Классификация термодинамических процессов

2.3.1.1. Циклические и нециклические

2.3.1.2. Обратимые и необратимые

2.3.1.2.1. Необратимые – это реальные процессы в термодинамических системах.

2.3.1.2.2. Обратимые – это идеализированные процессы, которые проходят в прямом и обратном направлении через одни и те же промежуточные состояния, и после завершения цикла ни в системе, ни в окружающей среде не наблюдается никаких изменений. Обратимые процессы называют часто равновесными, так как в каждый момент промежуточного состояния внешние и внутренние силы должны быть почти скомпенсированы (последнее характерно для состояния равновесия), т.е. они должны отличаться на бесконечно малую величину. Такой процесс происходит бесконечно медленно, поэтому время не учитывается в термодинамике обратимых процессов, и их также называют квазистатическими. Пример – обратимое изотермическое расширение идеального газа. В обратимом процессе работа, полученная в прямом направлении должна быть численно равна работе, затраченной в обратном процессе. По сравнению с необратимыми процессами обратимый процесс дает возможность получить максимальную работу.

2.3.2. Теплота и работа – способы обмена энергией между ТДС и окружа-ющей средой. Теплота и работа характеристики процесса, они не являются функциями состояния

2.3.2.1. Теплота – форма обмена энергией на микроскопическом уровне, т.е. в форме изменения хаотического движения молекул. Теплота считается положительной, если она подводится к системе.

2.3.2.2. Работа - форма обмена энергией на макроскопическом уровне, когда происходят направленное перемещение объекта. Работа считается положительной, если ее совершает система против внешних сил.

В зависимости от характера объекта различают разные виды работы:

2.3.2.2.1. Механическая - перемещение тела

dW_мех = - F _ехdl. (1.6)

Работа – скалярное произведение 2-х векторов силы и перемещения, т.е.

|dW_мех| = F dl cos α. Если направление внешней силы противоположно перемещению, совершаемому внутренними силами, то cos α < 0.

2.3.2.2.2. Работа расширения (чаще всего рассматривается расширение газа)

dW = - р_ех dV

В обратимом процессе p_eх ~ - p_in, поэтому обычно пишут, что

dW = р dV, (1.7)

Однако нужно иметь в виду, что это выражение справедливо только для обратимого протекания процесса, а в случае необратимого характера последнего p_in > - p_eх, а работа dW_необр. < р dV

2.3.2.2.3. Электрическая – перемещение электрических зарядов

dW_эл = -jdq, (1.8)

где j -электрический потенциал.

2.3.2.2.4. Поверхностная – изменение поверхности,

dW_{поверхн.} = -sdS, (1.9)

где s -поверхностное натяжение.

2.3.2.2.5. Общее выражение для работы

dW = - Ydx, (1.10)

Y – обобщенная сила, dx - обобщенная координата, таким образом работа может рассматриваться как произведение интенсивного фактора на изменение экстенсивного.

2.3.2.2.6. Все виды работы, кроме работы расширения, называются полезной работой (dW’).

dW = рdV + dW’

2.3.2.2.7. По аналогии можно ввести понятие химической работы, когда направленно перемещается k -ое химическое вещество, n_k – экстенсивное свойство, при этом интенсивный параметр m_k называется химическим потенциалом k -ого вещества

dW_хим = -Sm_kdn_k. (1.11)

2.3.3. Нулевой закон термодинамики. Сформулирован позже первого и вто-рого, но по логике построения постулатов термодинамики он должен предшествовать им. Если две системы находятся в тепловом равновесии с третьей, то они находятся и в тепловом равновесии между собой.

Т_А = Т_В; Т_А = Т_С Þ Т_В = Т_С.

Таким образом, ответственным за тепловое равновесие является интенсивный параметр - температура. Поэтому можно процессы теплообмена также представить в виде аналогичной по структуре формулой

dQ = TdS, (1.12)

где экстенсивное свойство называется энтропией, а знак + соответствует передаче энергии системе в обратимом тепловом процессе.