8128
.pdf40
2.4. Термодинамический процесс
Термодинамическим процессом называют протекающее во времени изме-
нение состояния термодинамической системы. Термодинамический процесс ха-
рактеризуется изменением параметров состояния системы.
Причиной возникновения и протекания процесса могут быть энергетиче-
ские или конструктивные (неэнергетические) воздействия на систему.
Энергетическое воздействие заключается в энергообмене (в форме теп-
лоты или работы) между системой и окружающей средой или между отдель-
ными телами внутри системы. Энергетическим воздействием является, напри-
мер, нагревание (охлаждение) газа в закрытом баллоне, в результате чего воз-
никает процесс повышения (понижения) давления газа.
Конструктивное воздействие не связано с энергообменом. Примером конструктивного воздействия является открывание вентиля на баллоне со сжа-
тым газом, в результате чего возникает процесс истечения газа в атмосферу.
Конструктивными воздействиями являются также замыкание электрической цепи; устранение теплоизоляционного слоя; обрывание нити, на которой под-
вешен груз; устранение препятствия на пути круглого тела, расположенного наверху наклонной поверхности, и т.д.
2.4.1. Равновесные и неравновесные процессы
Равновесными являются процессы, состоящие из последовательности равновесных состояний системы. В равновесном процессе термодинамическая система проходит ряд бесконечно близких состояний, каждое из которых явля-
ется равновесным.
Если хотя бы одно из состояний, входящих в термодинамический про-
цесс, неравновесно, весь процесс будет неравновесным.
Понятие процесса связано с изменением термодинамических параметров,
т.е. с наличием пространственного и временного градиентов того или иного па-
раметра. Понятие же равновесного состояния подразумевает равенство и посто-
41
янство одноименных параметров во всем объеме системы. Поэтому равновес-
ные процессы в принципе неосуществимы. Все реальные процессы, протекаю-
щие в материальном мире неравновесны.
Подробное исследование неравновесных процессов методами класси-
ческой (равновесной) термодинамики невозможно из-за неопределенности неравновесного состояния системы и сложности происходящих в ней из-
менений. На основе второго закона термодинамики можно выполнить лишь анализ принципиальных особенностей неравновесных процессов.
Для упрощения, а по сути создания условий термодинамических ис-
следований используют понятие квазистатического равновесного процесса,
т. е. процесса, протекающего с бесконечно малой скоростью, при бесконечно малых градиентах термодинамических параметров.
Если система выведена из состояния равновесия и предоставлена самой себе, то, согласно первому постулату термодинамики, через некоторое время она снова придет в равновесное состояние.
Этот самопроизвольный процесс перехода системы из неравновесного в равновесное состояние называют релаксацией. Промежуток времени, в течение которого система возвращается в равновесное состояние, является временем ре-
лаксации.
Физически бесконечно медленным или равновесным изменением какого-
либо параметра "а" называют такое его изменение со временем "t", когда ско-
рость da/dt значительно меньше скорости а/τ изменения этого параметра при релаксации за время τ протекания последней. Следовательно, равновесные
(квазистатические) процессы подчиняются условию
da |
|
a |
, |
(2.28) |
|
dt |
τ |
||||
|
|
|
а неравновесные (нестатические) – условию
da |
|
a |
. |
(2.29) |
|
|
|||
dt |
|
τ |
|
Следует отметить, что многие реальные процессы близки к равновесным.
42
Например, при расширении газа в цилиндре поршневого двигателя изме-
нение (возмущение) давления распространяется в газовой среде со скоростью звука, т.е. скорость релаксации (выравнивания) давления равна звуковой скоро-
сти. Скорость же перемещения поршня, а, следовательно, и скорость изменения давления значительно меньше звуковой. Поэтому этот процесс можно с доста-
точно большой степенью приближения считать равновесным.
Равновесные процессы являются научной абстракцией, идеализацией ре-
альных процессов, позволяющей изучать свойства термодинамической системы в процессах энергообмена.
Очевидно, что графически изображать можно только равновесные про-
цессы (например, процессы 1-2 на рис. 2.3 и 2.4), ибо каждая точка линии рав-
новесного процесса должна характеризовать определенное равновесное состоя-
ние. Неравновесные же состояния, как показано выше, не имеют графической интерпретации.
2.4.2. Обратимые и необратимые процессы
Деление процессов на обратимые и необратимые вытекает непосред-
ственно из содержания второго закона термодинамики. Этот закон определяет
невозможность протекания таких процессов, составной частью которых являлся бы некомпенсированный переход теплоты в работу. Следовательно, второй за-
кон термодинамики разделяет все процессы, допускаемые первым законом, на две группы: 1) процессы возможные и действительно происходящие и 2) про-
цессы лишь воображаемые, но, в силу законов природы, нереализуемые. Первую группу образуют процессы необратимые, вторую – процессы обратимые.
Процесс перехода изолированной системы из начального состояния в ко-
нечное (прямой процесс) называют обратимым, если возвращение этой системы в начальное состояние (обратный процесс) можно осуществить через те же про-
межуточные состояния, что и в прямом процессе, но в обратной последователь-
ности, и при этом в окружающей среде не произойдет каких-либо изменений.
43
Процессы, не удовлетворяющие этим условиям, являются необратимы-
ми. Необходимо особо подчеркнуть, что деление процессов на обратимые и не-
обратимые имеет смысл лишь применительно к конечной изолированной си-
стеме. Распространение этих понятий на неограниченную или неизолирован-
ную систему недопустимо, т.к. может привести к ошибкам в понимании второ-
го закона термодинамики.
Поскольку здесь речь идет об изолированных системах, рассматриваемые процессы являются изоэнергетическими, т.е. протекающими при постоянной полной энергии всей системы в целом. Так как любой термодинамический про-
цесс является процессом энергообмена, в данном случае энергообмен возможет только между различными частями или телами внутри изолированной системы.
При этом термодинамическая система может быть расширенной, т.е. включать в себя окружающую среду, вокруг которой имеется оболочка, непроницаемая для потоков энергии.
При необратимом процессе система не может быть возвращена в ис-
ходное состояние ни по тому же пути, по которому она пришла в конечное со-
стояние, ни по какому-либо другому пути вообще без дополнительного внеш-
него воздействия (т.е. без «принуждения»). При обратимом процессе система может вернуться в начальное состояние без дополнительного внешнего воздей-
ствия на нее, т.е. при обратной последовательности тех же изменений внешних условий, что и в прямом процессе.
Изолированная система при обратимом процессе может вернуться в ис-
ходное состояние самопроизвольно. Обратимый процесс, в частности, характе-
ризуется тем, что произведенной в течение этого процесса работы достаточно для того, чтобы возвратить систему в начальное состояние без изменения внешних условий (внешней среды). Отсюда следует, что мерой необратимости процесса может служить величина дополнительного внешнего воздействия
(например, работы), которая необходима для возвращения системы в начальное состояние, или же величина остающихся во внешней среде конечных измене-
ний после необратимого возвращения системы в начальное состояние.
44
Ниже будет показано, что универсальной мерой необратимости процесса является изменение энтропии изолированной системы.
Очевидно, что всякий равновесный (квазистатический) процесс обратим.
Действительно, при равновесном процессе состояние системы в каждый мо-
мент полностью определяется внешними параметрами и температурой. Поэто-
му при равновесных изменениях этих параметров в обратном порядке система также в обратном порядке пройдет все промежуточные состояния и придет в начальное состояние, не вызвав никакого изменения в окружающей среде.
Следовательно, обратимыми могут только равновесные процессы, и
наоборот, каждый равновесный процесс обратим.
Всякий необратимый процесс является неравновесным. Следовательно,
причиной необратимости является неравновесность. Обратное заключение в общем случае не имеет силы: существуют, хотя и весьма немногочисленные,
неравновесные процессы, которые являются обратимыми (например, сверхпро-
водимость и сверхтекучесть).
Любой обратимый процесс должен быть внутренне и внешне обратимым.
Условием внутренней обратимости является равновесность процесса измене-
ния состояния термодинамической системы. Условием внешней обратимости является равенство (или бесконечно малая разность) температур системы и окружающей среды в случае любого теплообмена между ними.
Если система имеет упругие деформируемые границы, т.е. может из-
менять свой объем, условием внешней обратимости также является равенство давлений внутри системы и в окружающей среде.
Можно привести следующие примеры необратимых процессов:
1. Движение с трением. В результате трения часть механической энергии движения расходуется на нагревание трущихся тел и окружающей среды. При обратном процессе движущемуся телу необходимо вернуть в виде работы часть энергии, затраченную на преодоление трения и перешедшую в теплоту. Однако некомпенсированный переход теплоты в работу невозможен, поэтому процесс движения с трением необратим.
45
2. Теплообмен при конечной разности температур (переход энергии в форме теплоты от более нагретого к менее нагретому телу). В этом случае для возвращения системы в исходное состояние без изменения окружающей среды необходимо отнять теплоту у холодного тела, превратить ее некомпен-
сированно в работу, а затем затратить полученную работу на увеличение внут-
ренней энергии нагретого тела. Поскольку некомпенсированное превращение теплоты в работу невозможно, процесс теплообмена при конечной разности температур необратим.
3. Расширение газа в пустоту. При таком расширении газ не совершает работу из-за отсутствия объекта последней. Поэтому внутренняя энергия и температура газа сохраняются постоянными. Для возвращения газа в исходное состояние его надо изотермически сжать, затратив внешнюю энергию в виде работы сжатия, с отводом теплоты, равной по величине работе сжатия. Чтобы в окружающей среде не произошло изменений, отведенную от газа теплоту необ-
ходимо некомпенсированно перевести в работу, которую затем вернуть окру-
жающей среде. Так как некомпенсированный переход теплоты в работу невоз-
можен, процесс расширения газа в пустоту необратим.
46
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
1.Что изучает техническая термодинамика?
2.Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.
3.Основные постулаты термодинамики.
4.Основные этапы истории развития термодинамики.
5.Полная, внешняя и внутренняя энергия тела.
6.Физическая сущность работы и теплоты.
7.Что такое эксергия?
8.Дайте определение термодинамической системы.
9.Основные зависимости по определению объёма, плотности, давления и температуры тела.
10.Укажите связь между шкалами Кельвина и Цельсия?
11.Внешние и внутренние термодинамические параметры.
12.Укажите колористические и термические уравнения простой системы.
13.Напишите термические уравнения простой системы.
14.Изображение термодинамических процессов при помощи p, v - диа-
граммы.
15.Напишите уравнение Клапейрона-Менделеева.
16.Что такое термодинамический процесс?
17.Какие процессы называют равновесными и неравновесными?
18.Дайте определение обратимого и необратимого процессов.
19.Приведите примеры необратимых процессов.
|
47 |
|
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
|
|
стр. |
ПРЕДИСЛОВИЕ……………………………………………………………….. |
3 |
|
1. |
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………….. |
5 |
|
1.1. Предмет и основные начала термодинамики……………………… |
5 |
|
1.2. Краткий исторический очерк……………………………………… |
7 |
|
1.3 Особенности научной методики…………………………………… |
14 |
2. |
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ…………………………. |
17 |
2.1.Энергия и энергообмен…………………………………………….. 17
2.1.1.Работа и теплота как формы энергообмена………………….. 19
2.1.2. Эксергия и энергия…………………………………………… 21
2.2.Термодинамическая система………………………………………. 22
2.2.1.Состояние системы……………………………………………. 24
2.2.2. |
Термодинамические параметры состояния…………..……. |
26 |
2.2.3. |
Потенциалы взаимодействия и координаты состояния…… |
34 |
2.3.Уравнения состояния………………………………………………. 34
2.4.Термодинамический процесс……………………………………….. 40
2.4.1. Равновесные и неравновесные процессы…………………… |
40 |
2.4.2. Обратимые и необратимые процессы……………………… |
42 |
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ |
|
РАБОТЫ……………………………………………………………………….. |
46 |
48
Дыскин Лев Матвеевич
Морозов Максим Сергеевич
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным и практическим занятиям
(включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Техническая термодинамика» для обучающихся по направлению подготовки 20.03.01. Техносферная безопасность направленность (профиль) Безопасность технологических процессов и производств
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» 603950, Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65.
http://www. nngasu.ru, srec@nngasu.ru