15. Равновесные и неравновесные состояния. Обратимые и необратимые процессы

Как известно, состояние системы определяется её параметрами р, V, T, которые связаны между собой уравнением Клапейрона – Менделеева. Весьма существенным является вопрос о том, является ли данное состояние системы равновесным или неравновесным. Равновесными называются такие состояния системы, при которых характеризующие систему параметры могут оставаться неизменными сколь угодно долгое время без каких-либо влияний извне. Если эти условия не выполняются, состояние системы называется неравновесным. Из определения неравновесного процесса следует, что неравновесное состояние нельзя изобразить графически. Процесс, происходящий в системе, всегда связан с рядом неравновесных состояний. Однако, всегда можно представить такое протекание процесса, что для каждого момента времени каждый из параметров состояния имеет определённое значение, а изменение параметров происходит настолько медленно, что в течение любого бесконечно малого промежутка времени система может считаться равновесной. Такой бесконечно медленно протекающий процесс является равновесным процессом, он состоит из ряда равновесных состояний, и его можно изобразить графически.

При термодинамическом методе исследования одним из важных понятий является понятие обратимого процесса. Термодинамический процесс называется обратимым, если он допускает возвращение системы в исходное состояние без каких-либо изменений в окружающей среде. Всякий процесс, не удовлетворяющий этому условию, называется необратимым.

Примером обратимого процесса могут служить незатухающие колебания, совершаемые в вакууме телом, подвешенным на абсолютно упругой пружине. Через промежутки времени, равные периоду колебаний, состояние системы повторяется. Система является изолированной, поэтому происходящие в ней изменения не изменяют состояние окружающих тел. Таким образом, этот процесс является обратимым.

В термодинамике доказывается, что необходимым и достаточным условием обратимости процесса является его равновесность. Равновесный процесс состоит из непрерывной цепочки равновесных состояний.

Примером необратимого процесса служит торможение тела в результате трения. При этом за счёт кинетической энергии направленного движения тела увеличивается внутренняя энергия тела и окружающей среды. Этот прямой процесс протекает самопроизвольно, для его осуществления не требуется никаких внешних затрат. Иначе обстоит дело с обратным процессом. Опыты показывают, что хаотическое движение частиц тела не может самопроизвольно превратиться в направленное движение тела. Для того чтобы остановившееся в результате торможения тело вернулось в исходное состояние, т.е. стало направленно двигаться как целое, необходим дополнительный, так называемый, компенсирующий процесс. Этот процесс должен заключаться в охлаждении тела и среды до первоначальной температуры, т.е. в отдаче ими какому-либо телу теплоты и в совершении над телом работы. Поэтому, хотя в результате прямого и обратного процессов система тело – среда и возвратится в исходное состояние, состояния внешних тел изменятся. Следовательно, все процессы, сопровождающиеся трением, являются необратимыми.

Известно, что процесс теплообмена между двумя телами с разными температурами ведёт к выравниванию их температур. Этот процесс протекает самопроизвольно. Однако обратный процесс – нагревание одного тела за счёт охлаждения другого тела, имеющего такую же температуру, что и первое тело, самопроизвольно не протекает. Для его осуществления необходимо использовать холодильную машину, работа которой неизбежно сопряжена с изменениями в окружающей среде. Следовательно, процесс теплообмена при конечной разности температур также является необратимым.

Аналогично можно показать необратимость процессов растворения, диффузии и пр.

Из рассмотренных примеров необратимых процессов видно, что в одном направлении они протекают самопроизвольно, а для возвращения системы в

начальное состояние необходимо совершить компенсирующий процесс.

Все реальные процессы протекают не бесконечно медленно, а с конечными скоростями. Следовательно, они сопровождаются трением, совершаются при конечной разности температур. Потому все реальные процессы необратимы.

15. Круговые процессы.

    Принцип действия тепловой и холодильной машины

    Если система из состояния 1 переводится в состояние 2, а затем через другие промежуточные состояния возвращается в состояние А, то совершается круговой процесс или цикл. На диаграмме процессов р – V, p – T и др. цикл изображается замкнутой кривой (рисунок 60).

Круговые процессы лежат в основе всех тепловых установок: двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, тепловых и холодильных машин и т.п. Поэтому изучение свойств различных круговых процессов является одной из важнейших задач физики. Мы ограничимся установлением лишь некоторых общих закономерностей таких процессов. Тело, совершающее круговой процесс и обменивающееся энергией с другими телами, называется рабочим телом. В качестве рабочего тела может выступать газ. Рассмотрим произвольный круговой процесс 1а2b, совершаемый идеальным газом (рисунок 60). Его можно разбить на два процесса – расширение из состояния 1 в состояние 2 (1а2) и сжатие из состояния 2 в состояние 1 (2b1). При расширении газ совершает положительную работу А₁, которая измеряется

п лощадью криволинейной трапеции V₁1а2V₂. Работа газа при сжатии А₂ отрицательна и определяется площадью криволинейной трапеции V₁1 b 2V₂. Из чертежа видно, что А₁  А₂. Поэтому в целом за цикл газ совершает положительную работу А = А₁ – А₂. Эта работа измеряется площадью замкнутой кривой 1а2 b. Рассмотренный цикл называется прямым циклом.

Если процесс протекает в обратном направлении (рисунок 61), то работа, совершаемая газом при расширении А₁ (площадь V₁1а2V₂ ), окажется меньше, чем работа внешних сил по сжатию газа А₂ (площадь V₁1b2V₂). Так как А₂ < 0, то в целом за цикл газ совершает отрицательную работу А = А₁ – А₂. Такой цикл называется обратным циклом.

Рассмотрим подробнее прямой цикл. При расширении от состояния 1 до состояния 2 рабочее тело получает теплоту Q₁ (Q₁  0). При этом газ совершает положительную работу А₁, и его внутренняя энергия изменяется от значения U₁ до U₂. По первому началу термодинамики имеем:

Q₁ = U₂ - U₁ + A₁ (4.69)

При сжатии над рабочим ве­ществом совершается работа А´₂ ( газ совершает работу –А₂) и при этом оно отдает холодильни­ку количество теплоты Q₂. По первому началу термодинамики

- Q₂ = U₁ - U₂ – A₂ . (4.70)

Из уравнений (4.69) и (4.70), получим

_{Q1 – Q2 = A1 – A2. (4.71)}

Так как А₁  А₂ и A₁ – A₂  0, то и Q₁ Q₂ . Таким образом, за счёт теплоты Q₁ – Q₂ , полученной за цикл, газ совершил работу А. Поэтому прямой цикл представляет собой принцип действия тепловой машины. Согласно принятой терминологии, тело, которое отдаёт теплоту Q₁ рабочему телу, называется нагревателем. Тело, забирающее теплоту Q₂ от рабочего тела, называется холодильником.

Можно показать, что при обратном цикле Q₂  Q₁, Q₁ – Q₂ = A₁ – A₂ < 0. Таким образом, при обратном цикле над системой совершается работа по отнятию от неё тепла. Поэтому обратный цикл представляет собой принцип действия холодильной машины.

Из при ведённого рассмотрения следует, что не вся теплота, полученная от нагревателя Q₁ используется для совершения полез­ной работы А, а лишь её часть Q₁– Q₂. Теплота Q₂ теряется – отдаётся холодильнику. Поэтому тепловая машина характеризуется коэффи­циентом полезного действия( к.п.д.).

Коэффициент полезного действия показывает, какая доля теплоты, отданная рабочему телу, превращается в работу. К.п.д. численно равен отношению работы А, совершаемой за цикл, к получаемой за цикл теплоте Q₁:

. (4.72)