Термодинамические процессы.

Всякое изменение состояния системы, связанное с изменением хотя бы одного термодинамического параметра называют термодинамическим процессом. Если изменение происходило вследствие химического превращения – называется реакций.

В зависимости от того какие параметры системы при переходе ее из одного состояния в другое остаются постоянными процессы делятся на изохорные (v = const), изобарные (Р = const), изотермические (Т = const).

Если система во время процесса изолирована от внешней среды таким образом, что исключен теплообмен со средой, процесс будет адиабатным. Процесс, при котором система, пройдя ряд промежуточных состояний, возвращается в исходное состояние с начальными значениями всех своих свойств (объема, давления, температуры и т.д.) называется круговым.

Круговые процессы интересны тем, что они не связаны с превращениями, поскольку начальное и конечное состояние системы совпадают. В зависимости от того, как изменяются параметры системы, процессы делятся на равновесные (квазистатические) и не равновесные.

Равновесным называется процесс, представляющий собой непрерывную последовательность равновесных состояний, при которых система в любой момент находится в равновесном состоянии. Отсюда следует, что равновесным, по существу, может быть только процесс, протекающий без разности потенциалов. Но т.к. разность потенциалов является движущей силой процесса, следует считать, что равновесный процесс – это процесс происходящий под действием бесконечно малой разности потенциалов.

В качестве примера рассмотрим процесс медленного расширения газа. (рис. 1.1)

Рис. 1.1 Схема процесса равномерного расширения газа

Газ под действием груза G расположенного на поршне, находится в равновесном состоянии при давлении p⁽ⁱ⁾ . Если снять с поршня небольшой груз, несоизмеримо малый по сравнению с грузом G («песчинку»), то внешнее давление уменьшится на некоторую очень малую величину (если считать, что трения нет) поршень начнет перемешаться. При этом внешнее давление p^(e) практическиможно считать равным внутреннему, а систему в таком процессеравновесной.

После того как давление p^(e) и p⁽ⁱ⁾ станут абсолютно равными можно снять еще одну песчинку и опять произойдет очень медленное перемещение поршня и незначительное, практическое равновесное изменение состояния системы, т.к. при таком бесконечно медленном расширении газа мы всегда практически можем считать, что внешнее давление равно внутреннему.

p^(e) = p⁽ⁱ⁾

Равновесный процесс является условным, идеализированным понятием. Однако это понятие может быть применено для установления общих закономерностей термодинамики, а также для расчета многих реальных процессов. Их часто называют обратимыми. Этим понятием подчеркивается, что процесс можно провести как в прямом, так и в обратном направлениях через одни и те же равновесные состояния и работа расширения и работа сжатия будут равны и будут определять максимальную работу процесса А max.

Количество энергии, отданное окружающей среде в виде работы, равно количеству энергии, воспринятому системой в том же виде – в виде работы.

А max = (1.3)

Графически это можно изобразить следующим образом:

Рис. 1.2 Равновесное расширение и сжатие газа

Таким образом, для равновесных (обратимых) процессов характерны следующие особенности:

1. термодинамические параметры системы всегда можно считать равными параметрам окружающей среды;

2. система в любой момент процесса может оставаться находящейся в равновесном состоянии;

3. количество энергии отданное окружающей средой системе в определенной форме, всегда равно количеству энергии, воспринятому системой в той же форме.

Эти особенности очень важны для термодинамики, так как дают возможность оперировать параметрами состояния системы при анализе процессов и определять количества теплоты и работы.

Все реальные процессы протекают с конечной скоростью обусловленной конечной разностью в давлениях и температурах между системой и внешней средой. Они являются потому неравновесными.

На рис. 1.3 в координатах р-v процесс неравномерного расширения газа изображен нисходящей ломанной линией, число ступенек которой равно числу снятых с поршня грузов. Площадь между ломанной линией и осью абсцисс будет равна совершенной работе в процессе расширения газа (Ар). При проведении обратного поршень будет постепенно нагружаться гирьками и тем самым сжимать газ. Процесс сжатия изображен восходящей ломанной линией. Площадь между нею и осью абсцисс будет равна работе сжатия (Ас) затраченной на сжатие газа.

Из рис. 1.3. следует, что Ас > Ар и Ас > Amax, Ар < Amax. Таким образом, неравновесные процессы являются необратимыми и сопровождаются потерей работоспособности системы.

Рис. 1.3 Неравномерного расширение (сжатие) газа.