3.3. Поняття оборотності термодинамічних процесів. Внутрішня та зовнішня оборотність

Середовище, яке нас оточує, складається з нескінченно великої кількості тіл різних за формою, станом та масою. Між цими тілами безперервно протікають процеси, що супроводжуються перенесенням імпульсу, енергії та маси. Такі процеси можуть бути як оборотними так і необоротними. Уявлення про оборотність процесів має фундаментальне значення як у фізиці, так і в технічній термодинаміці. У констатації самого факту існування необоротних процесів лежить основна ідея другого початку термодинаміки.

Процес називають оборотним, якщо він може протікати в зворотному напрямку так, що всі тіла, що приймали участь у прямому процесі, перейдуть по закінченні процесу у свій початковий стан. Якщо повернення всіх тіл, що беруть участь у процесі, у початковий стан неможливе, то такий процес називають необоротним. Для того, щоб процес був оборотним необхідно, щоб обмін імпульсом, енергією та масою відбувався в умовах термічної, хімічної та механічної рівноваги тіл (у будь-який момент протікання процесу, між якими проходить взаємодія. Якщо рівноваги немає, то процеси необоротні.

Принциповим питанням є поділ необоротності на внутрішню і зовнішню. Такий поділ дозволяє встановити джерела необоротних втрат в циклах і дає можливість шукати шляхи зменшення цих втрат. Для такого поділу необхідно вирізнити із загалу систему тіл, у якій робоче тіло буде здійснювати круговий термодинамічний цикл, та оточення системи. Межа між системою та оточенням є проникною для переміщення енергії, маси та імпульсу.

Будь які процеси, що протікають у середині системи та не пов’язані із її оточенням будуть внутрішніми процесами. Необоротність таких процесів та втрати, які при цьому виникають є внутрішніми. Внутрішньо оборотним процесом (із достатньої для інженерної практики точністю) можна вважати процес, у якому дотримуються умови рівноваги усередині тіла, немає внутрішнього тертя і дифузії, не відбувається змішування і хімічних реакцій.

Будь-яка взаємодія системи із оточенням буде зовнішньою. Необоротність такої взаємодії та втрати, що при цьому виникають, будуть зовнішніми. Процес називають зовнішньо оборотним у випадку, коли виконуються умови рівноваги між робочою речовиною і зовнішніми тілами (навколишнім середовищем), що знаходяться з ним у взаємодії.

Холодильні цикли реальних машин, на відміну від теоретичних, супроводжуються значними необоротними втратами, величина яких визначається умовами проведення процесів циклу.

Очевидно, що можливі різноманітні поєднання внутрішньо і зовнішньо оборотних і необоротних процесів і їх можна класифікувати в такий спосіб:

1) процеси цілком оборотні як внутрішньо, так і зовнішньо;

2) процеси зовнішньо оборотні, але внутрішньо необоротні;

3) процеси зовнішньо необоротні, але внутрішньо оборотні;

4) процеси необоротні як внутрішньо, так і зовнішньо.

Усі без винятку процеси, які відбуваються в елементах холодильної машини, що працює за зворотним круговим процесом, відносяться до четвертої групи. Під час термодинамічного аналізу можна використовувати і поняття про процеси перших трьох груп. При такому аналізі процесів у різноманітних елементах холодильних машин дуже плідним є метод нарощування (підсумовування) втрат.

Для кращого розуміння викладених понять розглянемо процес стискання та розширення газу у циліндрі.

Під час розгляду термодинамічних процесів необхідно ввести поняття напрямку процесу. Якщо який-небудь процес розширення прийняти за прямий, то стискання, що зображується тією ж кривою, буде зворотним йому процесом. Якщо в прямому процесі розширення до газу підводиться теплота та виробляється робота, то в зворотному – затрачується робота та відводиться теплота. А саме, при зміні напряму процесу, всі зміни, що проходять в системі набувають протилежного початковому характер. Зокрема робоче тіло у зворотному процесі проходить поступово всі проміжні стадії прямого процесу, але у зворотному напрямку.

Рис.3.1. Зображення оборотного процесу у р-V діаграмі

Нехай, наприклад, лінія АВ (рис.3.1) зображення прямого процесу, у якому робоче тіло поступово проходить через проміжні стани

А, 1, 2, 3 . . . . . n, В.

Тоді, якщо процес АВ буде оборотним, то від стану В процес можна буде повести в зворотному напрямку до стану А, причому робоче тіло повинне буде пройти через усі проміжні стадії прямого процесу, але в зворотному, порядку, тобто

B, n, n-1, . . . . . . 3, 2, 1, А.

При цьому умові графіки прямого й зворотного процесів співпадуть усіма своїми точками. В результаті прямого й зворотного процесів система повернеться в початковий стан, тобто робоче тіло прийме початкові параметри , t, p; акумулятор потужності, що одержав в процесі АВ роботу від газу, рівну площі аАВб, в зворотному процесі ВА цю роботу віддасть на стискання газу; робоче тіло, що одержало при розширенні тепло, поверне його при стисканні.

Роздивимося умови оборотності процесів. Для того щоб процес мав свій графік, тобто деякий цілком визначений закон зміни параметрів робочого тіла, необхідно, щоб у будь-який момент під час плину процесу по всій масі робочого тіла спостерігалися б як рівність тисків, так і рівність температур, інакше кажучи, щоб у кожний момент стан газу був рівноважним. За умови рівноваги усередині робочого тіла можна буде скористатися характеристичним рівнянням (для ідеальних газів р=RT) і, виявивши закон зміни параметрів робочого тіла в прямому процесі, протилежною зміною параметрів створити зворотний процес, що проходить через проміжні стадії прямого процесу. Якщо ж прямий процес протікає так, що усередині робочого тіла, у всій його масі, немає рівності тисків, то скористатися для такого стану робочого тіла характеристичним рівнянням буде неможливо. І, відповідно, буде неможливо зміну стану робочого тіла підвести під деякий визначений закон; а раз так, то при зворотному плині процесу пройти поступово через усі проміжні стадії прямого процесу буде також неможливо, тому що вони носили випадковий характер.

Отже, в оборотному процесі система поступово проходить через окремі стадії рівноваги, але рівновага усередині робочого тіла може встигати встановлюватися тільки за умови нескінченно повільного протікання процесу. Це і буде умовою для здійснення оборотного процесу.

Якщо ж процес буде протікати з деякими кінцевими швидкостями, то такий процес буде необоротним, тому що необхідна рівновага усередині робочого тіла у визначені моменти не буде встигати встановлюватися. Для прикладу розглянемо, що буде відбуватися з робочим тілом, якщо з циліндра швидко витиснути поршень (рис.3.2). Прошарки газу, що лежать ближче до поршня, при його швидкому пересуванні будуть розширюватися більше прошарків віддалених від поршня, тому що на поширення розширення по всій масі газу необхідно деякий час. Зміна стану робочого тіла, виведеного таким процесом із первинної рівноваги, буде продовжуватися без усякої визначеної закономірності, причому нерівність тисків усередині газу породить деяке вихрове прямування його частинок. Звичайно, зворотним процесом, тобто швидким всуванням поршня усередину циліндра, змусити робоче тіло пройти через усі стадії зміни, що відповідають прямому процесу, буде неможливо.

Крім того, при стисканні буде спостерігатися зворотне явище в розподілі тисків у масі робочого тіла. Під час стискання прошарки газу, що безпосередньо сприймають на себе тиск поршня, тобто лежачі ближче до нього, будуть стискуватися сильніше прошарків віддалених від поршня. У прямому процесі прошарки, що прилягають до поршня, мають найменший тиск, у зворотному ж – найбільшим.

У такий спосіб процес, що протікає з кінцевими швидкостями, не може бути рівноважним процесом, і в такому процесі зворотним протіканням процесу система не приводиться в початковий стан, отже, такий процес необоротний.

Рис.3.2. Схематичний циліндр для стискання газу

У аналізованому прикладі прямим і зворотним процесами система не може бути відновлена в первинному стані і через наявність, тертя газу і поршня об стінки циліндра, тому що в прямому і зворотному процесах на тертя витрачається енергія. Оборотний процес повинний бути вільний від тертя. Ще однією ознакою необоротності процесу є хімічна зміна робочого тіла під час протікання процесу. Наприклад, зміна робочого тіла може відбутися від згорання.

Нарешті, для можливості приведення в початковий стан не тільки робочого тіла, але і теплових джерел, що входять в аналізовану систему, необхідно забезпечити рівність температур між, робочим тілом і джерелами тепла в будь-який момент їхньої взаємодії. Простіше усього це здійснити для адіабатного процесу; (ніякого теплового джерела тут немає) і для ізотермічного процесу, (бере участь одне джерело постійної температури). Що ж стосується всіх інших процесів із перемінними температурами, то для виконанні умови оборотності необхідно замість одного джерела тепла уявити собі сукупність нескінченно великого числа теплових джерел із різними, але постійними температурами (у цьому контексті деякі автори цілком оборотними процесами називають лише адіабатний і ізотермічний процеси).

Оскільки в реальних теплових швидкості протікання процесів значні, то ці процеси є необоротними. Крім кінцевої швидкості зміни стану робочого тіла в машинах існує цілий ряд інших умов, що роблять їхні процеси необоротними. Так, наприклад, робота машин супроводжується постійними втратами тепла через випромінювання стінками циліндра, втратами на тертя і т.д. Всі ці втрати не змінюють свого характеру і напрямку, якщо машину змусити працювати по зворотному циклі. Тому таку систему зворотним процесом неможливо буде призвести до початкового стану. Останнє вказує на те, що оборотні процеси можливі тільки в ідеальних, нездійсненних умовах.

Якщо виключити з розгляду електромагнітні явища, то джерелами необоротності є: внутрішнє тертя між елементами робочого тіла, тертя між елементами машини, розширення робочого тіла без відводу механічної роботи, дифузія, передача тепла (як між елементами робочого тіла, так і між тілом і джерелами тепла), що відбуває при кінцевих різницях температур, не пружні вібрації твердих тіл, хімічні реакції, змішання різноманітних компонентів, явища осмосу, раптові фазові перетворення (замерзання переохолодженої рідини і конденсація перенасиченої пари). Неможливість усунути хоча б частину цих явищ завжди робить процеси, що відбуваються в теплових і холодильних машинах, у тій чи іншій ступені необоротними.

Таким чином, оборотний процес необхідно розглядатися як абстракцію, необхідну в якості стандарту для порівняння реальних необоротних процесів.

У техніці, із достатньої для інженерної практика точністю, процеси, що відбуваються в теплових і холодильних машинах, можна вважати оборотними, якщо зміни, що відбуваються в тілах при прямому й оберненому їхньому протіканні, порівняно невеликі.

Під терміном “оборотний процес” в подальшому будемо розуміти такий процес, що хоча і не буде повною мірою відповідає умовам механічної і термічної рівноваги, але буде дуже мало відрізнятися від оборотного. Такий погляд з інженерної точки зору цілком виправданий.