1.8 Обратимые и необратимые процессы

Под обратимым процессом изменения состояния термодинамической системы будем понимать процесс, который, будучи проведенным в прямом и обратном направлениях, проходит через одни и те же состояния термодинамической системы, не приведет ни к каким энергетическим изменениям, как в самой системе, так и в окружающей среде.

По этому определению обратимость процесса связана не только с возвращением в исходное положение. Это всегда возможно. Не должно произойти никаких энергетических изменений в окружающей среде. Следовательно, для прямого и обратного процесса, если они обратимые, промежуточные состояния при переходе из начального в конечное и обратно должны совпадать. Обратимые процессы всегда состоят из последовательности равновесных состояний. При этом наличие диссипативных моментов недопустимо. Таким образом, обратимые процессы следует рассматривать как предельный случай действительно протекающих необратимых процессов.

Они характеризуются наивысшим совершенством преобразования энергии, то есть отсутствием потерь в энергопреобразованиях. Это идеальные процессы, по которым можно оценить качество и эффективность технических устройств, в чем состоит одна из основных задач технической термодинамики.

1.9 Стационарные поточные процессы

Рис. 1.8 Поточная система Рис. 1.9 Открытая система с потоками

вещества на границах

На практике часто встречаются открытые термодинамические системы с потоком вещества, протекающим через них: турбины, воздушно-реактивные двигатели, компрессоры, насосы так далее (рис. 1.8 и 1.9). Если параметры состояния потока вещества во всей области, ограниченной контрольной поверхностью, не изменяются во времени, то такой процесс называется стационарным поточным процессом. Этот случай наиболее характерен для технических приложений.

Рис. 1.10 Истечение газа

из ограниченного сосуда

(нестационарный процесс)

Другой пример поточной открытой системы – истечение газа из сосуда ограниченной емкости – следует отнести к нестационарным поточным процессам (рис. 1.10). Для такого процесса расход газа через отверстие с сосуде со временем падает.

Условием стационарности поточного процесса является постоянство расхода массы ( , ) – потока массы через контрольную поверхность:

(1.4)

причем не зависит от промежутка времени .

1.10 Круговой процесс или цикл. Прямой и обратный цикл

Если при реализации совокупности нескольких термодинамических процессов система возвращается в свое первоначальное состояние, то имеем пример кругового процесса или цикла (рис. 1.11).

Рис. 1.11 Цикл (круговой процесс)

Циклом называется замкнутый круговой процесс. Если он состоит из равновесных обратимых процессов, то мы имеем случай обратимого кругового процесса, при реализации которого параметры состояния в конце цикла совпадают с их первоначальными значениями. Цикл бывает прямым и обратным. Если процессы расширения расположены над процессами сжатия, то это прямой цикл. Если наоборот, процессы сжатия расположены над процессами расширения, то это обратный цикл. По прямому циклу работают тепловые машины, по обратному холодильные установки.

При прямом цикле площадь, охваченные реализуемыми процессами численно равна работе расширения термодинамической системы. Она совершается ею над окружающей средой и поэтому имеет положительный знак  .

Рис. 1.12 Обратный цикл

При реализации обратного цикла, как видно из рис. 1.12, процессы сжатия расположены над процессами расширения, поэтому работа отрицательна. По таким циклам работают холодильные машины, тепловые насосы и некоторые устройства термостатирования. При этом для возможности реализации таких циклов необходимо работу подводить извне. То есть окружающая среда совершает работу над термодинамической системой и поэтому такая работа расширения отрицательна  .