Обратимые и необратимые процессы

Для расширения представлений о термод. процессах введем понятие обратимого процесса – термод. процесс, совершаемый системой наз. обратимым, если после него можно возвратить сист. и все тела., взаимодействующие с ней, в их начальн. сост. таким обр., чтобы в других телах не возникало каких-либо остаточных изм.

Необходимое условие обратимости терм. процесса – его равновесность, т.е. всякий обрат. процесс всегда явл. равновесным (квазистат). Однако не всякий равновесный процесс явл. обратимым. Напр., квазистат. процесс равномерного движ. по поверхности под действ. силы тяж. и тр. – процесс необратимый.

Пр. обратимого процесса – незатих. колеб. тела в вак., подвеш. на пружине. Система тело-пружина консервативна. Ее мех. колеб. не вызывают никаких измен. в энергии тепл. движ. чистиц сист. изм. состояния сист. связано с измен. ее конфигурации и скор. движ., кот. полностью повторяются через Т.

Пример необрат. процесса – торможение тела под дейст. силы тр. Если сила тр. единственная сила, то скор. тела уменьш и оно останавл. При этом энергия мех движ. тела, как целого уменьш. и расходуется на увел. энергии тепл. движ. частиц тела и среды. Другими словами, за счет нач. кинет. эн. тела (W_к) вырастает внутр эн U тела и среды, нагревающихся при трении ΔU = W_к. Этот прямой процесс протекает самопроизвольно, он идет без каких либо процессов, происх. с окруж. телами. Но для осуществл. обратного проц. возвращ. сист. в исх. сост., необх., чтобы остановившееся тело вновь пришло в движ. за счет энергии, выделившейся при его охлаждении и охлажд. окруж. среды. Известно, что хаотическое движ. тела т.е. U не может самопроизвольно привести к упрощенному движ. всех частиц тела, как целого. Для реализации такого движ. необходим дополнительный, так наз. компенсирующий процесс. Он заключается в охлаждении тела и окр. среды до первонач. Т, т.е. в отдаче ими некоторому др. телу теплоты Q = W_к и в совершении над рассм. телом работы, равной W_к. Поэтому, хотя в результате прямого и обр. проц. система тело-среда возвр. в исход. сост., состояние внешних тел изменяется. (меняется Т, затем соверш. работа, т.е. меняются корд.). След-но, процессы сопровождающ. трением необратимы.

Процесс теплообмена между двумя телами с разной Т приводит к выравниванию средних энергий тепл. движ. частиц обоих тел. Энергия частиц более нагр. тела уменьш., менее нагретого – увел. В итоге Т₁ = Т₂. Процесс идет самопроизв., как только обеспечен контакт между телами. Обратный процесс – нагревание одного тела за счет охлаждения другого, имевшего вначале Т₁ = Т₂, самопризв не протекает. Для него используется холодильное устройство, работа которого приводит к изм. сост. других внешних тел. Значит процесс теплообм. при конечной ΔТ явл. необр. Можно показать, что необр. явл. проц. диффуз. и растворен.

Из всех этих прим. необр. процессов можно сделать общие выводы: Все они в прямом напр. происходят самопроизв., а для осуществл. обр. проц. требуется одновременное протекание компенс. процессов. Все реальные проц. идут с конечной скор. и сопровождаются трением и теплообменом при конечной разности тепл. тел, находящихся в тепл. контакте, значит все реальные проц., стрго говоря, необратимы. Однако в некот. случаях условия протекания пр. таковы, что их приближенно можно считать обратимыми.

Круговые процессы.

В термодин. и в технике большое знач. имеют круговые процессы или циклы – такая совокупности терм. процессов, в рез. кот. сист. возвр. в исх. сост. Равновесные круг. процессы изобр. в диагр. P-V P-T и т.д. в виде замкн. кривых, поскольку началу и концу кругового процесса соотв. одна точка на диагр.

Тело, совершающее круг. процесс и обменивающееся энергией с др. телами наз. раб. телом. Обычно – газ. круг. пр. лежат в основе раб. всех тепл. машин – двигат. внутр. сгор., пар. и газ. турбин, холодильных машин и др. Поэтому одной из главных задач термод. – изуч. круг. процессов.

Произв. равновесный кр. процесс, соверш. из сост. С₁ в сост. С₂ можно усл. разбить на два пр.: расшир. газа из сост. С₁ в сост. С₂ – кривая a и сжатие из сост. С₂ в сост. С₁.

При расш. газ. сов. полож. раб. А₁, кот. измер. площадью V₁C₁aC₂V₂. При сжатии газа внешн. силы сов. над газом полож. раб. А’₂ = -А₂ – площадь V₁C₁bC₂V₂. Из рис. видно, что А₁> А’₂ и равна площ. C₁aC₂bC₁. Этот цикл наз. прямым. Примером м.б. цикл сов. раб. телом в тепл. двиг., где теплота от внешн. ист. поступает к раб. телу и часть ее отдается в виде работы др. телом. Если бы круг. пр. протекал в обр. напр., т.е. против час. стрелки, то сумм. работа, сов. газом за цикл оказалась бы отриц. и измер. бы по прежнему площадью C₁aC₂bC₁. Такой цикл наз. обратным. Примером обр. цикла явл. круг. процесс, сов. раб. телом в холодильной машине. В обр. цикле раб. тело передает теплоту от холл. тела к более нагретому за счет затраты положительной раб. внешних сил.