3. Термодинамический процесс. Равновесные, неравновесные, обратимые и необратимые процессы.

Изменение состояния термодинами­ческой системы по времени называется термодинамическим процес­сом. Так, при перемещении поршня в цилиндре объем, а с ним давление и температура находящегося внутри газа будут изменяться, будет совершаться процесс расширения или сжатия газа. Система, выве­денная из состояния равновесия, и пре­доставленная при постоянных парамет­рах окружающей среды самой себе, че­рез некоторое время вновь придет в рав­новесное состояние, соответствующее этим параметрам. Такое самопроизволь­ное (без внешнего воздействия) возвра­щение системы в состояние равновесия называется релаксацией, а проме­жуток времени, в течение которого систе­ма возвращается в состояние равнове­сия, называется временем релак­сации. Для разных процессов оно различно.

Термодинамический процесс называ­ется равновесным, если все пара­метры системы при его протекании меня­ются достаточно медленно по сравнению с соответствующим процессом релакса­ции. В этом случае система фактически все время находится в состоянии равно­весия с окружающей средой, чем и опре­деляется название процесса.

Чтобы процесс был равновесным, скорость изменения параметров систе­мы dA/dx должна удовлетворять соотно­шению dA/dT<<C_peл , где А — параметр, наиболее быстро из­меняющийся в рассматриваемом процес­се; С_рел, — скорость изменения этого па­раметра в релаксационном процессе. Равновесный процесс состоит из непрерывного ряда последо­вательных состояний равновесия, поэто­му в каждой его точке состояние термо­динамической системы можно описать уравнением состояния данного рабочего тела.

Процессы, не удовлетворяющие усло­вию dA/dT<<C_peл протекают с нарушени­ем равновесия, т. е. являются нерав­новесными. Если, например, быстро увеличить температуру окружающей сре­ды, то газ в цилиндре будет постепенно прогреваться через его стенки, релаксируя к состоянию равновесия, соответ­ствующему новым параметрам окружаю­щей среды. В процессе релаксации газ не находится в равновесии с окружаю­щей средой и его нельзя характеризовать уравнением состояния.

4. Первый закон термодинамики. Энтальпия.

Первый закон термодинамики пред­ставляет собой частный случай всеобще­го закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым явле­ниям. Закон сохранения утвер­ждает, что энергия не исчезает и не воз­никает вновь, она лишь переходит из одной формы в другую, причем убыль энергии одного вида даст эквивалентное количество энергии другого вида. В числе первых ученых, утверждав­ших принцип сохранения материи и энер­гии, был наш соотечественник М. В. Ло­моносов.

δQ = dU + δL, т. е. теплота, сообщаемая системе, идет на приращение ее внутренней энергии и на совершение внешней работы.

Полученное уравнение является ма­тематическим выражением первого зако­на термодинамики. Каждый из трех чле­нов этого соотношения может быть поло­жительным, отрицательным или равным нулю.

Рассмотрим некоторые частные случаи:

1. δQ = 0 — теплообмен системы с ок­ружающей средой отсутствует, т. е. теп­лота к системе не подводится и от нее не отводится. Процесс без теплообмена на­зывается адиабатным. Для него уравнение принимает вид δL= - dU.

2. δL =0 — при этом объем тела не изменяется, dV=0. Такой процесс на­зывается изохорным, для него δQ=dU, количество теплоты, подведенное к системе при постоянном объеме, равно увеличению внутренней энергии данной системы.

3. dU=0 внутренняя энергия системы не изменяется и δQ=δL, т. е. сообщаемая системе теплота превращается в эквивалентную ей внешнюю работу.

Энтальпия. В термодинамике важную роль игра­ет сумма внутренней энергии системы U и произведения давления системы р на ее объем V, называемая энтальпией и обозначаемая Н: H=U+pV.

Так как входящие в нее величины явля­ются функциями состояния, то и сама энтальпия является функцией состояния. Так же как внутренняя энергия, работа и теплота, она измеряется в джоу­лях (Дж).

Изменение энтальпии в любом про­цессе определяется только начальным и конечным состояниями тела и не за­висит от характера процесса.

5. Термодинамический анализ циклов. Прямые и обратные циклы. Термодинамические циклы — круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление, объём, температура, энтропия) совпадают.

Термодинамические циклы используются в тепловых машинах для превращения тепловой энергии (то есть, внутренней энергии) в механическую работу, а также для охлаждения (при использовании обратного цикла). Тепловая машина состоит из рабочего тела, которое и проходит цикл, нагревателя и холодильника (с помощью которых меняется состояние рабочего тела).

Обратимым называют цикл, который можно провести как в прямом, так и в обратном направлении в адиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системе. Суммарная энтропия системы при прохождении такого цикла не меняется. Единственным обратимым циклом для машины, состоящей только из рабочего тела, нагревателя и холодильника, является Цикл Карно. Существуют также циклы Стирлинга и Эрикссона, в которых обратимость достигается путём введения дополнительного прибора — регенератора. Обратимые циклы обладают наибольшей эффективностью.

В прямом термодинамическом цикле часть теплоты, сообщаемой рабочему телу, преобразуется в полезную работу, а в обратном термодинамическом цикле за счёт работы осуществляется передача теплоты от тел менее нагретых к более нагретым. Прямые термодинамические циклы совершаются, например, в тепловых двигателях, обратные — в холодильных машинах.