5.4 Обратимость термодинамических процессов

Задачей термодинамики является разработка рекомендаций по организации рабочего процесса теплового двигателя по наиболее экономичному и эффективному круговому процессу. Для определения степени совершенства любого термодинамического процесса и вводится понятие идеального обратимого процесса.

Обратимым называется такой процесс изменения теплового состояния рабочего тела, в котором отсутствуют потери любого рода (как внутренние, так и внешние). Этот процесс протекает как в прямом, так и в обратном направлении без остаточных изменений в рабочем теле и окружающей среде. Внешние потери связаны с теплообменом с окружающей средой, с трением рабочего тела о стенки ограничивающих каналов. Внутренние потери связаны с теплообменом между отдельными участками тела, трением между ними и т.д.

Следует еще раз подчеркнуть, что термодинамика изучает только равновесные состояния и равновесные процессы (т.е. такие, для которых предполагается, что по всей массе рабочего тела каждый из параметров имеет одинаковое значение, т.е. в различных частях объема данного газа давление, концентрация молекул и температура одинаковы). Только для таких состояний и таких процессов известны характеристические уравнения и уравнения процессов изменения состояния.

Понятие равновесного процесса необходимо потому, что отсутствие потерь любого рода для обратимых процессов предопределяет наличие требований, предъявляемых к равновесным процессам.

Представим, что в процессе идеального сжатия 1-2 рабочее тело последовательно проходило ряд промежуточных состояний abcd (рис. 19). Если затем нагрузку на поршень снять и обеспечить идеальное политропное расширение, рабочее тело возвратится в положение 1 через все те же промежуточные точки dcba. Таким образом, из-за отсутствия потерь любого рода, идеальный политропный процесс называется обратимым.

Отсутствие потерь является основой понятия обратимости, а совпадение кривых сжатия и расширения является следствием этого.

Определим условия, которые должны быть созданы, чтобы термодинамический

процесс был обратимым.

Рис.19

Отсутствие потерь на трение обеспечится, видимо, бесконечно малым изменением давления по объему рабочего тела.

Тепловые потери связаны с неравномерностью распределения температуры, которое может быть устранено при условии наличия бесконечно малой разности температур между ГИ и РТ. Таким образом, практически осуществить обратимый процесс нельзя. Приближается к обратимым процесс под поршнем, нагружаемым пылевидным грузом.

Все действительные процессы далеки от идеальных, и, потому не обратимы (они протекают с достаточно высокими скоростями и часто сопровождаются еще и агрегатным изменением состояния рабочего тела). Это приводит к тому, что часть тепловой энергии расходуется на преодоление потерь. Реальные процессы практически невозможно изобразить графически или описать математически из-за сложнейших физических превращений, происходящих в рабочих телах вследствие трения.

Поэтому в термодинамике вынуждены прибегать к такому понятию, как квазистатические процессы и состояния (quazi – по латыни якобы, как бы). После введения такого понятия становится возможным оценивать различные термодинамические процессы.

Очевидно, что наиболее экономичной будет тепловая машина, работающая по циклу, состоящему из наиболее обратимых процессов. Из всего множества политропных процессов хоть чем-то напоминают обратимые адиабатный и изотермный процессы.

Следует еще раз особо подчеркнуть два обстоятельства: 1) обратимые процессы сжатия и расширения изображаются одной и той же линией;

2) при взаимодействии рабочего тела с источником теплоты процессы протекают при бесконечно малой разности температур между РТ и ИТ.

Протекание процессов р = const и v = const отмечается той особенностью, что в них требуется теплообмен, т.е. температура РТ меняется. Поэтому необходимо совершать подвод и отвод тепла при помощи бесконечно большого числа теплообменников, температуры которых отличаются на бесконечно малую величину.