Обратимые (квазистатические) и необратимые процессы

В процессе перехода из одного равновесного состояния в другое, который может происходить под влиянием различных внешних воздействий, система проходит через непрерывный ряд состояний, не являющихся в общем случае равновесными. Для реализации процесса, приближающегося к последовательности равновесных состояний, необходимо, чтобы он протекал достаточно медленно (был бы квазистатическим). Но сама по себе медленность процесса еще не является достаточным признаком его равновесности. Равновесный процесс, представляя собой непрерывную цепь равновесных состояний, является обратимым – его можно совершить в обратном направлении и при этом в окружающей среде не остается никаких изменений.

Термодинамика дает полное количественное описание обратимых процессов, а для необратимых процессов устанавливает лишь определенные неравенства и указывает направление их протекания.

1.2. Постулаты и законы равновесной термодинамики Первое начало термодинамики

Существуют два принципиально различающихся способа изменения состояния системы: первый связан с работой системы по перемещению окружающих тел (или работой этих тел над системой), второй – с сообщением системе теплоты (или с отводом ее) при неизменном расположении окружающих тел. В общем случае переход системы из одного состояния в другое связан с сообщением системе некоторого количества теплоты Qи совершением системой работыАнад внешними телами. Как показывает опыт, при заданных начальном и конечном состоянияхQиAсущественно зависят от пути перехода. Эти величины являются характеристиками не отдельного состояния системы, а совершаемого ею процесса.

Первое начало термодинамики утверждает, что если система совершает термодинамический цикл (т.е. возвращается в конечном счете в исходное состояние), то полное количество теплоты, сообщенное системе на протяжении цикла, равно совершенной ею работе. Приведенная формулировка равнозначна утверждению о невозможности построения вечного двигателя.

Первое начало термодинамики – закон сохранения энергии для систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы. Из него следует, что в случае незамкнутого процесса (когда система не возвращается в исходное состояние) разность Q - A = Uне равна в общем случае нулю и не зависит от пути перехода между данными состояниями, гдеU представляет собой приращение величиныU, имеющей в каждом состоянии вполне определенное значение. Эта величина (U) называетсявнутренней энергией(или просто энергией) системы. Из первого начала термодинамики вытекает, что существуетхарактеристическая функциясостояния системы – ее энергия.

В случае однородного тела, которое способно совершать работу только при изменении объема, А=Q - pV,и бесконечно малое приращение (дифференциал)Uравно:

dU = Q - pV, (1.1)

где Q– бесконечно малое приращение теплоты, не являющееся, однако, дифференциалом какой-либо функции.

При фиксированном объеме (dV=0) вся сообщаемая телу теплота идет на приращение внутренней энергии, и поэтому, в частности,теплоемкостьc_vтела при постоянном объеме будет иметь вид

. (1.2)