6.11. Обратимые и необратимые термодинамические процессы

Можно рассмотреть ряд процессов, протекание которых естественным (самопроизвольным) путем возможно только в одном на правлении, хотя возможность проте­кания их в обратном направлении не противоречит первому закону термодинамики. Например:

1.Теплообмен между двумя тела­ми при Т₁ > Т₂ (рис. 6.8). Теплота переходит самопроизвольно от горячего тела к холодному. Энергия при этом не исчезает, но самопроизвольный обратный про-цесс невозможен. Это значит, что горячая печка может греть холодный чайник, но холодный чайник не может греть печку.

2. Расширение газа в окружающую среду с меньшим давлением Р > Р_ос (рис. 6.9). Обратный процесс самопроизвольно осуществлен быть не может. При наличии компрессора — да. Но это будет уже процесс с дополнительной затратой энергии.

3. Диффузия газов при одинаковом давлении. Газы смешиваются самопроизвольно, суммарная внутренняя энергия при этом не меняется. Разделение газов самопроизвольно невозможно.

4. Сопротивление трения. При трении работа самопроизвольно превращается в теплоту. Обратный процесс невозможен.

Во всех случаях процессы «идут» в сторону меньшего по­тенциала воздействия. Обратный путь возможен только при дополнительной затрате энергии. Такой процесс, который мо­жет самопроизвольно протекать только в одном направлении, называют необратимым процессом. Обратимым процессом на­зывают такой процесс, который способен происходить как в прямом, так и в обратном направлении, причем при возвраще­нии в первоначальное состояние (при изменении внешних ус­ловий в противоположной последовательности) система про­ходит все равновесные состояния прямого процесса, но в об­ратном порядке и за счет только энергетического эффекта, полученного в прямом процессе. В изолированной термодина­мической системе обратимые процессы можно осуществить При выполнении следующих условий:

1. Термодинамическая система должна находиться в состоянии механического и теплового равновесия, то есть давление и температура рабочего тела в каждом состоянии прямого и обратного процессов должны быть неизменными. Это возможно только при бесконечно медленном протекании процесса, то есть процессы, протекающие в системе, Должны быть равновесными.

2. Прямой и обратный процессы должны осуществляться без трения. При наличии трения часть энергии рабочего тела расходуется на работу трения, которая преобразуется в теплоту и рассеивается в трущихся элементах. Таким образом, теплота, полученная газом от внешней системы (теплоотдатчика) в прямом процессе расширения, не может быть полностью возвращена ему в обратном процессе сжатия, что не позволит Рабочему телу вернуться в исходное состояние.

3. В процессе теплообмена должно соблюдаться равенство температур теплоотдатчика и рабочего тела в продолжение всего процесса.

4.При осуществлении прямого и обратного процессов рабо­чее тело не должно подвергаться химическим изменениям.

При несоблюдении этих условий процессы будут необрати­мы. Все действительные процессы, протекающие в тепловых двигателях и вообще в природе, являются необратимыми, так как они неравновесны, сопровождаются трением, химически­ми превращениями и тепловыми потерями. Всякий необрати­мый процесс сопровождается потерей работоспособности рабо­чего тела, обесцениванием энергии для потребителя, ее дегра­дацией. При трении, .например, механическая работа превра­щается в малоценную теплоту трения, низкопотенциальную внутреннюю энергию. Однако, с целью упрощения исследования термодинамических процессов реальные процессы считаются обратимыми. Другими словами, в термодинамике в дальнейшем будут рассматриваться только такие процессы, в, кото­рых разность потенциалов равна нулю. Такую термодинамику называют равновесной.

Рассмотрим реальную макросистему, состоящую из меха­нических, электромагнитных, химических и других элемен­тов,, обладающих, что вполне естественно для реальных систем, трением, электрическим сопротивлением, теплопроводностью. В каждом звене такой системы различные формы дви­жения материи, превращаются в тепловую. А это превращение

принципиально отличается от остальных тем, что. оно никогда не может быть полностью обратимым. По этой причине движение в каждом из элементов системы будет затухать и тем быстрее, чем больше трение. Таким образом, трение, генерирующее в системе тепловое движение, делает процесс необратимым. Именно в этой необратимости и состоит фундаментальное различие между воображаемым и идеальным миром, к которому так стремятся в технике, стараясь повысить КПД любого технического устройства, и в котором все процессы полностью обратимы и вечны, и реальным,, в котором все процессы в большей или меньшей степени необратимы и поэтому рано или поздно затухают.

Так что же представляет собой обратимый мир, в котором отсутствуют потери энергии в любом из процессов? И хорошо это или плохо, что нет энергетических потерь? Плохо. Значит, терять — это хорошо? Получается так, но при этом нужно стремиться к минимуму потерь. А плохо потому, что в обрати­мом мире требование обратимости налагает запрет на любое потребление энергии. А значит это то, что за прямым процес­сом последует обратный, который нейтрализует результат, до­стигнутый в прямом процессе. Первичный порядок вещей ста­нет невозможным в обратимом мире: ткани, канаты, бумага расползутся на отдельные волокна; гвозди и шурупы повыска­кивают из стен, раскрутятся все винты и гайки и все осталь­ное, что держится силой трения.

И это не все. В необратимом мире кажется естественным то, что для движения автомобилей, кораблей, самолетов необ­ходима непрерывная работа их двигателей, непрерывное дей­ствие на них движущей силы колёс, винтов, реактивных струй. В обратимом мире нет трения, а воздух, как и все другие газы и жидкости, утратил бы свою вязкость и стал бы сверхтеку

чим. Поэтому самолеты не испытывали бы в полете лобового сопротивления (зато возникла бы проблема создания подъем­ной вилы крыла). И, следовательно, в обратимом мире двига­теле ее нужны. Все перевозки и поездки будут производиться катапультами. Остановить транспорт с помощью тормозов бу­дет невозможно. Нужны ловушки.

. И еще кое о чем. Сверхтекучая вода рек, ускоряясь, мча­лась бы в океан, порождая течения, волны и шторм. Обрати­мый мир оказался бы настоящей копилкой всех звуков. Толь­ко это сделало бы жизнь невозможной. А проводники превра­тились бы в сверхпроводники, электрические и тепловые. И в связи с этим одежда и жилище утратят свое основное назначе­ние — защищать человека от холода и жары. И возможно, такая необходимость будет отсутствовать, так как температу­ра, с которой младенец появляется на свет, в обратимом мире сохранилась бы на всю жизнь.

От катастрофического обратимого мира нас избавляет нео­братимость, порожденная трением, как процессом непосред­ственного превращения различных форм движения материи в тепловое движение. Всякий необратимый процесс должен быть тепловым. И действительно, энергия, вырабатываемая элект­ростанциями земного шара, превращается в теплоту на фабри­ках, заводах, шахтах. Цена такого превращения — получение металла, деталей из него, бумаги, тканей и т. д.