Второе начало термодинамики Термодинамическое равновесие. Квазистатические состояния

Предметом термодинамики является изучение общих свойств вещества, связанных с тепловым движением в условиях термодина­мического равновесия.

Состояние тела, характеризующееся однородностью макроскопических параметров по всему объему и неизмен­ностью их во времени, при отсутствии внешних воздействий назы­вается термодинамическим равновесием.

(Не следует, однако, смешивать состояние термодинамического равно­весия со стационарными процессами. Например, стержень, температура на концах которого поддерживается внешними источниками тепла, не находится в состоянии термодинамического равновесия: в данном случае имеет место стационарный процесс теплопроводности.)

Для обеспечения термодинамического равновесия необходимо такое протекание процессов в газе, при котором все отклонения от рав­новесия будут успевать исчезать, и газ будет проходить через ряд переходящих друг в друга состояний равновесия. Подобные про­цессы называются квазистатическими, ибо в каждый данный момент состояние газа мало отличается от статического, при котором параметры одинаковы во всем объеме газа. Только квази­статические процессы поддаются графическому изображению. Чтобы процесс был квазистатическим, он должен протекать достаточно медленно. Любой процесс будет квазистатическим, если время выравни­вания неоднородностей меньше продолжительности протекания процесса. Неоднородность различных параметров газа вызывается любым внешним воздействием на газ, что ведет к неравновесному состоянию.

Таким образом, в термодинамике рассмат­риваются только квазистатические процессы, так как они представляют собой совокупность равновесных состояний.

Обратимые и необратимые процессы

После установления равновесия система не может сама воз­вратиться к первоначальному неравновесному состоянию. Так, например, если два соприкасающихся тела вначале обладали раз­ностью температур, а затем были предоставлены сами себе, то их температура выравнивается, устанавливается равновесное состоя­ние. Обратный процесс — увеличение разности температур — без внешнего воздействия не происходит. Аналогично газ сам распре­деляется по всему объему (равновесное состояние), и без внешних воздействий в различных частях сосуда не могут возникнуть раз­личия в плотностях газа.

Приведенные примеры говорят о необратимости процессов, про­исходящих в молекулярных системах. Этим свойством молекулярные системы отличаются от механических, для которых характерна обратимость. Все механические процессы в консервативных системах обра­тимы, однако кон­сервативных систем в природе нет, и реальные механические про­цессы, как и все другие процессы, необратимы.

Обратимым называется процесс, который, будучи проведен в об­ратном направлении, возвращает систему в исходное состояние таким образом, что она проходит через все промежуточные состоя­ния, пройденные в прямом процессе, но в обратной последователь­ности; в то же время состояние тел вне системы и в ней самой ос­тается неизменным. Если процесс не удовлетворяет этому условию, то это необратимый процесс.

Хорошо известно, что механическая форма движения всегда сама преобразуется в тепловую (например, при трении). Для осу­ществления же обратного процесса необходима тепловая машина, работа которой оставит изменения в телах, не включенных в си­стему, ибо кроме превращения тепла в работу произойдет передача его холодильнику. Именно этим характерен необратимый процесс: обратный ему протекает как одно из звеньев более сложного про­цесса.

Таким образом, для необратимых процессов (только они и на­блюдаются в природе!) характерно направление их протекания: в од­ном направлении они протекают сами по себе (газ расширяется в вакуум, тепло переходит от горячего тела к холодному и т. д.), в обратном же необратимые процессы могут протекать только в со­провождении каких-либо других процессов, происходящих за пределами си­стемы (при сжатии газа совершается работа и т. д.).

Все квазистатические процессы, представляющие собой совокуп­ность равновесных состояний, обратимы. Это очевидно из следую­щих рассуждений: если изменение объема газа (в цилиндре под поршнем) происходит квазистатически, то состояние' газа опреде­ляется положением поршня в данный момент времени, а не направ­лением его движения, что и гарантирует последовательность про­текания всех стадий процесса,* т. е. его обратимость.

Термодинамика изучает идеализированные обратимые процессы.

Но и для реальных технических процессов ее значение чрез­вычайно велико, ибо в подавляющем большинстве случаев разли­чия между реальными (необратимыми) и обратимыми процессами незначительны. Первое же начало термодинамики в равной мере применимо к равновесным и к неравновесным процессам (хотя последние не могут быть представлены в виде кривой; начальные и конечные состояния системы вполне определенны).

Примером обратимого процесса может служить :