Файл: Лекция 1.pdf

Термодинамический процесс представляет собой совокупность непрерывно изменяющихся состояний термодинамической системы. Между двумя состояниями 1 и 2 системы можно представить себе два процесса, проходящих по одному и тому же пути: от состояния 1 к состоянию 2 и, наоборот, от состояния 2 к состоянию 1 — так называемые прямой и обратный процессы.

Обратимыми называют процессы, в результате совершения которых в прямом и обратном направлениях термодинамическая система возвращается в исходное состояние; таким образом, совокупность прямого и обратного процессов не вызывает в окружающей среде никаких изменений.

Можно определить понятие обратимого процесса следующим образом: обратимый процесс — это такой процесс, который можно провести в обратном направлении, затрачивая работу, произведенную в прямом процессе. В случае обратимых процессов обратный процесс представляет собой, так сказать, «зеркальное отображение» прямого процесса; если, например, в прямом процессе к системе подводится какое-то количество теплоты, то в обратном процессе от системы отводится точно такое же количество теплоты (и при той же температуре, при которой подводилось в прямом); если в прямом процессе система совершает работу над внешней средой, то в обратном процессе внешняя среда производит над системой работу, равную по абсолютной величине работе в прямом процессе; если в прямом процессе система расширяется, то в обратном процессе имеет место сжатие системы и так далее.

Необратимыми называют процессы, при проведении которых в прямом и затем в обратном направлении система не возвращается в исходное состояние (то есть в ходе процесса в системе происходят изменения, которые отличают ее состояние после проведения обратного процесса от состояния, в котором она находилась до проведения прямого процесса). Из повседневной практики известно, что все естественные самопроизвольные процессы, происходящие в природе, являются необратимыми; обратимых процессов в природе не существует. Типичным примером необратимого процесса, сопровождающего многие процессы в природе, является процесс трения. Работа, затрачиваемая на преодоление трения, необратимо превращается в теплоту, выделяющуюся при трении.

Важно отметить, что любой самопроизвольный (и, следовательно, необратимый) процесс, происходящий в системе, продолжается до тех пор, пока в системе не установится равновесие.

Рассмотрим расширение газа, находящегося в изолированном цилиндре (рис. 1.8). Будем осуществлять процесс расширения с поднятием тела (груза) в поле земного тяготения. Работа, совершаемая газом при перемещении норшня, накапливается в виде потенциальной энергии груза. Если груз затем опустить на прежнюю высоту, то поршень переместится в обратном направлении, и газ снова сожмется.

19

При каких условиях процесс расширения будет обратимым? Газ и поднимающийся в поле сил земного тяготения груз должны вернуться в начальное состояние, причем работа, совершаемая газом при расширении, должна быть в точности равна работе сжатия, затрачиваемой на «обратном пути». Однако это возможно лишь в случае, когда сила, с которой газ при расширении давит вверх па поршень, будет точно такой же, как и сила, с которой поршень сжимает газ. Следовательно, на всех стадиях процесса давление газа и противодавление поршня должны быть точно уравновешены. Изменение состояния при этом может быть только квазистатическим:

обратимый процесс состоит из последовательности равновесных состояний. Кроме квазистатичности изменения состояния для обратимости процесса

необходимо, чтобы на всех этапах процесса отсутствовало трение. При равенстве работ расширения и сжатия энергия не должна затрачиваться на трение между поршнем и цилиндром или в других частях механизма, участвующего в процессе. Должна быть исключена также пластическая деформация деталей механизма, так как затрачиваемая при этом работа не может быть возвращена. Трение, пластическая деформация и им подобные явления объединяются названием диссипативные эффекты.

Таким образом, условиями обратимости процесса являются квазистатичность изменений состояния системы, участвующей в процессе, и отсутствие трения и других диссипативных эффектов.

Обратимые процессы представляют собой, следовательпо, предельные случаи действительно протекающих необратимых процессов.

Квазистатические изменения состояния пе могут быть осуществлены в точности; идеализацией является и полное отсутствие трения. Несмотря на это, изучение обратимых процессов служит важнейшим средством термодинамического исследования. Как видно па примере рассмотренного выше процесса расширения газа, обратимые процессы характеризуются наивысшим совершенством и отсутствием потерь при энергопреобразованиях. Поэтому они оказываются идеальными процессами, по которым можно оценивать качество и эффективность технических установок и устройств; в этом состоит одна из основных задач технической термодинамики.

20