double arrow

Обратимые и необратимые процессы

Обратимым процессом называется такой квазистатический(почти равновесный) процесс, который может быть проведен в обратном направлении через все промежуточные состояния прямого процесса и термодинамической системы(рабочее тело и окружающая среда) и возвратиться в первоначальное состояние. Для того чтобы процесс был обратимым необходимо создать, чтобы в каждый момент рабочее тело находилось в равновесном состоянии и разность температур при любом теплообмене между рабочим телом окружающей средой будет бесконечно малой. Для соблюдения этих условий процесс должен протекать с бесконечно малой скоростью. Естественно, что обратимый процесс является научной гипотезой и практически осуществить его невозможно.

Все реальные процессы являются необратимыми, протекают в одном направлении, без возможности самопроизвольного возвращения термодинамической системы в первоначальное (исходное) состояние.

Классическим примером необратимости процесса является расширение газа в вакууме (рис. 4). Газ с параметрами Р1 и Т1 находятся в левой части теплоизолированного сосуда объемом V1, который разделен на две части,перегороженные краном. Правая часть сосуда вакуумирована. После открытия крана газ расширяется переходит в правую часть. В конце процесса давление в обеих частях сосуда становится одинаковым, объем газа станет равным сумме объемов левой и правой частей сосуда. Возвращение всей массы газа из правой в левую часть сосуда самопроизвольно произойти не может. Чтобы систему привести в исходное состояние необходимо использовать вакуумный насос и компрессор, на привод которых необходимо затратить внешнюю работу. Таким образом, процесс является необратимым.

Рис.4

Если к рабочему телу подвести какое-то количество теплоты dq от источника с температурой Т1, то тело при расширении совершит работу dl против внешних сил. В равновесном процессе температура рабочего тела Т будет равна температуре источника, т. е. Т=Т1, и при расширении тела нет ни внутреннего ни внешнего трения. Тогда работа расширения равна dlравнов. = Pdυ и изменение энтропии dsравнов = dq/T.

В неравновесном процессе, имеет место внутреннее или внешнее трение, то совершаемая работа против сил трения, будет меньше на величину затраченной работы на преодоление трения и переходит в теплоту трения dqтр.

Рабочее тело воспринимает эту теплоту вместе с подведенной теплотой, в результате энтропия возрастает в неравновесном процессе по сравнению с равновесным, хотя к рабочему телу было подведено от источника теплоты одинаковое количество кол-во теплоты dq.

Если нарушение равновесности вызвано различным ускорением поршня или др. деталей механической системы, то возможно появление турбулентностей, завихрений и др. явлений в рабочем теле, затухающих под действием внутреннего трения. Это также способствует уменьшению работы расширения против внешних сил и соответственно возрастанию энтропии. Аналогично влияние неравновесности, будет если температура рабочего тела будет меньше температуры источника Т1. Таким образом неравновесность всегда приводит к увеличению энтропии рабочего тела при том же количестве подведенной теплоты и к потере части работы. Тогда можно записать ; окончательно в неравновесных процессах

(1.72)

Учитывая, что в обратимых процессах , то с учетом I закона dQ=dU+pdV, получим

, (1.73)

Это уравнение называется объединенным уравнением I и II законов термодинамики для обратимых процессов.

Для 1 кг идеального газа это уравнение имеет вид

и после подстановки cp=cv+R и интегрирования, получаем, что

,

принимая получаем для различных процессов:

при Р=const

при V=const

при Т=const

при политропном процессе

Если К>n, то при расширении υ21, ∆S>0 т. е. теплота к телу подводится, а при сжатии υ21 и ∆S<0, т. е. теплота отводится. При n>K в случае расширения – теплота отводится, а в случае сжатия – подводится.

Таким образом изменение энтропии может служить мерой необратимости процесса, которая возрастает с увеличением необратимости.


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



Сейчас читают про: