3.2 Зворотні і незворотні процеси
Для термодинаміки велике значення має й інша характеристика процесу – його оборотність. Нехай після прямого процесу 1-2 здійснюється зворотний процес 2-1 (Рис. 3.1) так, що всіма своїми точками збігається з прямим процесом, тобто проходить у зворотній послідовності через ті ж стани, що й прямий. Одержати такий збіг станів у прямому й зворотному процесах можливо лише в тих випадках, якщо процеси ці рівноважні, коли кожному положенню поршня завжди відповідає єдиний тиск і температура газу, незалежно від напрямку руху поршня через дану точку. Оскільки крайні точки обох процесів ті ж самі, то зміна внутрішньої енергії між ними однакова за значенням, але різна за знаком. Тому, якщо в прямому процесі внутрішня енергія зростає, то на стільки ж вона зменшується у зворотному процесі. Таким чином, у результаті обох процесів ніяких змін ні в робочому тілі, ні в навколишнім середовищі не відбувається.
Р
1
а
б
с
д
2 P1 T1 P0 = 0
V
Рис. 3.1. До зворотності Рис. 3.2. Приклад незворотного
процесу процесу
Процеси, подібні описаному, називаються зворотніми. Отже, зво- ротнім називається рівноважний процес, який у прямому й зворотному напрямках проходить через ряд однакових станів, але у зворотній послідовності, та повертає як робоче тіло, так і зовнішнє середовище в вихідний стан. Ящо хоча б одна із зазначених умов не виконується, то процес є незворотнім.
Зворотній процес є процес ідеальний. Всі дійсні процеси є незворотніми, тому що підведення й відведення тепла в дійсних умовах завжди відбувається при певній різниці температур тіл.
Крім цього, у робочому тілі спостерігаються завихрення, а кожна зміна об’єму завжди пов’язана з тертям, на подолання якого необхідно витрачати частину підведеної енергії.
Незворотній процес можна показати на прикладі витікання газу з одного балона, у якому газ перебуває під тиском Р1 з температурою Т1, в інший, з якого викачане повітря (Рис. 3.2). Обидва балони мають однаковий об’єм. При відкритті клапану, газ із великою швидкістю буде перетікати з лівого балона в правий доти, поки тиск в обох балонах не стане однаковим. Після чого рух газу припиниться, і він прийде в новий рівноважний стан. Очевидно, що цей процес необо- ротний, тому що для повернення газу в початковий стан потрібна робота ззовні, у той час як у прямому процесі ніякої роботи не зроблено.
Однак, при виконанні певних умов, можна уявити собі оборотним будь-який термодинамічний процес. Ці умови полягають у тому, що процес повинен бути розбитий на нескінченно велику кількість елементарних процесів, кожний з яких взаємодіє зі своїм джерелом теплоти. Отже, і джерел теплоти в цьому випадку повинна бути нескінченно велика кількість. Елементарні процеси передбачаються настільки малими, що дають можливість вважати температури тіла в їхніх межах постійними.
Фізиці відомі два процеси, що є оборотними за умови нескінченно повільного їхнього протікання. Це – ізотермічний, що протікає при незмінній температурі, і адіабатний, що не супроводжується теплооб- міном з зовнішнім середовищем. Ізотермічний процес проходить при однаковій температурі джерела й робочого тіла, тому, природно, забез-печуються умови передачі теплоти, що відводить від тіла, у зворотному процесі джерелу теплоти, від якого в прямому процесі ця теплота була запозичена. В адіабатному процесі відбувається нескінченно повільне перетворення внутрішньої енергії робочого тіла в роботу, й навпаки.
З дійсних процесів найбільш близькими до оборотного є випаровування і конденсація. Ці процеси є основними при виробництві холоду.