Термодинамические процессы: общее понятие

Ранее мы уже рассматривали некоторые вопросы, связанные с понятием термодинамического процесса. Здесь рассмотрим его более детально.

Термодинамическим процессом называется переход системы из одного состояния в другое в результате ее взаимодействия с окружающей средой. Как и всякий процесс, термодинамический процесс есть последовательная смена состояний системы.

Термодинамика различает два основных типа процессов: равновесные и неравновесные.

В принципе, всякий переход из одного состояния в другое всегда связан с нарушением равновесия системы. Более того, протекание любого без исключения процесса, возможно только тогда, когда имеется некоторая начальная неравновесность - разность температур, давлений, концентраций вещества, энергетических, информационных и других потенциалов. Но в пределе, при бесконечно медленном протекании процесса параметры состояния в каждый момент времени всегда будут иметь определенное значение. Такой процесс есть равновесный или квазистатический процесс.

Таким образом, равновесным в термодинамическом смысле является такое состояние изолированной системы, в которое она переходит по истечении достаточно большого промежутка времени.

2. Поскольку бесконечно медленный процесс есть абстракция, практически равновесным можно считать такой процесс, при котором переход из состояния в состояние происходит настолько медленно, что отклонения значений параметров становятся пренебрежимо малыми.

В практическом отношении можно считать, что если процесс протекает со скоростью значительно меньшей скорости релаксации системы, то на любом его этапе значения всех интенсивных макропараметров системы будут успевать выравниваться.

Следовательно, равновесный процесс представляет собой непрерывную цепь равновесных (точнее – близких к равновесию) состояний, которые последовательно сменяют одно другое.

Именно такие процессы и называют квазистатическими (Каратеодори, 1955) или равновесными.

В противном случае мы имеем неравновесный процесс, который является предметом изучения термодинамики неравновесных процессов (неравновесной термодинамики).

3. Всякий равновесный процесс является обратимым, то есть таким, который можно совершить как в прямом, так и в обратном направлении: тело, переведенное в результате последовательной смены ряда равновесных состояний в некоторое конечное состояние, может быть вновь возвращено в исходное состояние путем последовательной смены равновесных состояний, но проведенной в обратном порядке. При этом в окружающей среде не останется никаких изменений.

В противном случае мы имеем необратимый процесс, каковым, например, является всякое развитие.

4. Абсолютная обратимость или необратимость есть предельные абстракции, которые в природе в «чистом» виде не существуют, как не существует только обратимые и только необратимые процессы. Они есть диалектическое единство.

Рассматривая эту проблему, В.И.Корюкин вводит понятия «принципиальной обратимости» и «локальной необратимости» [10].

Принципиальную обратимость, в отличие от полной обратимости можно охарактеризовать следующими положениями:

Ø обратимость не есть полное повторение точный возврат к предыдущим этапам движения;

Ø всеобщий характер обратимости не означает прямых возвратов и прямых переходов от одного вида материи в другой;

Ø возвращение к исходному состоянию из достигнутого не означает повторения в обратном порядке всех этапов движения к состоянию, с которого начался возврат.

Ø принципиальная обратимость всегда связана с локальной необратимостью, с отсутствием точной повторяемости; каждое явление своеобразно и, строго говоря, необратимо. И в то же время любое локально необратимое изменение есть момент в цепи процессов, ведущих к повторению в главном;

Ø локальную необратимость можно рассматривать как форму проявления принципиальной (всеобщей) обратимости (превращаемости).

Поскольку, мы рассматриваем явления в ограниченном, локальном масштабе – все исследуемые нами процессы есть необратимые процессы. Обратимые процессы рассматриваются в качестве предельной идеализации, как вполне удобная модель при исследовании целого ряда явлений.

5. В силу большой важности этой предельной идеализации остановимся на анализе обратимых процессов несколько подробнее. Для этого рассмотрим обратимый процесс с закрытой термомеханической системой.

Взаимодействие такой системы с окружающей средой состоит в обмене теплотой и работой. Элементарное количество энергетического воздействия , приходящееся на каждую степень свободы, в механике выражают в виде произведения соответствующей обобщенной силы на элементарное приращение сопряженной с ней обобщенной координаты

(3.29)

Ранее мы встречались с этими понятиями, но теперь рассмотрим их несколько более детально.

Под обобщенной силой понимается параметр, который по физическому смыслу является движущей силой рассматриваемого воздействия. Воздействие имеет место, если по обе стороны контрольной поверхности (например, границы системы и окружающей среды) численные значения этого параметра различны. Для квазистатических процессов это различие должно быть бесконечно малым.

Обобщенная координата – параметр, который изменяется только под воздействием данного типа. Если рассматриваемое воздействие отсутствует, то изменение соответствующей обобщенной координаты равно нулю. Таким образом, изменение обобщенной координаты есть мера воздействия рассматриваемого типа.

Рассмотрим некоторые примеры для удельных величин (величины, отнесенные к единице рабочего тела термодинамической системы, к примеру, в расчете на 1 килограмм идеального газа). Удельные значения величин обозначаем соответствующими малыми знаками.

1) В случае деформационного воздействия (работа) роль обобщенной силы играет давление, а сопряженной обобщенной координаты – объем. Тогда

(3.30)

2) При обмене энергией в форме теплоты (теплообмен) обобщенной силой является абсолютная температура, а обобщенной координатой – энтропия (также удельная):

(3.31)

6. Отличительной особенностью обратимого процесса является то, что при полном его осуществлении в прямом и обратном направлении (по замкнутому циклу) отсутствуют какие-либо остаточные изменения в системе и окружающей среде, поскольку, те изменения, которые были произведены в прямом процессе (например, накопленная теплота) «стираются» в ходе обратного процесса.

Процесс, не обладающий этим свойством, есть необратимый процесс. Если система совершает необратимый процесс, то ее возвращение в исходное состояние требует дополнительных затрат со стороны окружающей среды. К примеру, работа, совершенная системой в необратимом процессе, всегда недостаточна для ее возвращения в исходное состояние; требуется приток дополнительной энергии.

Поэтому развитие всегда есть необратимый процесс. Как писал Макс Планк «с каждым необратимым процессом система делает некоторый такой шаг вперед, следы которого ни при каких обстоятельствах не могут быть уничтожены» [11].

7. Тип термодинамического процесса, как правило, определяется постоянством какого-либо параметра состояния

1)Адиабатический процесс - термодинамический процесс, протекающий в системе без теплообмена с окружающей средой (), то есть в адиабатически изолированной системе, состояние которой можно изменить только путем изменения внешних параметров. Изменение температуры внешних тел не оказывает влияния на адиабатически изолированные системы, а их энергия может изменяться только за счет работы, совершенной системой (или над ней).

Согласно первому началу термодинамики (см. далее) при обратимом адиабатном процессе:

(3.32)

Согласно второму началу термодинамики (см. далее) для адиабатического процесса:

(3.33)

причем знак равенства относится только к обратимому процессу. При необратимом процессе энтропия возрастает.

Поэтому обратимый адиабатический процесс называется еще изоэнтропийным процессом.

2) Изобарный (изобарический) процесс – процесс, протекающий при постоянном давлении в системе.

Для его осуществления к системе необходимо подводить (или отводить) теплоту , которая расходуется на работу расширения и изменение внутренней энергии , то есть:

(3.34)

3) Изотермический процесс – процесс, протекающий при постоянстве температуры системы. Такой процесс может быть осуществлен только при температурном контакте системы с внешней средой (термостатом). Для реализации изотермического процесса необходимо отводить или подводить к системе определенное количество теплоты , которое затрачивается на работу при изменении объема и на изменение внутренней энергии при постоянной температуре .

Согласно первому началу термодинамики (см. далее)

(3.35)

4) Изохорный (изохорический) процесс – термодинамический процесс, протекающий в системе при постоянном объеме. При этом процессе система не совершает работы и вся подводимая теплота целиком расходуется на изменение внутренней энергии системы.

5) Изоэнтальпийный процесс – термодинамический процесс, протекающий при постоянной энтальпии системы, например, протекание газа через пористую перегородку при отсутствии теплообмена с окружающей средой.