1.1.5 Виды процессов

Изобарные процессы – происходящие при постоянстве давления (р = const).

Изохорные процессы – происходящие при постоянном объеме (V = const).

Изотермические процессы – происходящие при постоянной температуре (T = const).

Адиабатические процессы происходят без обмена теплом с окружением (∆Q = 0).

Обратимые процессы – те, которые происходят так, что имеется возможность возвращения системы в первоначальное состояние без того, чтобы в окружающей среде остались какие-либо изменения (например, трение в таких процессах всегда отсутствует). «Термодинамика – это теория систем, лишенных трения» (П. Дюгем, 1882).

Необратимые процессы – те, после протекания которых в окружающей среде остаются изменения. Например, наличие трения приводят к теплоте, рассеиваемой в окружение.

Последовательность обратимых процессов соответствует термину «равновесный процесс».

Стационарные процессы – те, развитие которых происходит в результате неизменности причин, вызывающих этот процесс (стационарный ≡ устоявшийся). Скорость процесса при этом может меняться со временем.

1.1.6 Внутренняя энергия, теплота и работа

Внутренняя энергия U определена полным запасом энергии системы, без различий потенциальной и кинетической видов энергии. U есть функция состояния.

Работа А соответствует величине энергии, передаваемой системой (системе) с изменением её внешних параметров. Например, если система характеризуется изменяемым параметром - объемом V, то работа равна произведению изменения объема на давление:

∆A = p∙∆V.

Вообще говоря, работа всегда равна произведению фактора интенсивности (силы, давления, электрического напряжения и пр.) на фактор ёмкости (путь, объем, сила тока, время и пр.).

Количество теплоты ∆Q соответствует количеству энергии, передаваемой системе (или получаемой ею) без изменения внешних параметров этой системы (без совершения работы). Если в результате процесса тепло выделяется, ∆Q имеет отрицательный знак, если поглощается, - положительный. Аналогично определяются знаки и ∆А. Если работа производится системой, она считается отрицательной, если окружение совершает работу, то положительной.

Работа и теплота вообще говоря не являются функциями состояния, так как они зависят от пути процесса.

Работа и теплота сами по себе не являются видами энергии, они представляют собой два различных способа передачи энергии, они характеризуют процесс энергообмена между системами и имеют размерность энергии².

1.1.7 Максимальная работа при изобарических, изотермических, адиабатических и изохорных процессах

Для простоты рассмотрим идеальный газ, заключенный в определенном объеме при определенном давлении, когда объем может меняться за счет перемещения поршня без трения. Отсутствие трения позволяет рассматривать совершаемую работу A_m как максимально полезную.

Напомним, что для моля идеального газа справедливо уравнение состояния pV = RT (один моль газа).

На приведенном рис. 1 в изобарном процессе мы перемещаемся из точки Е в точку F.

Линия GH соответствует адиабатическому процессу, линия CD – изотермическому.

а) При изобарном процессе

A_m = p(V₂ – V₁).

Используя уравнение состояния, имеем

A_m = R(T₂ – T₁).

b) При изотермическом процессе

A_m = RT = RTln ( ) = RTln( ).

Рис. 1. Изменение давления от объема системы при изобарическом (EF), изотермическом (СED) и адиабатическом (GEH) процессах.

При адиабатическом процессе тепло не подводится и не отнимается, работа совершается только за счёт изменения внутренней энергии³:

A_m = C_v(T₁–T₂).

Здесь в выражение входит теплоемкость при постоянном объеме, и газ при свободном расширении (увеличение объема) обычно охлаждается, внутренняя энергия его уменьшается.

d) При изохорном процессе работа не совершается (внешний параметр системы не изменяется),

A_m = 0.