Обратимые и необратимые процессы в термодинамике

      Здравствуйте! Термодинамический процесс представляет собой непрерывное изменение состояния системы, происходящее в результате взаимодействия ее с окружающей средой. Внешним признаком процесса является изменение хотя бы одного из параметров состояния.

      Реальные процессы изменения состояния протекают при значительных скоростях и разностях потенциалов (температур и давлений) между системой и средой. В этих условиях возникает сложное неравномерное распределение параметров и функций состояния по объему системы, которая находится в неравновесном состоянии. Термодинамические процессы, при которых система проходит через ряд неравновесных состояний, принято называть неравновесными.

      Изучение неравновесных процессов представляет собой сложную задачу, так как разработанные в термодинамике методы приспособлены главным образом для исследования равновесных состояний. Например, неравновесный процесс весьма сложно рассчитать с помощью уравнений состояния газа, которые применимы для равновесных условий, когда по всему объему системы давление и температура имеют одинаковые значения. Можно было бы выполнить приближенный расчет неравновесного процесса, подставляя в уравнение средние значения параметров состояния, однако в большинстве случаев осреднения параметров по объему системы невозможно осуществить.

      В технической термодинамике при изучении реальных процессов условно принимают, что параметры состояния равномерно распределены в системе. Это позволяет пользоваться уравнениями состояния и другими расчетными формулами, которые получены для равномерного распределения параметров в системе. В некоторых случаях погрешности, обусловленные таким упрощением, невелики и при расчете реальных процессов их можно не учитывать. Если вследствие неравномерности процесс существенно отличается от идеализированной равновесной модели, то в расчет вносят соответствующие поправки.

     Условия равномерного распределения параметров в системе при изменении ее состояния, по существу означают, что в качестве объекта исследования взят идеализированный процесс, состоящий из бесконечно большого числа равновесных состояний. Такой процесс можно представить как протекающий настолько медленно, что в каждый момент времени в системе успевает установиться практически равновесное состояние. Степень приближения этого процесса к равновесному будет тем больше, чем меньше скорость изменения системы. В пределе приходим к бесконечно медленному процессу, который представляет собой непрерывную смену состояний равновесия. Такой процесс равновесного изменения состояния называют квазистатическим (как бы статическим).

     Квазистатическому процессу соответствует бесконечно малая разность потенциалов между системой и окружающей средой. Например, при квазистатическом процессе разность Δp давлений в системе и в среде должна быть намного меньше давления p в системе:

Δp/p << 1

Квазистатический процесс поддерживается только влиянием внешних воздействий, разобщение системы с окружающей средой мгновенно его обрывает. Для изменения направления процесса достаточно бесконечно малого изменения внешнего потенциала. Например, уменьшение давления окружающей среды от p + Δp до p – Δp (где p → 0) приводит к изменению направления процесса и увеличению объема системы.

      При обратном направлении квазистатического процесса система будет проходить через те же состояния, что и в прямом процессе. Это свойство квазистатических процессов называется обратимостью, а сами процессы называют обратимыми.

      Теоретическое изучение обратимых процессов, протекающих в идеальных условиях, имеют большое практическое значение, в частности исследование их позволяет установить пути и пределы повышения экономичности реальных тепловых двигателей.

     Если разность Δp относительна велика и выполняется условие:

Δp ≈1,

то система проходит через ряд неравновесных состояний. Неравновесные процессы являются необратимыми, так как в этих условиях обычно имеет место трение, что приводит к выделению теплоты или к переходу ее от более нагретых тел к телам с меньшей температурой. Обратный самопроизвольный переход теплоты в соответствии со вторым законом термодинамики невозможен, как и невозможно самопроизвольное превращение теплоты трения в работу.

     Таким образом, в результате неравновесного процесса в системе и окружающей среде возникают необратимые изменения. Если изменить разность потенциалов между системой и средой и осуществить процесс в обратном направлении, то система будет проходить уже через другие состояния, отличные от пройденных в прямом неравновесном процессе. Закономерности, которым подчиняются эти состояния, изучаются в термодинамике необратимых процессов. В классической термодинамике исследуются лишь обратимые (квазистатические) процессы.

      Выражение ds = ds/T для энтропии справедливо лишь при обратимых процессах. Если же в системе происходит необратимый процесс, например выделяется теплота трения Δqтр, то изменение энтропии составит

ds = (dq + Δqтр)/T > Δq/T

Поэтому для необратимых процессов вместо соотношения ds = ds/T следует писать неравенство

ds > ds/T,

что затрудняет использование энтропии при исследовании и расчете реальных необратимых процессов.Исп. литература: 1) Основы теплоэнергетики, А.М. Литвин, Госэнергоиздат, 1958. 2)Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,"Вышейшая школа", 1976. 3) Теплотехника, изд.2, под общей ред. И.Н.Сушкина, Москва «Металлургия», 1973.


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *