Изменение состояния системы, характеризующееся изменением ее термодинамических параметров, называется термодинамическим процессом . Иными словами, если система переходит из исходного состояния в конечное, отличное от исходного, то совершается процесс. Чаще всего в термодинамике рассматриваются следующие процессы:

1) изотермический (T = const ), {греческое therme – жар, теплота};

2) изобарный (р = const ), {греческое baros – тяжесть, вес};

3) изохорный ((V = const ), {греческое chora – пространство};

4) изобарно-изотермический (р = const, Т = const );

5) изохорно-изотермический (V = const, Т = const );

6) адиабатический (отсутствует обмен теплотой между системой и внешней средой).

Процесс, в результате которого система, выйдя из начального состояния и претерпев ряд превращений, вновь в него возвращается, называется круговым процессом или циклом .

Изменение состояния системы может происходить при различных условиях. Поэтому различают в первую очередьравновесные (квазистатические ) и неравновесные процессы. Процесс, рассматриваемый как непрерывный ряд равновесных состояний системы. называется равновесным процессом . При равновесном процессе все параметры системы меняются бесконечно медленно, так что система все время находится в состоянии равновесия.

Чтобы термодинамический процесс осуществлялся квазистатически (равновесно), необходимо выполнение следующих условий :

1. Бесконечно малая разность действующих и противодействующих сил (например, давление в системе на бесконечно малую величину отличается от внешнего давления).

2. Бесконечно медленное течение процесса.

3. Совершение максимальной работы (при неравновесном процессе работа всегда меньше, чем при равновесном и может быть равной нулю – например, расширение идеального газа в вакуум).

4. Изменение внешней силы на бесконечно малую величину меняет направление процесса на обратный.

5. Абсолютные значения работ прямого и обратного процессов одинаковы, а их пути совпадают.

Процесс перехода системы из неравновесного состояния в равновесное называетсярелаксацией , а продолжительность этого процесса – временем релаксации . У различных процессов время релаксации неодинаково: от 10 -7 секунды для установления равновесного давления в газе до нескольких лет при выравнивании концентраций в твердых сплавах.

Следует отметить, что реальные процессы протекают при нарушении равновесия между системой и окружающей средой, при этом возникают потоки энергии и или вещества внутри системы, нарушая в ней равновесие. Поэтому реальные процессы, протекающие с нарушением равновесного состояния системы, являются неравновесными . В классической (феноменологической) термодинамике изучаются только равновесные процессы . Выводы, полученные термодинамикой для равновесных процессов, играют в ней роль своего рода предельных теорем.

Физически бесконечно медленным или квазистатическим (равновесным) изменением какого-либо параметра «а » называют такое его изменение со временем, когда скорость изменения da /dt значительно меньше средней скорости изменения этого параметра при релаксации (здесь t – время). Если при релаксации параметр «а » изменился на Δа , а время релаксации τ , то при равновесных процессах

Если изменение параметра «a » происходит за время t , меньшее или равное времени релаксации τ , так что

то такой процесс является неравновесным или нестатическим .

Кроме понятий равновесных (квазистатических) и неравновесных процессов в термодинамике все процессы делят на обратимые и необратимые . Обратимый термодинамический процесс – процесс перехода термодинамической системы из одного состояния в другое, который может протекать как в прямом, так и в обратном направлении через те же промежуточные состояния без каких бы то ни было изменений в окружающей среде . Если же процесс перехода системы из одного состояние в другое нельзя осуществить в прямом и обратном направлениях без изменения в окружающей среде, то его называют необратимым процессом. Очевидно, что равновесный процесс всегда обратим, а обратимый процесс всегда протекает равновесным путем .

Примеры необратимых процессов :

1. Процесс теплопередачи при конечной разности температур необратим . Обратимый процесс (как равновесный) начинается с состояния равновесия. Наличие разности температур указывает на неравновесность (нестатичность) процесса.

2. Расширение газа в вакуум необратимo , поскольку при таком расширении не совершается работа, а сжать газ так, чтобы не совершить работы, невозможно.

3. Процесс диффузии газов необратим . Если в сосуде с двумя различными газами, разделенными перегородкой, убрать перегородку, то каждый газ будет диффундировать в другой. Для разделения газов каждый из них нужно сжимать. Чтобы они не нагревались, необходимо отнять у них теплоту и превратить в работу, что невозможно без изменения в окружающей среде (второй закон термодинамики).

Термодинамические процессы. 2.3.1. Понятие термодинамического процесса

2.3.1. Понятие термодинамического процесса

Общее представление о состоянии системы и ее изменениях (процессах) изложено в подпункте 1.1.3.

Термодинамический процесс – это определенная последовательность изменения параметров состояния рабочего тела системы.

Термодинамические процессы могут быть равновесными и неравновесными, обратимыми и необратимыми. Если изменение состояния термодинамической системы протекает с нарушением ее внутреннего равновесия, то имеет место неравновесный термодинамический процесс. Реальные процессы, наблюдаемые в природе, в эксперименте, в машинах, являются неравновесными, их описание методами термодинамики невозможно.

С целью изучения основных свойств систем при обмене энергией с окружающей средой используют подход научной абстракции, идеализируют реальные процессы, принимая их за равновесные.

Термодинамический процесс, протекающий с бесконечно малым

отклонением состояния системы от равновесного, называется

р а в н о в е с н ы м.

Понятие об обратимых и необратимых процессах изложено в подпункте 1.1.5. Ниже рассматриваются только равновесные и обратимые термодинамические процессы идеального совершенного газа.

Для равновесной термодинамической системы связь между термодинамическими параметрами устанавливается уравнением состояния идеального газа (2.9). Следовательно, это уравнение справедливо и для равновесного термодинамического процесса не только в начальном и конечном состояниях системы, но и в любом промежуточном ее состоянии.

В общем случае в процессе могут изменяться произвольно (независимо) два термодинамических параметра из трех. Изучение работы тепловых машин показывает, что наибольший интерес для практики представляют конкретные термодинамические процессы, а именно изменения состояния, протекающие при постоянных давлении, объеме, и температуре, а также без теплообмена с окружающей средой. Их характерной особенностью является то, что для совершенного газа величина теплоемкости на всем протяжении процесса остается неизменной.

В термодинамике широко используются графические методы анализа процессов. При этом удобнее использовать не пространственные трехмерные изображения линий, описываемых функцией f(p,v,T) , а их двухмерные проекции на одну из трех координатных плоскостей. Как правило, используется графическое изображение термодинамических процессов в координатах pv и Ts, а в особых случаях – в координатах i s; p i; id и др.

В pv и Ts – координатах на рис.2.3 и 2.4 показан произвольный

термодинамический процесс изменения параметров от состояния 1 до состояния 2.

Рис 2.3 Рис. 2.4

На рис. 2.3 площадь, ограниченная кривой процесса 1-2, осью абсцисс и крайними ординатами a и b , как было показано в 1.2.5, численно равна работе расширения, а площадь, ограниченная кривой процесса, осью ординат и крайними абсциссами c и d, – технической работе.

В Ts - координатах площадь, ограниченная кривой процесса 1-2, осью абсцисс и крайними ординатами а и b, выражается интегралом:

F а-1-2- б =

Поскольку dq = Tds или q = , то F а-1-2-б численно равна подведенной теплоте в процессе.

Так как указанные площади зависят от характера процесса, то теплота и работа являются его функциями.

Независимо от особенностей процесс их анализа проводится в определенной последовательности, заключающейся в следующем:

– устанавливается характер процесса, назначается постоянный параметр;

– с использованием первого закона термодинамики и конкретных особенностей процесса выводится его уравнение;

Под термодинамическим процессом понимается совокупность последовательных состояний, через которые проходит термодинамическая система при ее взаимодействии с окружающей средой.

Состояние термодинамической системы может быть равновесным и неравновесным. Равновесным называется такое состояние системы, при котором во всех точках ее объема все параметры состояния и физические свойства одинаковы (давление, температура, удельный объем и др.). В термодинамике постулируется, что изолированная система с течением времени всегда приходит в состояние термодинамического равновесия и никогда не может самопроизвольно выйти из него.

Все процессы, происходящие в термодинамической системе, подразделяются на равновесные и неравновесные. Равновесными называются такие процессы, когда система проходит ряд последовательных равновесных состояний. Если процесс протекает настолько медленно, что в каждый момент времени устанавливается равновесие, то такие процессы называются квазистатическими. Эти процессы обладают свойствами обратимости.

Неравновесными называются такие процессы, при протекании которых система не находится в состоянии равновесия. Процесс перехода системы из неравновесного состояния в равновесное называется релаксацией, а время перехода в состояние равновесия - временем релаксации.

Все реальные процессы, протекающие в природе, являются неравновесными. Это определяется тем, что при протекании процесса с конечной скоростью в рабочем теле нс успевает установиться равновесное состояние. Например, при быстром расширении газа в цилиндре с поршнем температура и давление в различных точках объема рабочего тела не будут одинаковыми, т.с. будет иметь место неравновесное состояние, а сам процесс будет неравновесным. Следовательно, реальные процессы, будучи неравновесными, могут лишь в той или иной степени приближаться к равновесным, никогда с ними в точности не совпадая.

Однако термодинамика в первую очередь рассматривает равновесные процессы и равновесные состояния, так как только равновесные состояния могут быть описаны количественно с помощью уравнений состояния. Лишь равновесные процессы изменения состояния термодинамической системы можно изображать графически. Всякое произвольно взятое равновесное состояние в трехосной системе координат pvT изображается точкой, а совокупность этих точек при непрерывном изменении состояния - некоторой кривой, представляющей собой графическое изображение равновесного процесса. Однако использовать трехосную систему координат затруднительно, поэтому на практике пользуются проекциями кривых трехосной системы на плоскости в прямоугольной системе координат. В технической термодинамике для исследования равновесных термодинамических процессов наиболее часто применяют двухосную систему координат pv. В этой системе координат вертикаль изображает изохорный процесс, горизонталь - изобарный, кривая вида гиперболы - изотермический (рис. 1.2). Кроме того,

Рис. 1.2.

в термодинамике рассматриваются процессы адиабатный , совершающийся при отсутствии теплообмена (dq = 0) и политропный (обобщающий процесс), частными случаями которого являются первые четыре процесса.

Любой параметр состояния является также функцией состояния, так как его изменение в любом термодинамическом процессе не зависит от вида процесса, а определяется лишь начальным и конечным состояниями.

К термодинамическим процессам относится также круговой процесс , или цикл. Циклом называется совокупность процессов, возвращающих систему в первоначальное состояние. На диаграммах цикл изображается замкнутым контуром, вид которого полностью определяется числом и формой составляющих цикл процессов. Графическое изображение и изучение циклов в пространственной системе координат было бы еще более трудным, чем изображение отдельных процессов. Поэтому цикл также проектируется на одну из координатных плоскостей.

Термодинамические процессы.

Всякий термодинамический процесс может возникнуть только при нарушении механического или термического равновесия, т.е. при сжатии или расширении газа (давление среды больше или меньше давления газа), при нагреве или охлаждении газа (температура среды больше или меньше температуры газа). Чем сильнее нарушается равновесие, тем быстрее в общем случае проходит процесс и тем более резко будет нарушаться состояние покоя газа.

В ходе термодинамического процесса будут меняться равновесные параметры системы (тела), связь между которыми дается уравнением состояния f(p,V,T)=0 , и внутренняя энергия, изменение которой можно определить по уравнению вида f(U, T, V)=0 .

В термодинамике процессы, подчиненные закономерности, выражаемой условием φ=const, называются политропными (с греч. многообразными). Изменение параметров газа в политропном процессе, определяется величиной n , называемой показателем политропы и для каждого процесса она постоянна.

Исследование процессов при разных значениях n приводит нас к некоторым частным случаям политропных процессов, особо выделяемым при изучении:

Изобарный процесс (постоянное давление), показатель политропы равен 0;

Изотермический процесс (постоянная температура), показатель политропы равен 1;

Адиабатный процесс (процесс без обмена теплотой с окружающим пространством), показатель политропы равен постоянному числу;

Изохорный процесс (объем постоянен), показатель политропы равен множеству.

Свойство вещества, указывающее количество энергии, которую можно преобразовать в теплоту, называют – энтальпия. Это значит, что, хотя вещество может обладать энергией на основании температуры и давления, не всю ее можно преобразовать в теплоту. Часть внутренней энергии всегда остается в веществе и поддерживает его молекулярную структуру. Часть кинетической энергии вещества недоступна, когда его температура приближается к температуре окружающей среды. Энтальпию определяют как полную энергию вещества , так как она равна сумме его внутренней энергии (и) в данном состоянии наряду с его способностью преобразовать теплоту в работу при определенной температуре и давлении (pv). Но в действительности энтальпия не указывает полную энергию вещества при данной температуре выше абсолютного нуля (-273°С). Следовательно, вместо того, чтобы определять энтальпию как полную теплоту вещества, более точно определять ее как общее количество доступной энергии вещества, которое можно преобразовать в теплоту.

H = U + pV

Единицы энтальпии - британская тепловая единица или джоуль для энергии и Btu/lbm или Дж/кг для удельной энергии.

Рассмотрим, что такое кпд тепловой машины

Термический коэффициент полезного действия

Если имеются различные циклические тепловые машины действующие между температурами Т 1 и Т 2 и если некоторые из этих систем обратимые, то к.п.д. всех систем одинаков, а необратимые будут иметь к.п.д. не превышающих к.п.д. обратимых систем.

Ничто, кроме силы трения, не мешает нам довести КПД простого механизма (рычага, блока, ворота и т.д.) до 100 %. Всю механическую энергию тела можно превратить во внутреннюю, во внутреннюю энергию самого тела и окружающих тел.

Дж/°С

Данная величина называется энтрапия

Первое начало термодинамики, устанавливает существование у всякой равновесной системы однозначной функции состояния – внутренней энергии, которая не изменяется в отсутствии внешних воздействий при любых процессах внутри системы.

Второе начало термодинамики устанавливает существование у всякой равновесной системы другой однозначной функции состояния – энтропии, которая, однако, в отличие от внутренней энергии, не изменяется у изолированной системы только в равновесных процессах и всегда возрастает при неравновесных в ней процессах. Таким образом, второй закон термодинамики представляет собой закон об энтропии.

Можно объединить математические выражения первого и второго законов термодинамики в одном уравнении:

первый

второй

откуда получаем

Это соотношение, охватывающее первый и второй законы термодинаки, называют термодинамическим тождеством. Все выведенные уравнения применимы для обратимых циклов и процессов.

Без внешнего воздействия процессы могут протекать только в том случае, когда энтропия постоянна (при обратимые процессы) или возрастает (необратимые процессы).

Невозможно построить машину, которая могла бы за счет теплоты от охлажденных тел превращала бы ее в работу.

Максимальное значение энтропии замкнутой системы достигается тогда, когда система приходит в состояние термодинамического равновесия. Такая количественная формулировка второго закона термодинамики дана Клаузиусом.

Переход из неравновесного состояния в равновесное представляет собой переход из состояния, которое может осуществляться меньшим числом способов, в состояние, осуществляемое значительно большим числом способов. Наиболее вероятным для замкнутой системы будет то состояние, которое осуществляется наибольшим числом способов, т.е. состояние теплового равновесия.

В то же время маловероятным был бы самопроизвольный выход системы из состояния равновесия. Число способов, которыми может быть осуществлено данное равновесное состояние, называется термодинамической вероятностью ω.

Число способов ω, которыми может осуществляться данное состояние системы, состоящие, например, из двух тел, равно произведению чисел способов ω 1 и ω 2 , которыми могут быть осуществлены состояния каждого из этих тел в отдельности

ω сист =ω 1 ω 2

Термодинамическая вероятность не связана с тепловыми характеристиками системы, а лишь с механическими.

При этом энтропия будет равна

где К – универсальная газовая постоянная, отнесенная к одной молекуле и равна 1,38∙10 -23 Дж/°С

К=R/N A

где R– газовая постоянная;

N A – число Авагарда.

Энтропия химически однородного тела конечной плотности при стремлении температуры к абсолютному нулю стремится к предельному значению, не зависящему от давления, плотности или фазы. Удобно поэтому принимать состояние при 0°К за некоторое начальное состояние и считать, что

Данное уравнение носит название закона Нерста или третьего закона термодинамики.

Тогда энтропия произвольного состояния определяется однозначным образом. Найденую таким образом энтропию называют иногда абсолютной энтропией.

Термодинамическому состояниюсистемы при абсолютном нуле соответствует только одно термодинамическое состояние с наименьшей энергией совместимое с данной кристалической структурой или с данным агрегатным состоянием системы.

Лекция 2

ПДК выбрососв АЭС 0,05 Зв/год для персонала0,005Зв/год для населения вблизи

Термодинамическая система может произвести полезную работу только при условии, если в ней осуществляется термодинамический процесс. В этом случае изменяются и основные термодинамические параметры Р, v и Т. Термодинамический процесс - это совокупность изменений состояний термодинамической системы при её переходе из одного состояния в другое.

Мы будем рассматривать только равновесные термодинамические процессы , протекающие в равновесных системах. Равновесным состоянием системы называется состояние, когда во всех точках системы давления и температуры одинаковы. Система, выве­денная из состояния равновесия и пре­доставленная при постоянных парамет­рах окружающей среды самой себе, че­рез некоторое время вновь придет в рав­новесное состояние, соответствующее этим параметрам. Процесс, проходящий через чередующиеся равновесные состояния системы называется равновесным процессом .

В противном случае система неравновесна . Все процессы, протекающие в реальном времени, как правило, неравновесны. Допущение о существовании равновесных систем основано на том, что любая система, выве­денная из состояния равновесия и пре­доставленная при постоянных парамет­рах окружающей среды самой себе, че­рез некоторое время вновь придет в рав­новесное состояние. Такое самопроизволь­ное (без внешнего воздействия) возвра­щение системы в состояние равновесия называется релаксацией , а промежуток времени, в течение которого реальная система возвращается в состояние равнове­сия, называется временем релаксации . Если реальный процесс протекает медленнее, чем идёт релаксация, то процесс является равновесным. Дли разных процессов и разных параметров время релаксации различно. Внутренними процессами, компенсирующими нарушение равновесия при измене­ние состояния тела и восстанавливающими термодинамическое равновесие, являются элементарные процессы обмена энергией при столкновении молекул.

Интересно отметить, что превращение энергии поступательного движения молекул в энергию вращательного движения и обратно при столкновении молекул происходит весьма быстро. Так, давление в объёме выравнивается со скоростью звука (более 340 м/с в воздухе при нормальных физических условиях). Температу­ра – значительно медленнее. Связано это с тем, что превращение энергии поступательного или враща­тельного движения молекул в колебательное при росте температуры осуществляется сравнительно медленно. Вообще все процессы обмена энергии, в которых участвуют колебательные степени свободы движе­ния молекул, требуют для своего осуществления сравнительно большого времени.

Рассмотрим, например, процесс сжа­тия газа в цилиндре. Если время смеще­ния поршня от одного положения до дру­гого существенно превышает время ре­лаксации, то в процессе перемещения поршня давление и температура успеют выровняться по всему объему цилиндра. Это выравнивание обеспечивается непре­рывным столкновением молекул, в ре­зультате чего подводимая от поршня к газу энергия достаточно быстро и рав­номерно распределяется между ними. Если последующие смещения поршня бу­дут происходить аналогичным образом, то состояние системы в каждый момент времени будет практически равновесным.

Теоретически равновесный процесс можно осуществить только при бесконечно медленном изменении состояний системы и внешних условий. В этом смысле время как действующий физический фактор в равновесных процессах не применяется.

Уравнение состояния F (Р, v, Т) = 0 в трёхосной системе координат Р, v и Т представляют собой поверхность, называемую термодинамической поверхностью . Если рассечь эту поверхность (рис. 1.8) плоскостями параллельными осям координат, то получим кривые. Например, сечение плоскостью Т = const даёт линию изменения давления в зависимости от объёма в координатах Р и v , Описываемый процесс называется изотермным.
В термодинамике чаще всего применяют двухосную систему с координатами Р и v (рис. 1.9).