Необратимые и обратимые процессы. Круговой процессНапомним, что процессом называют переход системы из одного состояния в другое. Процесс, состоящий из непрерывной последовательности равновесных состояний, называется равновесным процессом. Равновесное состояние на графике изображают точкой, а равновесный процесс – кривой линией. Пусть состояние, обозначенное на PV-диаграмме точкой N, соответствует равновесному состоянию с параметрами P2, V2, T2, а система переходит из состояния M (P1,V1,T1) в состояние N (P2,V2,T2) (рис.60).
Процесс MN, изображенный на графике, представляет собой естественный процесс, как например, выравнивание давления в массе газа при его расширении без воздействия внешних сил. Примером естественного процесса в механике является понижение центра тяжести тела. В том и другом примере система самопроизвольно стремится перейти в состояние, в котором ее энергия будет наименьшей. Процесс NM, является искусственным процессом, так как система из состояния N в состояние M может перейти только при посредстве внешнего воздействия, при наличии компенсирующего процесса (например, сжатия газа, аналогичного подъему тела на высоту). Примеры компенсирующего процесса: 1. В процессе торможения под действием сил трения энергия движения тела вследствие нагревания превратилась в энергию хаотического движения молекул тела и окружающей среды. Для осуществления такого движения необходим дополнительный компенсирующий процесс охлаждения тела и окружающей среды, в результате которого в окружающей среде произойдут изменения. 2. Прямой процесс теплообмена, т.е. передача тепла от тела более нагретого к телу менее нагретому, происходит самопроизвольно. Обратный процесс – нагревание одного тела за счет другого, если они оба имеют одинаковую температуру, самопроизвольно проходить не может. Для его осуществления требуется холодильное устройство, которое приводит к изменениям в окружающей среде. Процесс MN называют прямым и естественным, а процесс NM – обратным и искусственным. Если после завершения прямого и обратного процессов система вернулась в первоначальное состояние и в окружающей среде остались изменения, то такой процесс называется необратимым, если же в окружающей среде изменений не произошло, то такой процесс называют обратимым. Все естественные процессы необратимы, т.к. они сопровождаются такими необратимыми процессами, как теплопроводность, лучеиспускание, трение и др. Однако, на практике некоторые процессы с известным приближением можно считать обратимыми. Очень медленно (в идеальном случае бесконечно медленно) протекающий процесс является обратимым. При обратимом процессе система проходит обратный путь через те же самые равновесные состояния, что и прямой. Практический интерес представляют круговые процессы или циклы. Круговым процессом, или циклом называют такой процесс, при котором термодинамическая система, выйдя из исходного состояния, проходит ряд промежуточных состояний и снова возвращается в исходное состояние. Циклически работают тепловые машины – двигатели внутреннего сгорания, паровые и холодильные машины и др.
Рассмотрим круговой процесс MANBM (рис. 61). Внутренняя энергия системы является функцией состояния. Поэтому в круговом процессе, когда система вышла из состояния M (P1, V1, T1) и вновь вернулась в это состояние, изменение внутренней энергии ΔU = Uм - Uм = 0, и вся теплота, подводимая к системе, расходуется на совершение работы Q = ΔU + A, значит Q = A, т.к. ΔU = 0. При расширении газа по кривой MAN совершается положительная работа А1, т.е. расширяющийся газ совершает работу. Графически – это площадь фигуры MANDC. При сжатии газа по кривой NBM совершается отрицательная работа А2, т.е. над газом совершается работа со стороны внешних сил. Графически – это площадь фигуры MBNDC. В нашем случае суммарная работа А = А1 – А2 совершена за счет подведенного тепла Q, и численно равна площади фигуры MANBM, заштрихованной на графике. Если цикл совершается по часовой стрелке, то он называется прямым. Во время прямого цикла газ производит работу А > 0 за счет переданной ему теплоты Q > 0 и его работа соответствует работе теплового двигателя. При обратном цикле (совершаемом против часовой стрелки) рабочее тело совершает отрицательную работу (А< 0) и от него отводится эквивалентная ей теплота (Q < 0). Обратный цикл соответствует действию холодильника.
|
