Круговой процесс

Более сложной астатой, которая включает в себя все рассмотренные ранее, служит круговой процесс, или цикл. Суть любого кругового процесса состоит в том, что система периодически возвращается в исходное состояние. При этом суммарные количества подведенных и отведенных за цикл экстенсоров равны нулю.

Круговые процессы чрезвычайно широко распространены в природе. Например, принято говорить о круговороте воды в природе, о круговороте питательных веществ в почве и т.д. По определенным циклам изменяются свойства планет, звезд, галактик. Циклические изменения наблюдаются в отдельном атоме, живой клетке и т.п. В технике также широко используются круговые процессы. Например, во многих производствах вода участвует в круговом движении. В теплообменных устройствах теплоноситель часто работает в цикле. В тепловых двигателях основной процесс – круговой.

Особенность кругового процесса заключается в том, что в принципе он может совершаться неограниченно долго, в то время как обычный непрерывный процесс вынужден рано или поздно прекратиться. Например, если к системе непрерывно подводить термиор, то она рано или поздно выйдет из строя – расплавится, испарится и т.д. Другая важная особенность кругового процесса связана с тем, что возвращение системы в исходное состояние не обязательно сопровождается возвратом к начальному состоянию окружающей среды. В окружающей среде благодаря круговому процессу могут произойти существенные изменения, в частности может наблюдаться взаимное преобразование активностей различных элат.

В общем виде проблема кругового процесса современными средствами не решается. В настоящее время найдены лишь простейшие специфические законы кругового изменения состояния системы. Рассмотрим некоторые наиболее характерные из них.

Если система располагает несколькими (например, двумя) степенями свободы, то подвод и отвод данного экстенсора может происходить при различных количествах второго. Благодаря имеющейся связи между степенями свободы в результате кругового процесса 1-2-1 система придет в исходное состояние, а в окружающей среде останутся изменения, которые могут быть найдены из выражений

= + = 0; (445)

= 0; = 0. (446)

В общем случае каждая из работ не равна нулю. Такие условия возникают, например, когда первый экстенсор подводится к системе при одном содержании второго, а отводится от нее – при другом. В этом случае

= - ¹ 0 (447)

или

Q₁ = - Q₂ дж, (448)

где

Q₁ = ; Q₂ = .

В результате кругового процесса 1-2-1 в системе не происходит никаких изменений, ибо ее экстенсоры – формула (446), - в, следовательно, интенсиалы и энергия остаются теми же, что были до процесса. В окружающей среде общее количество экстенсоров и энергии тоже не изменяется, но тем не менее в ней происходят изменения, определяемые равенством (448). Чтобы разобраться в физическом смысле этого равенства, перепишем его в виде

DР₁DЕ₁ = - DР₂DЕ₂ дж. (449)

Это равенство говорит о том, что в окружающей среде произошло взаимное преобразование активностей (интенсиалов) элат: часть первого экстенсора в количестве DЕ₁ перешла с нижнего уровня интенсиала Р^”_1ср на верхний Р^’_1ср за счет того, что часть второго экстенсора в количестве DЕ₂ перешла с верхнего уровня интенсиала Р^’_2ср на нижний Р^”_2ср причем

DР₁ = Р^”_1ср - Р^’_1ср; DР₂ = Р^”_2ср - Р^’_2ср. (450)

теперь должно быть до конца ясно, почему неправильно говорить о взаимных преобразованиях самих элат. Элаты определяются экстенсорами и, согласно закону сохранения экстенсора, не могут превращаться одна в другую. Преобразуются только активности элат.

Любопытно отметить, что уравнение (449) напоминает закон диссипации. Оно говорит о том, что в процессе повышения активности первой элаты поглощается экранированного термиора столько же, сколько выделяется при снижении активности второй элаты (разумеется, с учетом температуры рабочего тела).

По этому принципу работают тепловые (Отто, Дизеля, Сабатэ и Ренкина) и иные двигатели. Наиболее эффективное преобразование активностей элат происходит в обобщенном цикле Карно [8, 10, 14].