Оборотні процеси

У розділі «Теплові машини» ми відзначили, що ізотермічні і адіабатні процеси роблять машину Карно оборотною, але не пояснили – чому.

Крім того, ми сказали, що всі реальні процеси необоротні. Як це поєднати з згаданої оборотністю циклу Карно?

Насамперед, потрібно розповісти про найважливішу (поряд з ідеальним газом) ідеалізації в термодинаміки – рівноважних оборотних процесах.

Рівноважний стан газу (і взагалі будь термодинамічної системи) – це стан теплового равновесія24. У цьому стані визначені значення макроскопічних параметрів: тиску, обсягу, температури … Рівноважний стан може бути зображено точкою на діаграмах стану (т. Е. PV -, VT- і pT-діаграмах).

Рівноважний процес являє собою послідовний ланцюжок близьких рівноважних станів. Рівноважний процес може бути зображений безперервною лінією на діаграмах стану.

Як ви тепер розумієте, всі процеси, графіки яких ми розглядали в попередніх розділах, передбачалися рівноважними – адже тільки в цьому випадку можна говорити про «графіку процесу».

Процес можна вважати рівноважним, якщо параметри газу змінюються досить повільно. Настільки повільно, що в кожен момент часу буде встигати встановлюватися нове рівноважний стан. Такі повільні рівноважні процеси називають ще квазістатичного.

Ось приклад квазістатичного (рівноважного) процесу. Нехай є вертикальний циліндр з газом під поршнем. Покладемо на поршень піщинку. Потім другу, третю, соту, тисячну. Отримаємо надзвичайно повільне стиснення газу, що представляє собою низку змінюють один одного рівноважних станів.

Тепер почнемо знімати піщинки назад, все так само по одній. Отримаємо квазістатична рівноважний розширення газу. При цьому газ пройде у зворотному напрямку ті ж самі стани, які він проходив у попередньому процесі рівноважного стиснення. Дійсно, раз вже при кожному положенні поршня встигає встановитися теплова рівновага, то значення макроскопічних параметрів визначаються тільки самим становищем поршня, але не напрямком його руху.

Ми бачимо, що рівноважний процес є оборотним – його можна провести в зворотному напрямку через ту ж саму ланцюжок рівноважних станів. На діаграмах стану оборотний процес йде по одній і тій же лінії як у прямому, так і в зворотному напрямку.

Якщо ж замість піщинок поставити на поршень важку гирку, то процес стиснення газу піде вельми швидко. Тиск газу безпосередньо під поршнем буде більше, ніж у дна посудини, і ми вже не зможемо охарактеризувати стан газу в кожен момент часу якимось одним значенням тиску. Стани, прохідні газом, що не будуть станами теплового рівноваги (макроскопічні параметри не встигають приймати певні значення для всього газу). Стало бути, процес швидкого стиску газу буде нерівновагим.

Крім того, такий процес буде незворотним. Адже якщо настільки ж швидко розширювати газ, то тиск безпосередньо під поршнем тепер виявиться менше, ніж у дна посудини. Отже, при швидкому розширенні газ проходить через іншу ланцюжок станів, ніж у процесі стиснення.

Процеси, що йдуть нескінченно повільно, є оборотними. Це ідеалізація. Реальні процеси йдуть з кінцевою швидкістю і тому незворотні.

Посилання на основну публікацію