8390

40

2.4. Термодинамический процесс

Термодинамическим процессом называют протекающее во времени изме-

нение состояния термодинамической системы. Термодинамический процесс ха-

рактеризуется изменением параметров состояния системы.

Причиной возникновения и протекания процесса могут быть энергетиче-

ские или конструктивные (неэнергетические) воздействия на систему.

Энергетическое воздействие заключается в энергообмене (в форме теп-

лоты или работы) между системой и окружающей средой или между отдель-

ными телами внутри системы. Энергетическим воздействием является, напри-

мер, нагревание (охлаждение) газа в закрытом баллоне, в результате чего воз-

никает процесс повышения (понижения) давления газа.

Конструктивное воздействие не связано с энергообменом. Примером конструктивного воздействия является открывание вентиля на баллоне со сжа-

тым газом, в результате чего возникает процесс истечения газа в атмосферу.

Конструктивными воздействиями являются также замыкание электрической цепи; устранение теплоизоляционного слоя; обрывание нити, на которой под-

вешен груз; устранение препятствия на пути круглого тела, расположенного наверху наклонной поверхности, и т.д.

2.4.1. Равновесные и неравновесные процессы

Равновесными являются процессы, состоящие из последовательности равновесных состояний системы. В равновесном процессе термодинамическая система проходит ряд бесконечно близких состояний, каждое из которых явля-

ется равновесным.

Если хотя бы одно из состояний, входящих в термодинамический про-

цесс, неравновесно, весь процесс будет неравновесным.

Понятие процесса связано с изменением термодинамических параметров,

т.е. с наличием пространственного и временного градиентов того или иного па-

раметра. Понятие же равновесного состояния подразумевает равенство и посто-

41

янство одноименных параметров во всем объеме системы. Поэтому равновес-

ные процессы в принципе неосуществимы. Все реальные процессы, протекаю-

щие в материальном мире неравновесны.

Подробное исследование неравновесных процессов методами класси-

ческой (равновесной) термодинамики невозможно из-за неопределенности неравновесного состояния системы и сложности происходящих в ней из-

менений. На основе второго закона термодинамики можно выполнить лишь анализ принципиальных особенностей неравновесных процессов.

Для упрощения, а по сути создания условий термодинамических ис-

следований используют понятие квазистатического равновесного процесса,

т. е. процесса, протекающего с бесконечно малой скоростью, при бесконечно малых градиентах термодинамических параметров.

Если система выведена из состояния равновесия и предоставлена самой себе, то, согласно первому постулату термодинамики, через некоторое время она снова придет в равновесное состояние.

Этот самопроизвольный процесс перехода системы из неравновесного в равновесное состояние называют релаксацией. Промежуток времени, в течение которого система возвращается в равновесное состояние, является временем ре-

лаксации.

Физически бесконечно медленным или равновесным изменением какого-

либо параметра "а" называют такое его изменение со временем "t", когда ско-

рость da/dt значительно меньше скорости а/τ изменения этого параметра при релаксации за время τ протекания последней. Следовательно, равновесные

(квазистатические) процессы подчиняются условию

а неравновесные (нестатические) – условию

Следует отметить, что многие реальные процессы близки к равновесным.

42

Например, при расширении газа в цилиндре поршневого двигателя изме-

нение (возмущение) давления распространяется в газовой среде со скоростью звука, т.е. скорость релаксации (выравнивания) давления равна звуковой скоро-

сти. Скорость же перемещения поршня, а, следовательно, и скорость изменения давления значительно меньше звуковой. Поэтому этот процесс можно с доста-

точно большой степенью приближения считать равновесным.

Равновесные процессы являются научной абстракцией, идеализацией ре-

альных процессов, позволяющей изучать свойства термодинамической системы в процессах энергообмена.

Очевидно, что графически изображать можно только равновесные про-

цессы (например, процессы 1-2 на рис. 2.3 и 2.4), ибо каждая точка линии рав-

новесного процесса должна характеризовать определенное равновесное состоя-

ние. Неравновесные же состояния, как показано выше, не имеют графической интерпретации.

2.4.2. Обратимые и необратимые процессы

Деление процессов на обратимые и необратимые вытекает непосред-

ственно из содержания второго закона термодинамики. Этот закон определяет

невозможность протекания таких процессов, составной частью которых являлся бы некомпенсированный переход теплоты в работу. Следовательно, второй за-

кон термодинамики разделяет все процессы, допускаемые первым законом, на две группы: 1) процессы возможные и действительно происходящие и 2) про-

цессы лишь воображаемые, но, в силу законов природы, нереализуемые. Первую группу образуют процессы необратимые, вторую – процессы обратимые.

Процесс перехода изолированной системы из начального состояния в ко-

нечное (прямой процесс) называют обратимым, если возвращение этой системы в начальное состояние (обратный процесс) можно осуществить через те же про-

межуточные состояния, что и в прямом процессе, но в обратной последователь-

ности, и при этом в окружающей среде не произойдет каких-либо изменений.

43

Процессы, не удовлетворяющие этим условиям, являются необратимы-

ми. Необходимо особо подчеркнуть, что деление процессов на обратимые и не-

обратимые имеет смысл лишь применительно к конечной изолированной си-

стеме. Распространение этих понятий на неограниченную или неизолирован-

ную систему недопустимо, т.к. может привести к ошибкам в понимании второ-

го закона термодинамики.

Поскольку здесь речь идет об изолированных системах, рассматриваемые процессы являются изоэнергетическими, т.е. протекающими при постоянной полной энергии всей системы в целом. Так как любой термодинамический про-

цесс является процессом энергообмена, в данном случае энергообмен возможет только между различными частями или телами внутри изолированной системы.

При этом термодинамическая система может быть расширенной, т.е. включать в себя окружающую среду, вокруг которой имеется оболочка, непроницаемая для потоков энергии.

При необратимом процессе система не может быть возвращена в ис-

ходное состояние ни по тому же пути, по которому она пришла в конечное со-

стояние, ни по какому-либо другому пути вообще без дополнительного внеш-

него воздействия (т.е. без «принуждения»). При обратимом процессе система может вернуться в начальное состояние без дополнительного внешнего воздей-

ствия на нее, т.е. при обратной последовательности тех же изменений внешних условий, что и в прямом процессе.

Изолированная система при обратимом процессе может вернуться в ис-

ходное состояние самопроизвольно. Обратимый процесс, в частности, характе-

ризуется тем, что произведенной в течение этого процесса работы достаточно для того, чтобы возвратить систему в начальное состояние без изменения внешних условий (внешней среды). Отсюда следует, что мерой необратимости процесса может служить величина дополнительного внешнего воздействия

(например, работы), которая необходима для возвращения системы в начальное состояние, или же величина остающихся во внешней среде конечных измене-

ний после необратимого возвращения системы в начальное состояние.

44

Ниже будет показано, что универсальной мерой необратимости процесса является изменение энтропии изолированной системы.

Очевидно, что всякий равновесный (квазистатический) процесс обратим.

Действительно, при равновесном процессе состояние системы в каждый мо-

мент полностью определяется внешними параметрами и температурой. Поэто-

му при равновесных изменениях этих параметров в обратном порядке система также в обратном порядке пройдет все промежуточные состояния и придет в начальное состояние, не вызвав никакого изменения в окружающей среде.

Следовательно, обратимыми могут только равновесные процессы, и

наоборот, каждый равновесный процесс обратим.

Всякий необратимый процесс является неравновесным. Следовательно,

причиной необратимости является неравновесность. Обратное заключение в общем случае не имеет силы: существуют, хотя и весьма немногочисленные,

неравновесные процессы, которые являются обратимыми (например, сверхпро-

водимость и сверхтекучесть).

Любой обратимый процесс должен быть внутренне и внешне обратимым.

Условием внутренней обратимости является равновесность процесса измене-

ния состояния термодинамической системы. Условием внешней обратимости является равенство (или бесконечно малая разность) температур системы и окружающей среды в случае любого теплообмена между ними.

Если система имеет упругие деформируемые границы, т.е. может из-

менять свой объем, условием внешней обратимости также является равенство давлений внутри системы и в окружающей среде.

Можно привести следующие примеры необратимых процессов:

1. Движение с трением. В результате трения часть механической энергии движения расходуется на нагревание трущихся тел и окружающей среды. При обратном процессе движущемуся телу необходимо вернуть в виде работы часть энергии, затраченную на преодоление трения и перешедшую в теплоту. Однако некомпенсированный переход теплоты в работу невозможен, поэтому процесс движения с трением необратим.

45

2. Теплообмен при конечной разности температур (переход энергии в форме теплоты от более нагретого к менее нагретому телу). В этом случае для возвращения системы в исходное состояние без изменения окружающей среды необходимо отнять теплоту у холодного тела, превратить ее некомпен-

сированно в работу, а затем затратить полученную работу на увеличение внут-

ренней энергии нагретого тела. Поскольку некомпенсированное превращение теплоты в работу невозможно, процесс теплообмена при конечной разности температур необратим.

3. Расширение газа в пустоту. При таком расширении газ не совершает работу из-за отсутствия объекта последней. Поэтому внутренняя энергия и температура газа сохраняются постоянными. Для возвращения газа в исходное состояние его надо изотермически сжать, затратив внешнюю энергию в виде работы сжатия, с отводом теплоты, равной по величине работе сжатия. Чтобы в окружающей среде не произошло изменений, отведенную от газа теплоту необ-

ходимо некомпенсированно перевести в работу, которую затем вернуть окру-

жающей среде. Так как некомпенсированный переход теплоты в работу невоз-

можен, процесс расширения газа в пустоту необратим.

46

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1.Что изучает техническая термодинамика?

2.Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.

3.Основные постулаты термодинамики.

4.Основные этапы истории развития термодинамики.

5.Полная, внешняя и внутренняя энергия тела.

6.Физическая сущность работы и теплоты.

7.Что такое эксергия?

8.Дайте определение термодинамической системы.

9.Основные зависимости по определению объёма, плотности, давления и

температуры тела.

10.Укажите связь между шкалами Кельвина и Цельсия?

11.Внешние и внутренние термодинамические параметры.

12.Укажите колористические и термические уравнения простой системы.

13.Напишите термические уравнения простой системы.

14.Изображение термодинамических процессов при помощи p, v - диа-

граммы.

15.Напишите уравнение Клапейрона-Менделеева.

16.Что такое термодинамический процесс?

17.Какие процессы называют равновесными и неравновесными?

18.Дайте определение обратимого и необратимого процессов.

19.Приведите примеры необратимых процессов.

2.1.Энергия и энергообмен…………………………………………….. 17

2.1.1.Работа и теплота как формы энергообмена………………….. 19

2.1.2. Эксергия и энергия…………………………………………… 21

2.2.Термодинамическая система………………………………………. 22

2.2.1.Состояние системы……………………………………………. 24

2.3.Уравнения состояния………………………………………………. 34

2.4.Термодинамический процесс……………………………………….. 40