Термодинамические процессы, их исследование

При изменении хотя бы одного из параметров состояния изменяется состояние термодинамической системы, т. е. происходит термодинамический процесс. Равновесными называются процессы, представляющие собой непрерывную последовательность равновесных состояний системы (эти состояния характеризуются тем, что все части системы имеют одинаковые температуру, давление, концентрацию и пр.).

Если при протекании процесса система не находится в состоянии равновесия, то такой процесс является неравновесным.

Все реальные процессы в большей или меньшей степени неравновесные. Типичным примером неравновесного процесса является сжатие газа в цилиндре с поршнем. При перемещении поршня в первую очередь сжимаются те слои газа, которые находятся вблизи поршня. Затем волна давления распространяется по всему объему газа. Давление газа в каждый момент времени различно в разных точках объема цилиндра. Только при очень медленном перемещении поршня давление газа по всему объему практически будет успевать выравниваться и процесс можно считать близким к равновесному. Таким образом, при стремлении скорости процесса к нулю неравновесный процесс приближается к равновесному. В дальнейшем будут рассмотрены только равновесные
процессы.

Состояние вещества, как уже отмечалось, вполне определяется любыми двумя параметрами и изображается в диаграмме состояния точкой. Например, на рис. 2.5 в диаграмме р, v начальное состояние газа изображается точкой 1 с координатами p₁, v₂.

Процесс перехода газа из состояния 1 в состояние 2 с параметрами р₂, v₂ графически изображается некоторой кривой 1 – 2, каждая точка которой характеризует равновесное состояние газа. Линия 1 – 2, показывающая изменение параметров в процессе, называется кривой процесса. Математическое выражение, описывающее закономерность протекания процесса, называется уравнением процесса.

При исследовании термодинамических процессов необходимо решить следующие задачи:

1) получить уравнение процесса;

2) установить соотношение между параметрами в начале и в конце процесса;

3) изобразить процесс в диаграммах р, v и Т, s;

4) определить работу l и тепло q процесса, а также изменение параметров ∆u, ∆h, ∆s.

Изохорный процесс – это процесс, протекающий при постоянном объеме. Уравнение процесса: v = const. Запишем уравнения состояния для начальной точки процесса 1 и конечной – 2: ; .

Поскольку v₁ = v₂, то после деления второго уравнения на первое получаем соотношение параметров в процессе v = const:

p₂ / p₁ = T₂ / T₁, (2.27)

т. е. при изохорном подводе тепла к идеальному газу его давление и температура изменяются прямо пропорционально.

В р,v-диаграмме изохора представляет собой линию, параллельную оси ординат (рис. 2.6). Площадь под процессом в этой диаграмме характеризует работу, которая для изохорного процесса, как видно из графика, равна нулю. Это же вытекает из уравнения работы расширения: dl = pdv при v = const, dv = 0,
dl = 0.