnya satu daripada parameter tidak akan mempunyai nilai tertentu dalam keadaan tidak seimbang.
Sebarang proses, iaitu, peralihan sistem dari satu keadaan ke keadaan lain, dikaitkan dengan pelanggaran keseimbangan sistem. Akibatnya, apabila sebarang proses berlaku dalam sistem, ia melalui urutan keadaan tidak seimbang. Merujuk kepada proses pemampatan gas yang telah dipertimbangkan dalam kapal yang ditutup oleh omboh, kita boleh membuat kesimpulan bahawa ketidakseimbangan apabila menggerakkan omboh adalah lebih ketara, lebih cepat gas dimampatkan. Jika anda menggerakkan omboh dengan sangat perlahan, maka keseimbangan sedikit terganggu dan tekanan pada titik yang berbeza sedikit berbeza daripada beberapa nilai purata. Dalam had, jika mampatan gas berlaku secara tidak terhingga secara perlahan, gas pada setiap saat masa akan dicirikan oleh nilai tekanan tertentu. Akibatnya, dalam kes ini, keadaan gas pada setiap saat masa adalah keseimbangan, dan proses yang sangat perlahan akan terdiri daripada urutan keadaan keseimbangan.
Satu proses yang terdiri daripada urutan keadaan keseimbangan yang berterusan dipanggil keseimbangan atau kuasi statik. Daripada perkara di atas, hanya proses yang sangat perlahan boleh menjadi keseimbangan.
Jika ia berlaku dengan cukup perlahan, proses sebenar boleh menghampiri keseimbangan sehampir yang dikehendaki.
Proses keseimbangan boleh dijalankan dalam arah yang bertentangan, dan sistem akan melalui keadaan yang sama seperti semasa proses ke hadapan, tetapi dalam urutan terbalik. Oleh itu, proses keseimbangan juga dipanggil boleh balik.
Proses boleh balik (iaitu, keseimbangan) boleh digambarkan pada satah koordinat lengkung yang sepadan (lihat Rajah 81.1). Secara konvensional, kami akan menggambarkan proses tidak boleh balik (iaitu tiada keseimbangan) dengan lengkung bertitik.
Proses di mana sistem, selepas beberapa siri perubahan, kembali kepada keadaan asalnya dipanggil proses atau kitaran bulat. Secara grafik, kitaran diwakili oleh lengkung tertutup.
Konsep keadaan keseimbangan dan proses boleh balik memainkan peranan penting dalam termodinamik. Semua kesimpulan kuantitatif termodinamik hanya terpakai kepada keadaan keseimbangan dan proses boleh balik.
Pendekatan sistematik untuk pemodelan
Konsep sistem. Dunia di sekeliling kita terdiri daripada banyak objek yang berbeza, setiap satunya mempunyai pelbagai sifat, dan pada masa yang sama objek berinteraksi antara satu sama lain. Sebagai contoh, objek seperti planet sistem suria kita mempunyai sifat yang berbeza (jisim, dimensi geometri, dll.) dan, mengikut undang-undang graviti sejagat, berinteraksi dengan Matahari dan antara satu sama lain.
Planet-planet adalah sebahagian daripada objek yang lebih besar - Sistem Suria, dan Sistem Suria adalah sebahagian daripada galaksi Bima Sakti kita. Sebaliknya, planet terdiri daripada atom pelbagai unsur kimia, dan atom terdiri daripada zarah asas. Kita boleh membuat kesimpulan bahawa hampir setiap objek terdiri daripada objek lain, iaitu, ia mewakili sistem.
Ciri penting sistem ini ialah berfungsi secara holistik. Sistem bukanlah satu set elemen individu, tetapi koleksi elemen yang saling berkaitan. Sebagai contoh, komputer ialah sistem yang terdiri daripada pelbagai peranti, dan peranti saling bersambung kedua-dua perkakasan (bersambung secara fizikal antara satu sama lain) dan berfungsi (maklumat ditukar antara peranti).
Sistem ialah koleksi objek yang saling berkaitan yang dipanggil elemen sistem.
Keadaan sistem dicirikan oleh strukturnya, iaitu komposisi dan sifat unsur-unsur, hubungan dan hubungannya antara satu sama lain. Sistem ini mengekalkan integritinya di bawah pengaruh pelbagai pengaruh luaran dan perubahan dalaman selagi ia mengekalkan strukturnya tidak berubah. Jika struktur sistem berubah (contohnya, salah satu elemen dialih keluar), maka sistem mungkin berhenti berfungsi secara keseluruhan. Jadi, jika anda mengalih keluar salah satu peranti komputer (contohnya, pemproses), komputer akan gagal, iaitu, ia akan berhenti wujud sebagai sistem.
Model maklumat statik. Mana-mana sistem wujud dalam ruang dan masa. Pada setiap saat, sistem berada dalam keadaan tertentu, yang dicirikan oleh komposisi unsur, nilai sifatnya, magnitud dan sifat interaksi antara unsur, dan sebagainya.
Oleh itu, keadaan sistem Suria pada bila-bila masa dicirikan oleh komposisi objek yang termasuk di dalamnya (Matahari, planet, dll.), sifat mereka (saiz, kedudukan dalam ruang, dll.), Magnitud dan sifat interaksi antara satu sama lain (daya graviti, dengan bantuan gelombang elektromagnet, dll.).
Model yang menerangkan keadaan sistem pada masa tertentu dipanggil model maklumat statik.
Dalam fizik, contoh model maklumat statik ialah model yang menerangkan mekanisme mudah, dalam biologi - model struktur tumbuhan dan haiwan, dalam kimia - model struktur molekul dan kekisi kristal, dan sebagainya.
Model maklumat dinamik. Keadaan sistem berubah mengikut masa, iaitu, proses perubahan dan pembangunan sistem. Jadi, planet-planet bergerak, kedudukan mereka berbanding Matahari dan satu sama lain berubah; Matahari, seperti mana-mana bintang lain, berkembang, komposisi kimianya, sinaran, dan sebagainya berubah.
Model yang menerangkan proses perubahan dan pembangunan sistem dipanggil model maklumat dinamik.
Dalam fizik, model maklumat dinamik menggambarkan pergerakan badan, dalam biologi - perkembangan organisma atau populasi haiwan, dalam kimia - proses tindak balas kimia, dan sebagainya.
Soalan untuk Dipertimbangkan
1. Adakah komponen komputer membentuk sistem: Sebelum pemasangan? Selepas perhimpunan? Selepas menghidupkan komputer?
2. Apakah perbezaan antara model maklumat statik dan dinamik? Berikan contoh model maklumat statik dan dinamik.
negeri. Konsep keadaan biasanya mencirikan gambar segera, "kepingan" sistem, berhenti dalam pembangunannya. Ia ditentukan sama ada melalui pengaruh input dan isyarat keluaran (hasil), atau melalui sifat, parameter sistem (contohnya, tekanan, kelajuan, pecutan - untuk sistem fizikal; produktiviti, kos pengeluaran, keuntungan - untuk sistem ekonomi).
Oleh itu, keadaan ialah satu set sifat penting yang dimiliki oleh sistem pada masa tertentu.
Keadaan yang mungkin bagi sistem sebenar membentuk set keadaan sistem yang boleh diterima.
Bilangan keadaan (kuasa set keadaan) boleh terhingga, boleh dikira (bilangan keadaan diukur secara diskret, tetapi bilangannya tidak terhingga); kontinum kuasa (keadaan berubah secara berterusan dan bilangannya tidak terhingga dan tidak boleh dikira).
Negeri boleh digambarkan melalui keadaan pembolehubah. Jika pembolehubah adalah diskret, maka bilangan keadaan boleh sama ada terhingga atau boleh dikira. Jika pembolehubah adalah analog (berterusan), maka kuasa adalah kontinum.
Bilangan minimum pembolehubah di mana keadaan boleh ditentukan dipanggil ruang fasa. Perubahan dalam keadaan sistem dipaparkan dalam ruang fasa trajektori fasa.
Tingkah laku. Jika sistem mampu beralih dari satu keadaan ke keadaan lain (contohnya, s 1 →s 2 →s 3 → ...), kemudian mereka mengatakan bahawa ia mempunyai tingkah laku. Konsep ini digunakan apabila corak (peraturan) peralihan dari satu keadaan ke keadaan lain tidak diketahui. Kemudian mereka mengatakan bahawa sistem itu mempunyai beberapa tingkah laku dan mengetahui sifatnya.
Keseimbangan. Keupayaan sistem jika tiada pengaruh luar yang mengganggu (atau dengan pengaruh berterusan) untuk mengekalkan keadaannya untuk jangka masa yang lama. Keadaan ini dipanggil keadaan keseimbangan.
Kelestarian. Keupayaan sistem untuk kembali kepada keadaan keseimbangan selepas ia dikeluarkan dari keadaan ini di bawah pengaruh pengaruh luar (dan dalam sistem dengan unsur aktif - dalaman) yang mengganggu.
Keadaan keseimbangan di mana sistem mampu kembali dipanggil keadaan keseimbangan yang stabil.
Pembangunan. Pembangunan biasanya difahami sebagai peningkatan dalam kerumitan sistem, peningkatan dalam kebolehsuaian kepada keadaan luaran. Akibatnya, kualiti atau keadaan baru objek timbul.
Adalah dinasihatkan untuk membezakan kelas khas membangunkan (mengatur sendiri) sistem yang mempunyai ciri khas dan memerlukan penggunaan pendekatan khas untuk pemodelan mereka.
Input sistemx i- ini adalah pelbagai titik pengaruh persekitaran luaran pada sistem (Rajah 1.3).
Input sistem boleh menjadi maklumat, jirim, tenaga, dll., yang tertakluk kepada transformasi.
Input umum ( X) namakan beberapa (mana-mana) keadaan semua r input sistem, yang boleh diwakili sebagai vektor
X = (x 1 , x 2 , x 3 , …, x k, …, x r).
Keluaran sistemy i– ini adalah pelbagai titik pengaruh sistem pada persekitaran luaran (Rajah 1.3).
Output sistem adalah hasil daripada transformasi maklumat, jirim dan tenaga.
Pergerakan sistem adalah satu proses perubahan yang konsisten dalam keadaannya.
Mari kita pertimbangkan pergantungan keadaan sistem pada fungsi (keadaan) input sistem, keadaannya (peralihan) dan output.
Keadaan sistem Z(t) pada bila bila masa t bergantung kepada fungsi input X(t), serta dari keadaan sebelumnya pada saat-saat tertentu (t– 1), (t– 2), ..., i.e. daripada fungsi keadaannya (peralihan)
Z(t) = F c , (1)
di mana Fc– fungsi keadaan (peralihan) sistem.
Hubungan antara fungsi input X(t) dan fungsi keluar Y(t) sistem, tanpa mengambil kira keadaan sebelumnya, boleh diwakili dalam bentuk
Y(t) = Fв [X(t)],
di mana F dalam– fungsi keluaran sistem.
Sistem dengan fungsi keluaran sedemikian dipanggil statik.
Jika output sistem bergantung bukan sahaja pada fungsi input X(t), tetapi juga pada fungsi keadaan (peralihan) Z( t – 1), Z(t– 2), ..., kemudian
sistem dengan fungsi keluaran sedemikian dipanggil dinamik(atau sistem dengan tingkah laku).
Bergantung pada sifat matematik fungsi input dan output sistem, sistem diskret dan berterusan dibezakan.
Untuk sistem berterusan, ungkapan (1) dan (2) kelihatan seperti:
(4)
Persamaan (3) menentukan keadaan sistem dan dipanggil persamaan keadaan sistem.
Persamaan (4) menentukan keluaran sistem yang diperhatikan dan dipanggil persamaan pemerhatian.
Fungsi Fc(fungsi keadaan sistem) dan F dalam(fungsi output) mengambil kira bukan sahaja keadaan semasa Z(t), tetapi juga negeri sebelumnya Z(t – 1), Z(t – 2), …, Z(t – v) sistem.
Keadaan sebelumnya ialah parameter "memori" sistem. Oleh itu, nilai v mencirikan kelantangan (kedalaman) memori sistem.
Proses sistem ialah satu set perubahan berturut-turut dalam keadaan sistem untuk mencapai matlamat. Proses sistem termasuk:
– proses input;
– proses pengeluaran;
Kuantiti yang mencirikan keadaan sistem , seperti suhu, tekanan, isipadu, dsb., kami akan panggil parameter keadaan .
Kami akan memanggil keadaan sistem tiada keseimbangan , jika sekurang-kurangnya satu daripada parameter keadaan tidak boleh diberikan nilai tertentu .
Jika semua parameter keadaan sistem mempunyai nilai tertentu yang kekal malar di bawah keadaan luaran tetap untuk masa yang lama sewenang-wenangnya, maka keadaan sistem dipanggil keseimbangan .
Konsep itu " nilai-nilai tertentu "menyiratkan bahawa nilai parameter adalah sama di semua titik sistem yang sedang dipertimbangkan . Sebagai contoh, suhu di dalam bilik darjah, secara tegasnya, berbeza pada titik yang berbeza, yang bermaksud tidak mempunyai makna khusus . Adalah tidak boleh diterima untuk mengambil nilai purata sebagai nilai yang pasti. Sekiranya bilik itu diasingkan daripada pengaruh luaran, maka, selepas beberapa ketika, suhu di semua titiknya akan mendatar, dan kemudiannya mungkin untuk bercakap tentang nilai suhu tertentu di dalam bilik. Idea yang sama digunakan untuk tekanan, ketumpatan dan parameter lain keadaan sistem.
Peralihan sistem dari satu keadaan ke keadaan lain dipanggil proses .
Adalah jelas bahawa semasa sebarang proses sistem melalui urutan keadaan tidak seimbang. Walau bagaimanapun, semakin perlahan proses itu, semakin hampir keadaan sistem semasa proses itu kepada keseimbangan. Dalam had, jika proses itu berjalan secara perlahan-lahan, iaitu, ia adalah separa statik, kita boleh menganggap bahawa pada bila-bila masa keadaan sistem adalah keseimbangan.
A-priory keseimbangan dipanggil proses yang terdiri daripada urutan keadaan keseimbangan yang berterusan . Ia adalah jelas bahawa Hanya proses kuasi statik boleh menjadi keseimbangan.
Ciri penting proses keseimbangan ialah ia boleh dijalankan dalam arah terbalik, iaitu dari akhir hingga awal melalui urutan keadaan terbalik, dan akibat daripada proses langsung dan terbalik, tiada perubahan akan berlaku dalam sistem dan badan sekeliling. Oleh itu, proses yang mempunyai sifat ini - dan ia hanya boleh menjadi proses keseimbangan - juga dipanggil boleh balik .
Syarat kuasi-statik, keseimbangan dan boleh balik berhubung dengan proses termodinamik, ia pada asasnya sinonim, tetapi setiap satu daripadanya menekankan ciri pentingnya sendiri bagi proses yang diterangkan.
Pengalaman menunjukkan bahawa sistem yang diasingkan daripada pengaruh luar membuat peralihan daripada keadaan tidak seimbang kepada keadaan keseimbangan. Proses ini dipanggil kelonggaran sistem, dan tempohnya ialah masa bersantai .
Membezakan proses pekeliling s atau kitaran , akibatnya sistem kembali ke keadaan asalnya.
Pada graf, proses keseimbangan digambarkan sebagai lengkung. Secara umum, proses tiada keseimbangan tidak boleh diwakili oleh lengkung, kerana parameter tidak mempunyai nilai yang pasti.
Kami juga ambil perhatian bahawa, dengan tegas berkata kesimpulan kuantitatif termodinamik hanya digunakan untuk keadaan keseimbangan dan proses boleh balik . Walau bagaimanapun, dalam sebilangan besar kes, proses sebenar, yang tidak bermakna keseimbangan, diterangkan dengan ketepatan yang sangat tinggi oleh undang-undang termodinamik.