Обратимые, необратимые и круговые процессы.
Термодинамический процесс называют обратимым, если он допускает возвращение системы в первоначальное состояние без того, чтобы в окружающей среде остались какие-либо изменения. Иными словами, процесс обратим, если при совершении его системой сначала в прямом, а затем в обратном направлении в исходные состояния возвращаются как сама система, так и все внешние тела, с которыми система взаимодействовала.
Примером обратимого процесса могут служить незатухающие колебания, совершаемые в вакууме телом, подвешенным на абсолютно упругой пружине. Свойством обратимости обладают только равновесные процессы. Это следует непосредственно из того, что при равновесном процессе каждое промежуточное состояние является состоянием термодинамического равновесия, нечувствительного к тому, идет ли процесс в прямом или обратном направлении. Например, обратимым можно считать процесс адиабатического расширения или сжатия газа. При адиабатическом процессе условие теплоизолированности системы исключает непосредственный теплообмен между системой и средой. Поэтому, производя адиабатическое расширение газа, а затем сжатие можно вернуть газ в исходное состояние так, что в окружающей среде никаких изменений не произойдет. Конечно, в реальных условиях и в этом случае всегда имеется некоторая необратимость процесса, обусловленная, например, несовершенством теплоизоляции, трением при движении поршня и т. п.
Термодинамический процесс называют необратимым, если он не допускает возвращение системы в первоначальное состояние без того, чтобы в окружающей среде остались какие-либо изменения. Необратимый процесс нельзя провести в обратном направлении так, чтобы совершающая его система прошла, через те же самые промежуточные состояния.
Примером необратимого процесса может служить торможение тела вследствие трения. Если на движущееся в какой-либо среде тело не действуют другие силы, кроме сил трения, то скорость тела постепенно уменьшается и оно, в конце концов, останавливается. При этом энергия механического движения тела, как целого, расходуется на увеличение энергии теплового движения частиц тела и окружающей среды. Следовательно, за счет кинетической энергии тела возрастает внутренняя энергия тела и среды, нагревающихся при трении. Этот прямой процесс протекает совершенно самопроизвольно: для его осуществления не требуется протекания еще каких-либо процессов в окружающих телах. Иначе обстоит дело с обратным процессом. Для возвращения системы в исходное состояние необходимо, чтобы остановившееся тело вновь пришло в движение за счет соответствующего охлаждения его самого и окружающей среды. Опыты показывают, что хаотическое движение частиц тела не может самопроизвольно вызвать появление упорядоченного движения этих частиц как целого. Для осуществления такого процесса необходим дополнительный, так называемый компенсирующий процесс. Он должен заключаться в охлаждении тела и среды до первоначальной температуры, т. е. в отдаче ими холодильнику теплоты и в совершении над телом работы. Поэтому, хотя в результате прямого и обратного процессов система (тело-среда) и возвращается в исходное состояние, но состояние внешних тел изменяется.
Все процессы, сопровождающиеся трением, являются необратимыми.
Процесс теплообмена между двумя телами, имеющими различную температуру, приводит к выравниванию средних энергий хаотического (теплового) движения частиц обоих тел. Энергия частиц более нагретого тела уменьшается, а энергия частиц более холодного тела уве-личивается - температуры тел выравниваются. Этот процесс идет самопроизвольно, как только обеспечен тепловой контакт между телами. Иначе обстоит дело с обратным процессом - процессом нагревания одного тела за счет охлаждения другого, имевшего вначале такую же температуру, что и первое. Известно, что самопроизвольно такой процесс не происходит. Для его осуществления нужно использовать холодильную машину, работа которой неизбежно сопряжена с изменением состояния других, внешних, тел.
Процесс теплообмена двух тел при конечной разности температур тоже является необратимым. Процесс теплообмена идет обратимо только изотермически, то есть между телами, имеющими одинаковую температуру. Все обратимые процессы - идеализированные. Все реальные процесы - необратимы.
Круговым процессом, или циклом, называют такой процесс, в результате которого термодинамическая система возвращается в исходное состояние. Обратимый круговой процесс называют обратимым циклом. На диаграммах состояния Р - V, Р - Т и др. равновесные круговые процессы изображают в виде замкнутых кривых. Это связано с тем, что на любой диаграмме двум тождественным состояниям (в рассматриваемом случае началу и концу кругового процесса) соответствует одна и та же точка. Рабочим телом принято называть газ или какое-либо иное термодинамическое тело, которое совершает круговой процесс и обменивается энергией с другими телами.
Круговые процессы лежат в основе всех тепловых машин: двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, паровых и холодильных машин и т. д. Поэтому изучение свойств различных круговых процессов - одна из важнейших задач физики. Мы ограничимся установлением лишь некоторых общих закономерностей таких процессов.
Рассмотрим произвольный равновесный круговой процесс C1aC2bC1 (см. рис. 16.1), совершаемый идеальным газом. Его можно разбить на два процесса - расширение газа из состояния C1 в состояние С2 (процесс С1аС2) и сжатие газа из состояния С2 в состояние C1 (процесс C2bС1). При расширении газ совершает положительную работу A1, которая измеряется площадью фигуры V1С1aC2V2 на рис 16.1. Для сжатия газа внешние силы совершают положительную работу А2' = -A2, измеряемую площадью фигуры V1C1bC2V2. Из рис.16.1 видно, что A1 > A2'. Поэтому в целом за цикл газ совершает положительную работу
Ацикла = A1 + A2 = A1 - A2' (16.1)
Она измеряется заштрихованной на рис. 16.1 площадью, ограниченной кривой процесса C1aC2bC1. Такой цикл называют прямым. Если бы круговой процесс протекал в обратном направлении (против часовой стрелки), то суммарная работа, совершаемая газом за цикл, оказалась бы отрицательной. Численно она также измерялась бы площадью C1aC2bC1. Такой цикл называют обратным.
Полное изменение внутренней энергии газа в результате кругового процесса равно нулю. Следовательно, по первому закону термодинамики имеем:
Q = U + A = Aцикла (16.2)
где Q - общее количество теплоты, сообщенной газу в круговом процессе, А - работа газа в этом процессе.
В прямом цикле А > 0 и Q > 0, то есть газ совершает работу за счет сообщенной ему теплоты Q1. В обратном цикле А < 0 и Q < 0, то есть работу совершают внешние силы и система отдает тепло.
Второе начало термодинамики применительно к описанию термодинамических циклов.
Рассмотренный ранее первый закон термодинамики устанавливает количественное соотношение между теплотой, работой и изменением внутренней энергии тела, но он не определяет направления течения процессов. Из опытов известно, что теплота всегда переходит от более нагретого тела к менее нагретому, а не наоборот. При торможении автомобиля или поезда кинетическая энергия последних расходуется на нагревание тормозных устройств и выделившаяся теплота рассеивается в окружающих телах. Эта рассеянная теплота не может каким-то образом собраться и превратиться в кинетическую энергию автомобиля. Такие процессы не противоречили бы первому закону термодинамики, поскольку в них выполнялось бы определенное соотношение между теплотой и работой, но такие процессы противоречат второму закону термодинамики, который, подобно первому закону, является обобщением опытных фактов.