1.3. Поняття про термодинамічні процеси

1.3.1. Рівноважні та нерівноважні процеси

Всі процеси, які проходять в ТДС, поділяються на рівноважні і нерівноважні. Рівноважними називаються процеси, які представляють собою безперервну послідовність рівноважних станів системи. Рівноважний термодинамічний стан – це стан тіла, який не змінюється в часі без зовнішньої енергетичної дії на нього. Параметри рівноважного термодинамічного стану по всьому об`єму тіла є постійними (p, v, T = const) і дорівнюють відповідним параметрам навколишнього середовища. В стані рівноваги не відбуваються процеси теплообміну, дифузії та хімічні реакції, тобто термодинамічній рівновазі властива теплова, масова та механічна рівновага. Термодинаміка вивчає головним чином системи, які знаходяться в стані рівноваги.

Якщо хоча б один параметр ТДС змінюється, то починає змінюватись термодинамічний стан всієї системи, тобто проходить термодинамічний процес – послідовна зміна стану тіла, яка здійснюється в результаті енергетичної взаємодії тіла з навколишнім середовищем. Всякий процес зміни стану тіла являє собою відхилення від рівноважного стану.

Процеси, які протікають настільки повільно, що в ТДС (тілі) в кожний момент часу встановлюється рівноважний стан, називаються рівноважними процесами. Тому рівноважний процес може бути тільки безмежно повільним – квазістаціонарним .

Реальні процеси протікають з певною швидкістю і проходять через нерівноважні стани. Такі процеси називаються нерівноважними.

1.3.2. Оборотні та необоротні процеси

Одним із найважливіших понять термодинаміки є поняття про оборотність та необоротність процесів.

Термодинамічний процес – сукупність станів ТДС, які безперервно змінюються. Можна собі уявити два процеси, які протікають між довільними двома станами 1 та 2 термодинамічної системи і які проходять по одному і тому ж шляху: від стану 1 до стану 2 і навпаки - від стану 2 до стану 1 – так звані прямий та обернений (зворотний) процеси.

Якщо розглянути дві площини А і В на одній із яких в точці 1 розміщена кулька, то при своєму русі вниз дана кулька набуває кінетичної енергії внаслідок зменшення потенціальної. В точці 3 кулька володіє певною кінетичною енергією, за рахунок якої вона піднімається на площину В; при цьому її кінетична енергія зменшується, але за рахунок цього зростає її потенціальна енергія. Якщо тертя між кулькою та поверхнею, по якій вона рухається, відсутнє і також відсутній опір повітря руху кульки, то у відповідності із законами механіки, при русі по площині кулька підніметься на ту ж висоту, з якої вона починала свій рух по площині А, тобто, точки 1 і 2 будуть розміщені на одній і тій же висоті над горизонтом – на висоті h. В т. 2 піднімання кульки припиниться і її швидкість буде дорівнювати нулю, вона почне скочуватись вниз в зворотному напрямку і по другій площині А підніметься в точку 1 і т.д.

При обумовлених нами умовах (відсутність тертя та опору повітря ) даний процес буде оборотним.

Оборотними називаються процеси, в результаті яких в прямому та оберненому (зворотному) напрямках ТДС повертається в початковий (первинний) стан; при цьому сукупність прямого та оберненого процесів не викликає в навколишньому середовищі ніяких змін. Це є ніби її “дзеркальне відображення” прямого та оберненого процесів.

Наприклад:

2 1

обернений

(зворотний) А ∆h

В прямий

3

Рис. 1.1. До пояснення про оборотні та необоротні процеси: А, В – площини нахилені одна до одної і в точці 3 переходять одна в одну; 1, 2 – точки, в яких визначається стан системи (кульки).

Наприклад, якщо до ТДС в прямому процесі підводиться якась кількість теплоти, то в оберненому процесі від системи відводиться точно така ж кількість теплоти; - якщо в прямому процесі система здійснює роботу над зовнішнім середовищем, то в зворотному процесі зовнішнє середовище виконує над системою роботу, яка дорівнює за абсолютною величиною роботі, здійсненої в прямому процесі; - якщо в прямому процесі система розширюється, то в оберненому процесі буде мати місце стискання системи і т.д.

Необоротними називаються процеси, при проведенні яких в прямому та оберненому напрямках ТДС не повертається в початковий стан викликаючи при цьому певні зміни в навколишньому середовищі. Всі реальні самовільні процеси є необоротними – оборотних процесів в природі не існує.

Як приклад - кулька, яка рухається нахиленими площинами А та В з положення 1 в положення 2. Вона кожен раз піднімається на все меншу висоту поки не зупиниться в т. 3. В даному випадку має місце необоротна затрата енергії на подолання сил тертя та опору повітря (середовища ) і процес самовільно протікає в одному напрямку – до встановлення стану спокою системи. Виходячи із вищесказаного, можна зробити висновок, що робота може виконуватись системою лише до того моменту, поки система не прийшла в стан рівноваги.

Робота, яка затрачується на подолання сил тертя, необоротно перетворюється в теплота, яке виділяється при терті.