Обратимые и необратимые процессы

Термодинамическим процессом называется последовательное изменение состояния рабочего тела, при котором параметры его состояния (все или некоторые) изменяются, а масса рабочего тела, совершающего процесс, остается неизменной.

В термодинамике широко используется диаграмма, в которой по оси абсцисс откладываются значения удельных объемов v, а по оси ординат — значения давлений р.

По координатам р и v можно определить состояние рабочего тела.

Если тело перешло из состояния 1 в состояние 2 через ряд состояний а, b, с и др., то это означает, что тело совершило термодинамический процесс. Проведя через эти точки кривую, получим линию процесса на р—v диаграмме (рис. 3).

Рис. 3. р—v диаграмма

При изменении своего состояния газ совершает работу против внешних сил (процесс расширения) или воспринимает работу этих внешних сил (процесс сжатия).

Если подводить к газу теплоту, то поршень (рис. 4) в результате расширения газа переместится слева направо, и газ совершит работу при постоянном давлении:

где р — постоянное давление газа;

F — площадь поршня;

S — ход поршня,

v₁, v₂ — начальный и конечный объемы газа.

Рис. 4. Работа расширения газа: а — при р = const;
б — при переменном давлении, ∆L = Σ p ∆ v

В p—v диаграмме эта работа изображается площадью заштрихо­ванного прямоугольника.

Если рассмотреть произвольный процесс, то очевидно элементарную работу расширения ∆ L можно подсчитать как площадь элементарного прямоугольника с основанием ∆ v и высотой р, а вся работа будет равна сумме площадей таких прямоугольников.

Таким образом, работа расширения газа будет равна площади, ограниченной сверху кривой процесса, снизу — осью абсцисс, а слева и справа двумя крайними ординатами процесса, соответствующими начальному и конечному состояниям газа.

Работа не является только функцией состояния газа, так как она зависит и от характера процесса.

На рис. 5 показаны два различных процесса перехода газа из со­стояния 1 в состояние 2. Работы этих процессов не равны при одинаковых начальных и конечных состояниях газа: L₁ = s _m1а2п > L ₂ = s _m1b2n (s — площадь).

Рис. 5. Два различных процесса расширения газа

Это свойство работы как функции процесса и позволило создать периодически действующие тепловые машины. В тепловом двигателе работа расширения всегда больше работы, затраченной на сжатие. Полученная таким образом разность работ (согласно первому закону термодинамики эквивалентна применяемой в двигателе теплоте) используется для различных целей.

Обратимыми называются процессы, в результате совершения которых в прямом и обратном направлениях термодинамическая система возвращается в исходное состояние.

В случае обратимых процессов обратный процесс представляет собой «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 (рис. 6).

Рис. 1.6. p—v диаграмма обратимого процесса

Необратимым называется процесс, при котором система не возвращается в исходное состояние.

Все естественные самопроизвольные процессы необратимы. Обратимых процессов в природе не существует. Типичным примером необратимого процесса является процесс трения. Работа, затраченная на преодоление трения, превращается в теплоту.

Рабочее тело может произвести работу только при переходе из неравновесного состояния в равновесное. На рис. 7, а представлена схема перехода газа из неравновесного состояния в равновесное. Предварительно сжатый газ находится в цилиндре под застопоренным поршнем в неравновесном состоянии под давлением р ₁. Давление окружающей среды р значительно меньше, чем давление газа. При удалении стопора G поршень начнет перемещаться вправо из-за разности давлений.

Рис. 7. Схема перехода газа из неравновесного состояния (а) в равновесное (б)

Поршень будет перемещаться только до тех пор, пока давление под поршнем не станет равно давлению окружающей среды (рис. 7, б), т. е. работа будет совершаться до тех пор, пока система не придет в состояние равновесия.