8142

50

Например, при расширении газа в цилиндре поршневого двигателя изменение (возмущение) давления распространяется в газовой среде со скоростью звука, т.е. скорость релаксации (выравнивания) давления равна звуковой скорости. Скорость же перемещения поршня, а, следовательно, и

скорость изменения давления значительно меньше звуковой. Поэтому этот процесс можно с достаточно большой степенью приближения считать равновесным.

Равновесные процессы являются научной абстракцией, идеализацией реальных процессов, позволяющей изучать свойства термодинамической системы в процессах энергообмена.

Очевидно, что графически изображать можно только равновесные процессы (например, процессы 1-2 на рис. 2.3 и 2.4), ибо каждая точка линии равновесного процесса должна характеризовать определенное равновесное состояние. 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 закон термодинамики разделяет все процессы, допускаемые первым законом, на две группы: 1) процессы возможные и действительно происходящие и 2)

процессы лишь воображаемые, но, в силу законов природы, нереализуемые.

Первую группу образуют процессы необратимые, вторую – процессы обратимые.

Процесс перехода изолированной системы из начального состояния в конечное (прямой процесс) называют обратимым, если возвращение этой системы в начальное состояние (обратный процесс) можно осуществить через те же промежуточные состояния, что и в прямом процессе, но в обратной

51

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

Процессы, не удовлетворяющие этим условиям, являются

необратимыми. Необходимо особо подчеркнуть, что деление процессов на обратимые и необратимые имеет смысл лишь применительно к конечной изолированной системе. Распространение этих понятий на неограниченную или неизолированную систему недопустимо, т.к. может привести к ошибкам в понимании второго 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 процесс 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 состояние, ни по какому-либо другому пути вообще без дополнительного внешнего воздействия (т.е. без «принуждения»). При обратимом процессе система может вернуться в начальное состояние без дополнительного внешнего воздействия 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 исходное состояние самопроизвольно. Обратимый процесс, в частности,

характеризуется 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

52

в начальное состояние, или же величина остающихся во внешней среде конечных изменений после необратимого возвращения системы в начальное состояние.

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 момент полностью определяется внешними параметрами и температурой.

Поэтому 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,

сверхпроводимость и сверхтекучесть).

Любой обратимый процесс должен быть внутренне и внешне обратимым.

Условием внутренней обратимости является равновесность процесса изменения 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

53

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.

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 некомпенсированно в работу, а затем затратить полученную работу на увеличение внутренней 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 необходимо некомпенсированно перевести в работу, которую затем вернуть окружающей среде. Так как некомпенсированный переход теплоты в работу невозможен, процесс расширения газа в пустоту необратим.

54

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 -

диаграммы.

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