Термодинамическое определение
Процессы, протекающие в системах, удаленных от состояния термодинамического равновесия. В таких системах параметры (температура, давление) не имеют единых значений для всего объема или меняются во времени быстрее, чем успевают выровняться.
Близкие слова
- необратимые процессыБолее широкое понятие, включающее любые процессы с ростом энтропии, тогда как неравновесные акцентируют внимание на отсутствии равновесия.
- диссипативные процессыПодчеркивают рассеяние энергии (диссипацию), характерное для неравновесных систем.
При быстром сжатии газа в цилиндре двигатель работает в режиме неравновесных процессов, так как температура внутри цилиндра неоднородна.
Остывание горячего чая на столе является примером неравновесного процесса теплопередачи.
Контекст открытых систем
Изменения, происходящие в системах, обменивающихся энергией и веществом с внешней средой. Именно неравновесность позволяет возникать сложным структурам и поддерживать жизнь, несмотря на второй закон термодинамики.
Близкие слова
- процессы самоорганизацииЧастный случай неравновесных процессов, приводящих к возникновению порядка в открытых системах.
Живой организм поддерживает свою структуру только за счет непрерывных неравновесных процессов обмена веществ.
Ураган представляет собой гигантский неравновесный процесс в атмосфере, питаемый разницей температур.
Отличие от равновесных процессов
Равновесный процесс — это идеализация, предполагающая бесконечно медленное изменение состояния, при котором система проходит через последовательность состояний равновесия. В реальности такие процессы невозможны.
Неравновесные процессы всегда конечны по скорости и вызывают возникновение потоков (тепла, вещества). Ключевое различие заключается в том, что при неравновесном процессе невозможно точно описать состояние системы одним набором параметров, так как они варьируются от точки к точке.
Роль градиентов и потоков
Движущей силой неравновесного процесса является градиент — перепад какой-либо величины. Градиент температуры вызывает теплопроводность, градиент концентрации — диффузию, градиент давления — течение жидкости.
Чем больше отклонение системы от равновесия, тем интенсивнее протекают процессы выравнивания этих градиентов. В линейной области (близко к равновесию) эти зависимости описываются законами Фурье, Ома и Фика.
Структуры далеко от равновесия
Когда система сильно удалена от равновесия, линейные законы перестают работать. Возникают нелинейные эффекты и самоорганизация: из хаоса могут спонтанно возникать упорядоченные структуры (диссипативные структуры).
Классическим примером являются ячейки Бенара — правильные шестигранные конвекционные ячейки, возникающие в слое жидкости при сильном нагреве снизу. Это доказывает, что неравновесность может быть источником порядка.