4. Термодинамический процесс. VP-диаграмма и термодинамические процессы в ней /равновесные и неравновесные, обратимые и необратимые, круговой процесс/.

Термодинамическим процессом называется совокупность последовательных состояний, через которые проходит термодинамическая система при взаимодействии ее с внешней средой. При этом все или часть параметров претерпевают изменения. Если изменения параметров проходят таким образом, что в любом промежуточном состоянии система находится в равновесии, то такие процессы называются равновесными.

Термодинамика в первую очередь рассматривает равновесные состояния и равновесные процессы изменения состояния термодинамической системы. Только равновесные состояния могут быть описаны количественно с помощью уравнения состояния.

Равновесный процесс можно осуществлять при бесконечно медленном изменении внешних условий или когда изменения параметров, характеризующих состояние системы, бесконечно малы по сравнению со значениями самих параметров. Следовательно, реальные процессы, будучи неравновесными, могут лишь в той или иной степени приближаться к равновесным, никогда в точности с ними не совпадая. Неравновесность реальных процессов определяется прежде всего конечными скоростями, и в рабочем теле не успевает устанавливаться равновесное состояние. Например, при быстром расширении газа в цилиндре под поршнем или его сжатии, температура и давление в различных точках объема рабочего тела не будут одинаковыми, т.е. процесс будет неравновесным.

Графически равновесный процесс изображается кривой, всеми своими точками лежащей на равновесной поверхности /кривая ВС на рис. 1.2/.

Графическое изучение термодинамических процессов было бы затруднено при использовании пространственной системы координат, поэтому для изображения процессов пользуются не самими кривыми, а их проекциями в прямоугольной системе координат.

Если термодинамическую поверхность рассечь плоскостями, параллельными осям координат, то на поверхности получатся следующие кривые: при v = const - процесс изменения давления в зависимости от температуры в координатах РТ /изохорный процесс/; при Р = const - процесс изменения удельного объема в зависимости от температуры в координатах vT /изобарный процесс/; при Т = const - процесс изменения давления в зависимости от удельного объема в координатах vР /изотермический процесс/.

Чаще всего для исследования термодинамических процессов в технической термодинамике применяют двухосную систему координат vP.

Равновесный процесс, протекающий при отсутствии трения, называется обратимым. Под трением в широком смысле слова здесь понимается любой процесс непосредственного превращения различных видов энергии в тепловую. Обратимый процесс может протекать самопроизвольно как в прямом, так и в обратном направлениях, проходя через те же самые равновесные состояния. В результате прямого и обратного процессов термодинамическая система и окружающая среда возвращаются в исходное состояние без остаточных изменений.

Необратимым называется процесс, который либо вообще невозможен в обратном направлении по тому же самому пути, либо требует для своего осуществления дополнительных внешних затрат. Если нарушается хотя бы одно из условий обратимости, то процесс будет необратимым.

Необратимыми являются все реальные процессы, поскольку они протекают с трением в условиях динамического и термического неравновесия. Например, процесс теплообмена между двумя телами при конечной разности температур /Т₁  Т₂/ самопроизвольно идет лишь в одном направлении: теплота передается от тела более нагретого к телу менее нагретому до достижения температурного равновесия между ними. Для осуществления обратного процесса требовалось бы за счет затрат извне нагреть прежде менее нагретое тело до первоначальной температуры более нагретого тела.

Обратимый процесс является идеальным, но он более прост и удобен для термодинамического анализа, поэтому техническая термодинамика занимается изучением прежде всего обратимых процессов. Влияние необратимости учитывается с помощью опытных поправок и коэффициентов. Это позволяет оценивать степень необратимости того или иного процесса по отношению к процессу в зависимости от величины дополнительных внешних затрат /например, работы/ для возвращения системы в исходное состояние.

При изучении термодинамических процессов особое значение имеют так называемые замкнутые, или круговые процессы, при которых система, проходя через ряд последовательных состояний, возвращается к начальному состоянию. Круговой процесс называют также циклом.

Изменение параметра состояния в любом термодинамическом процессе не зависит от вида процесса, а целиком определяется начальным и конечным состоянием. Поэтому любой параметр состояния является функцией состояния.

Следует отметить, что параметры состояния могут зависеть или не зависеть от массы термодинамической системы. Параметры состояния, не зависящие от массы системы, называются интенсивными параметрами /давление, температура и др./. Параметры, величины которых пропорциональны массе системы, называются аддитивными, или экстенсивными параметрами /объем, энергия и др./.