4. Обратимые и необратимые процессы

Обратимым является такой термодинамический процесс, который допускает возвращение тела (системы) в первоначальное состояние без того, чтобы в окружающей среде остались какие-либо изменения. Процесс является обратимым, если при совершении его сначала в прямом, а затем в обратном направлении в исходные состояния возвращаются как само тело (или система), так и все внешние тела, с которыми тело (или система) взаимодействовало. Необходимым и достаточным условием обратимости термодинамического процесса является его равновесность.

Термодинамический процесс, не удовлетворяющий условиям обратимости, называется необратимым. Все реальные процессы протекают не бесконечно медленно, а с конечной скоростью. Все они сопровождаются трением, диффузией и теплообменом при конечной разности температур тела (системы) и внешней среды. Поэтому все реальные процессы являются неравновесными. Следовательно, все реальные процессы являются необратимыми.

Круговой процесс (цикл) − термодинамический процесс, в результате совершения которого рабочее тело возвращается в исходное состояние. Круговые процессы являются основой тепловых двигателей. Различают:

− прямой цикл – круговой процесс, в котором рабочее тело совершает положительную работу за счет сообщенной ему теплоты (рис. 7.7.1, a);

− обратный цикл − круговой процесс, в котором рабочее тело совершает отрицательную работу. Это означает, что над рабочим телом совершается работа и от него отводится эквивалентное ей количество теплоты (рис. 7.7.1, b).

В тепловом двигателе рабочее тело совершает прямой цикл, а в холодильной установке — обратный цикл.

Термическим коэффициентом полезного действия (КПД.) произвольного цикла называется отношение работы А, совершенной рабочим телом в прямом цикле, к количеству теплоты Q₁, сообщенному рабочему телу нагревателем:

. (7.7.1)

Q₂ – количество теплоты, отданное системой вовне (холодильнику).

Так как в реальных системах всегда существуют потери энергии (теплопередача вовне сквозь теплоизоляцию, действие диссипативных сил), то КПД всегда меньше 1.

Вид цикла, представленного на рис (7.7.1, a), называется прямым циклом Карно. Цикл Карно − обратимый круговой процесс, состоящий из двух изотерм (процессы 1‒2 и 3 ‒ 4) и двух адиабат (процессы 2 ‒ 3 и 4 ‒ 1). При изотермическом расширении (процесс 1‒2) рабочее тело получает от нагревателя ‒ источника энергии с постоянной температурой Т₁ ‒ количество теплоты Q₁. При изотермическом сжатии (процесс 3 ‒ 4) рабочее тело отдает холодильнику, имеющему постоянную температуру Т₂ (Т₂< Т₁), количество теплоты Q₂. При адиабатном расширении и сжатии энергия извне к рабочему телу не поступает и эти процессы происходят за счет изменения его внутренней энергии.

Теорема Карно: термический КПД прямого обратимого цикла Карно не зависит от природы рабочего тела и определяется только температурами нагревателя Т₁ и холодильника Т₂:

. (7.7.2)

η<1, так как практически невозможно осуществить условие, при котором температура холодильника была бы равна абсолютному нулю.

В обратимом цикле Карно (рис. 7.7.1, b) отношение температур нагревателя и холодильника равно отношению количеств теплоты, соответственно отданной и полученной ими в цикле:

. (7.7.3)

Для обратного цикла Карно вводят понятие холодильного коэффициента ε:

. (7.7.4)