Одной из основной задачей термодинамики стала разработка некоторых организационных моментов, связанных с рабочим процессом теплового двигателя. Он должен функционировать по наиболее эффективному и экономичному пути. Такой путь называют круговым процессом. Само понятие термодинамического процесса вводится для того, чтобы определить степень совершенства того или иного термодинамического процесса в определенных условиях и для решения особенных задач.
Рисунок 1. Определение обратимого процесса в термодинамике. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Равновесный процесс
Рисунок 2. Термодинамическое равновесие. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Нам известно, что любой процесс изменения в реальных условиях предполагает отклонение состояния тела от равновесия. Возникает равновесный процесс, который протекает очень медленным образом. Этого времени обычно достаточно, чтобы установить в системе требуемое равновесное состояние. Если мы рассматриваем противоположный случай, тогда возникает неравновесный процесс.
Из этих определений следует, что процесс изменения теплового состояния рабочего тела, где нет внешних и внутренних потерь, называется обратимым процессом. Подобные процессы могут возникать и сопровождаться в прямом и обратном направлении, при этом остаточные явления и изменения в рабочем теле или окружающей его среде отсутствуют.
При трении об ограничительные стенки сосудов возникают внешние потери рабочей среды. В это время происходит процесс теплообмена с окружающей средой и его очень сложно приостановить полностью. Если трение возникает на отдельных участках тела или происходит непосредственно между телами, то следует говорить о протекании внутренних потерь. Согласно установленным фактам, удалось понять, что обратимых процессов в натуральном виде не существует. Это связано с протеканием всех процессов в реальном времени с конечными скоростями.
Термодинамика стремится к изучению только таких процессов, где возникают равновесные процессы и состояния. Это означает, что каждый параметр рабочего тела должен иметь одинаковые значения по всей своей массе в разных частях объема газа, давления или концентрации молекул. При этом температура также должна иметь схожие значения. Именно для подобных состояний составляются уравнения процессов изменения состояния.
Факторы обратимости процесса
Рисунок 3. Признаки равновесности процесса. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В природе невозможно найти истинных обратимых термодинамических процессов. Необратимость в этих случаях возникает при:
- трении;
- теплоизлучении;
- других явлениях.
Тогда для создания особых условий вынужденно создают процессы, где отклонение от обратимости наступят в бесконечно маленьких масштабах. Как пример подобных процессов можно рассмотреть изотермическое сжатие или расширение идеального газа.
Обратимый термодинамический процесс довольно часто называют квазистатическим. Изменение в феноменологической термодинамике может быть представлено в виде квазистатических процессов. Оно имеет определенный вид в математическом выражении. Предполагается, что подобные явления можно зафиксировать только у сверхмалых или макроскопических тел. При составлении идеального определения, описывающего подобные процессы принято пренебрегать замкнутой системой, где не играет роли внешний мир, а также само изучаемое тело, которое заключено в определенный объем, не предполагает испарение частиц с его поверхности. Такой же процесс происходит и в обратном направлении.
Все термодинамические процессы являются необратимыми по своей сущности, однако для этого вводится понятие энтропии. Когда энтропия при изменении параметров изменяется на незначительном уровне, то наступает обратимость процесса. При совершении анализа становится понятно, что для наступления обратимости процесса необходимо бесконечно медленное изменение внешних параметров.
Также при обратимом процессе допускается возможность возвращения всей системы в первоначальное положение, при этом в окружающем мире не должны оставаться признаки протекания подобного процесса.
Процессы, которые можно зафиксировать в обычных условиях довольно далеки от идеальных. Они протекают с большими скоростями, поэтому не имеют четко выраженных признаков обратимых процессов. Частично тепловая энергия постоянно расходуется на преодоление потерь в протекающих процессах, поэтому их называют необратимыми. Реальные процессы также сложно поместить в рамки математических формул и графиков, так как в этот момент происходит череда разнообразных превращений.
В этом исследователям как раз подходит введение термина квазистатичности. Тогда возможно изучать происходящие процессы с наибольшей точностью и выбирать тот процесс, который имеет признаки эффективности и экономичности. В термодинамике таким обратимым процессом будет работа теплового объекта, где происходит цикл последовательных превращений. Проанализировав политропные процессы, можно сделать вывод, что подобными признаками обладают обратимые изотермные и адиабатные процессы.
В разрезе изучения термодинамических обратимых процессов выделяют несколько дополнительных обстоятельств:
- обратимые процессы сжатия и расширения изображаются одинаковой линией на графике;
- взаимодействие рабочего тела с источником теплоты формирует процесс с бесконечно малой разностью температур.
Цикл Карно
Рисунок 4. Цикл Карно. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Круговые процессы обычно состоят из разнообразных процессов. Для их осуществления нужно иметь бесконечное число холодных и горячих источников температуры. Это правило действует в общем смысле.
Известно, что не один из реальных циклов не может иметь значения цикла Карно. Это означает, что подобные цикловые явления состоят полностью из необратимых процессов. В то же время циклы Карно имеют четкое использование, и они выполняют определенные задачи на практике.
Он способен служить непосредственным образцом, по которому можно объективно судить о происходящих процессах в термодинамике. Также подобная закономерность будет иметь смысл для всех циклов тепловых двигателей.
