13.2. Обратимые, необратимые и круговые процессы (циклы)
Обратимым называется такой процесс, который протекает так, что после его окончания систему можно вернуть в первоначальное состояние, причем никаких изменений в окружающей систему среде не произойдет.
Средой называются все не входящие в систему тела, с которыми она взаимодействует.
Примером обратимого процесса может служить колебательное движение математического маятника в отсутствии сил трения и сопротивления. Так в действительности практически все процессы сопровождаются силами трения, сопротивления или теплопередачей, то понятие обратимого процесса является научной абстракцией.
Процесс, протекающий так, что после его окончания систему нельзя вернуть в первоначальное состояние без изменений в окружающей среде, называется необратимым.
Примером необратимых процессов могут служить все процессы, которые сопровождаются силами трения, сопротивления или теплопередачей. Например, процесс передачи тепла всегда происходит от более нагретого тела к менее нагретому телу, или более нагретой части какого - либо тела к менее нагретой части этого же тела. Обратный процесс невозможен. В природе все процессы необратимы.
Кроме обратимых и необратимых процессов в термодинамике большое значение имеют различные круговые процессы или циклы.
Круговым процессом (циклом) называется такая последовательность превращений, в результате которой система, выйдя из какого-либо исходного состояния, возвращается в него вновь (рис.13.4).
Любой круговой процесс состоит из процессов расширения и сжатия. Процесс расширения сопровождается работой, совершаемой системой, а процесс сжатия - работой, совершаемой над системой внешними силами. Разность этих работ равна работе данного цикла.
Из первого начала термодинамики видно, что работа при расширении может совершаться либо за счет подводимого к системе тепла, либо за счет уменьшения ее внутренней энергии. Работа при сжатии сопровождается либо отводом от системы некоторого количества тепла, либо увеличением ее внутренней энергии.
Е
сли
работа при расширении больше, чем работа
при сжатии, то такой процесс (цикл)
называется прямым. В противном случае
– цикл обратный.
Рассмотрим один из возможных круговых процессов (рис.13.5).
П
усть
некоторая система, например, один моль
идеального газа из состояния с параметрами
p1,
V1,
T1
перешла изотермически в состояние с
параметрами p2,
V2,
T1.
При этом системой за счет подвода
некоторого количества тепла Q1
при температуре Т1,
была совершена работа
.
(13.26)
Для перехода системы в состояние с параметрами p3, V3, T2 (при V2 = const) надо понизить ее температуру от T1 до T2 ,что возможно, если система отдаст некоторое количество теплоты
(13.27)
Изотермический переход системы в состояние с параметрами p4, V4, T2 можно осуществить, совершая над ней работу, что возможно, только при отводе от нее эквивалентного количества тепла Q3 = A2.
.(13.28)
Для завершения цикла систему необходимо нагреть до температуры T1, подводя к ней некоторое количество тепла
.
(13.29)
Так как Q2 = Q4, то работа цикла равна и эквивалентна разности количеств тепла, подводимого к системе при расширении и отводимого от нее при сжатии
(13.30)
Для характеристики эффективности цикла вводится в рассмотрение физическая величина, называемая коэффициентом полезного действия, равная отношению работы цикла к работе, которую можно было бы совершить при превращении в нее всего количества тепла, подведенного к системе
(13.31)
Превращение теплоты в работу используется в тепловых машинах. При этом более совершенной считается такая тепловая машина, у которой КПД стремится к единице.