Круговой процесс (цикл). Обратимые и необратимые процессы.

Круговой процесс (цикл) - процесс, при котором система, проходя через ряд состояний, возвращается в исходное состояние. На диаграмме р-V равновесный круговой процесс изображают замкнутой кривой. Прямой цикл используют в тепловых двигателях - двигателях, действуют периодически и выполняют работу за счет полученной извне
теплоты. Обратная цикл используют в холодильных машинах - установках, действующих также периодически, но в которых за счет работы внешних сил теплота переносится в тел с высокой температурой от менее нагретых тел.

В результате кругового процесса система возвращается в исходное состояние и, значит, полное изменение внутренней энергии газа есть нуль. Поэтому первое начало термодинамики для кругового процесса

(1)

т. е. работа, которая совершается за цикл, равна количеству теплоты, полученной извне. Однако в результате кругового процесса система может теплоту как получать, так и отдавать, поэтому

где Q₁ — количество теплоты, которая получила система, Q₂ — количество теплоты, которое отдала система. Поэтому термический коэффициент полезного действия для кругового процесса

(2)

Первый закон термодинамики выражает закон сохранения и превращения энергии применительно термодинамических процессов и не позволяет определить направление протекания процессов. Чтобы в дальнейшем обсудить возможные направления протекания термодинамических процессов, разделим все процессы, которые могут происходить реально, на два класса: обратимые и необратимые.

Термодинамический процесс называют обратимым, если он может происходить как в прямом, так и в обратном направлении, причем если такой процесс происходит сначала в прямом, а затем в обратном направлении и система возвращается в исходное состояние, то в окружающей среде и в этой системе не происходит никаких изменений. Всякий процесс, не удовлетворяет этим условиям, является необратимым.

Понятие оборотного процесса можно отнести только к замкнутой системы (совокупность тел, на которые отсутствуют внешние энергетические действия и отделены от окружающих тел адиабатно оболочкой). Примерами обратимых процессов могут служить столкновения упругих тел, незатухающие колебания маятника, т.. Конечно, все процессы в реальных системах необратимы. Так, маятник через какое-то время остановится, ибо каким бы трения не было малым, но оно всегда присутствует между частями маятника и между маятником и средой.

Если перейти к тепловых процессов, то все тепловые процессы необратимы. Известно, что теплообмен всегда происходит от горячего тела к холодному, причем до тех пор, пока температуры тел не станут
одинаковыми. Например, горячий кофе, налитое в чашку, постепенно охлаждается, нагревая воздух. Но теплая кофе в чашке никогда не закипит при охлаждении окружающего воздуха. Итак, энергия всегда передается сама собой от тел с высокой температурой к телам с низкой температурой, то есть только в одном направлении. Таким образом, необратимые процессы - процессы, которые могут протекать в одном, определенном направлении.

Любой обратимый процесс является равновесным. Оборачиваемость равновесного процесса, что происходит в системе, исходит из того, что ее промежуточный состояние является состоянием термодинамического равновесия, для него «все равно», идет процесс в прямом или обратном направлении. Очевидно, что неравновесный процесс не может быть обратимым, он всегда необратим. Обратимые процессы - это идеализация реальных процессов. Но в конкретных случаях условия протекания термодинамических процессов такие, которые приблизительно можно считать обратимыми.

Энтропия.

От греческого entropia -- поворот, превращение. Понятие энтропии впервые было введено в термодинамике для определения меры необратимого рассеяния энергии. Энтропия широко применяется и в других областях науки: в статистической физике как мера вероятности осуществления какого -- либо макроскопического состояния; в теории информации -- мера неопределенности какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы. Все эти трактовки энтропии имеют глубокую внутреннюю связь.

Энтропия -- это функция состояния, то есть любому состоянию можно сопоставить вполне определенное (с точность до константы -- эта неопределенность убирается по договоренности, что при абсолютном нуле энтропия тоже равна нулю) значение энтропии.

Для обратимых (равновесных) процессов выполняется следующее математическое равенство (следствие так называемого равенства Клаузиуса)

,

где -- подведенная теплота, -- температура, и -- состояния, и -- энтропия, соответствующая этим состояниям (здесь рассматривается процесс перехода из состояния в состояние ).

Для необратимых процессов выполняется неравенство, вытекающее из так называемого неравенства Клаузиуса

,

где -- подведенная теплота, -- температура, и -- состояния, и -- энтропия, соответствующая этим состояниям.

Поэтому энтропия адиабатически изолированной (нет подвода или отвода тепла) системы при необратимых процессах может только возрастать.

Используя понятие энтропии Клаузиус (1876) дал наиболее общую формулировку 2-го начала термодинамики: при реальных (необратимых) адиабатических процессах энтропия возрастает, достигая максимального значения в состоянии равновесия (2-ое начало термодинамики не является абсолютным, оно нарушается при флуктуациях).

Второе начало термодинамики

Используя понятие энтропии и неравенство Клаузиуса (см. §57), второе начало термодинамики можно сформулировать как закон возрастания энтропии замкнутой системы при необратимых процессах: любой необратимый процесс в замкнутой системе происходит так, что энтропия системы при этом возрастает.

Можно дать более краткую формулировку второго начала термодинамики:

в процессах, происходящих в замкнутой системе, энтропия не убывает. Здесь существенно, что речь идет о замкнутых системах, так как в незамкнутых системах энтропия может вести себя любым образом (убывать, возрастать, оставаться постоянной). Кроме того, отметим еще раз, что энтропия остается постоянной в замкнутой системе только при обратимых процессах. При необратимых процессах в замкнутой системе энтропия всегда возрастает.

Формула Больцмана (57.8) позволяет объяснить постулируемое вторым началом термодинамики возрастание энтропии в замкнутой системе при необратимых процессах: возрастание энтропии означает переход системы из менее вероятных в более вероятные состояния. Таким образом, формула Больцмана позволяет дать статистическое толкование второго начала термодинамики. Оно, являясь статистическим законом, описывает закономерности хаотического движения большого числа частиц, составляющих замкнутую систему.

Укажем еще две формулировки второго начала термодинамики:

1) по Кельвину: невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу;

2) по Клаузиусу: невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому.

Можно довольно просто доказать (предоставим это читателю) эквивалентность формулировок Кельвина и Клаузиуса. Кроме того, показано, что если в замкнутой системе провести воображаемый процесс, противоречащий второму началу термодинамики в формулировке Клаузиуса, то он сопровождается уменьшением энтропии. Это же доказывает эквивалентность формулировки Клаузиуса (а следовательно, и Кельвина) и статистической формулировки, согласно которой энтропия замкнутой системы не может убывать.

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: