1.5. Термодинамічний процес
Зміна параметрів системи при переході з одного стану в інший називається термодинамічним процесом. Параметри змінюються завдяки взаємодії системи з навколишнім середовищем, тобто внаслідок обміну енергією з ним. Приклад - рух поршня в циліндрі. Внаслідок передачі деякої кількості механічної енергії система буде стискуватись або розширюватись, тобто будуть змінюватися параметри V, Т і система перейде із одного стану в інший. Система, виведена із стану рівноваги і залишена на саму себе за умови, коли немає взаємодії з навколишнім середовищем, самочинно повертається у стан рівноваги. Процес самочинного повернення у стан рівноваги називається релаксацією. Час, упродовж якого система повертається у рівноважний стан, називається часом релаксації. Час релаксації залежить від фізичних властивостей системи і від параметрів, які змінюються у цьому процесі. Так, зміна параметра р поширюється у газі зі швидкістю механічної хвилі і дорівнює швидкості звуку.
Для вирівнювання температури потрібен значно більший час (від десятка хвилин до кількох годин). Це пояснюється інерційністю процесів обміну теплової енергії при хаотичному русі молекул.
Процес називається рівноважним, якщо параметри змінюються нескінченно повільно у порівнянні зі зміною їх у релаксаційному процесі. Рівноважний процес можна розглядати як послідовний ряд рівноважних станів системи. Ось чому технічна термодинаміка оперує тільки рівноважними процесами, бо тільки такі процеси можна описати чисельно.
Рівноважний процес є, у свою чергу, оборотним. Під оборотним розуміють процес, який проходить як у прямому, так і у зворотному напрямках при тих же параметрах, за умови, що при цьому ніяких змін у навколишньому середовищі і в самій системі не відбувається. Приклад - дуже повільний рух поршня в циліндрі. Система встигає обмінятися енергією з навколишнім середовищем і переходить у рівноважний стан.
Розрізняють термічно та механічно оборотні процеси. Якщо теплова взаємодія між системою і навколишнім середовищем відбувається за нескінченно малої різниці температур (ізотермічний процес), то такий процес є термічно-оборотним. Якщо обмін механічною енергією відбувається за нескінченно малої різниці тисків, то такий процес є механічно оборотним. Якщо процес відбувається за термічної та механічної рівноваги, то такий процес називається повністю оборотним.
Під час теплообміну в термічно-оборотному процесі, що проходить у зворотному напрямку, теплота відводиться при тій же температурі і ніяких змін не відбувається як у самій системі (внутрішня рівновага), так і в навколишньому середовищі (зовнішня рівновага). Якщо теплообмін здійснюється за якоїсь різниці температур, то відбувається необоротне знецінення теплоти, оскільки теплова енергія переходить на нижчий температурний рівень.
Процеси, які відбуваються швидко порівняно з процесами релаксації і йдуть з порушенням рівноваги за наявності різниці температур чи тисків, називаються нерівноважними.
Процеси, які проходять у машинах або в природних умовах тією чи іншою мірою, є нерівноважними. Кількісною мірою нерівноважності є різниця потенціалів між поверхнею системи і навколишнім середовищем. Чим більше відношення потенціалів, тим більший ступінь нерівноважності. В принципі, ступінь нерівноважності може бути як завгодно малим, тобто в граничному випадку нерівноважний процес стає рівноважним. Тому рівноважні процеси називають квазістатичними. Нерівноважні процеси є необоротними, оскільки система проходить різними шляхами в прямому і зворотному напрямках або відбуваються зміни в самій системі чи в навколишньому середовищі.
Практично всі реальні процеси є необоротними. Незважаючи на це, вивчення оборотних процесів має велике практичне значення, тому що дає змогу оцінювати ступінь досконалості процесу.
У технічній термодинаміці вивчаються в основному рівноважні процеси. У випадках, коли будуть розглядатися нерівноважні процеси, про це буде спеціально повідомлятися.