Nazywa się zmianę stanu układu, charakteryzującą się zmianą jego parametrów termodynamicznych proces termodynamiczny . Innymi słowy, jeśli system przechodzi ze stanu początkowego do stanu końcowego, który różni się od stanu początkowego, to wykonywany jest proces. W termodynamice najczęściej rozważane są następujące procesy:

1) izotermiczny (T = konst), (greckie termy - ciepło, ciepło);

2) izobaryczny(R = konst), (greckie baros - ciężkość, ciężar);

3) izochoryczny ((V = konst), (greckie chora - spacja);

4) izobaryczno-izotermiczny(R = konst, T= konst);

5) izochoryczne-izotermiczne(V = konst, T= konst);

6) adiabatyczny(między systemem a środowiskiem zewnętrznym nie dochodzi do wymiany ciepła).

Proces, w wyniku którego układ po opuszczeniu stanu początkowego i przejściu szeregu przekształceń powraca do niego ponownie, nazywa się proces okrężny lub cykl.

Zmiana stanu systemu może nastąpić w różnych warunkach. Dlatego przede wszystkim się wyróżniają równowaga (quasi-statyczny) oraz brak równowagi procesy. Proces rozpatrywany jako ciągła seria stanów równowagi układu. zwany proces równowagi . W procesie równowagowym wszystkie parametry układu zmieniają się nieskończenie wolno, tak że układ jest zawsze w stanie równowagi.

Aby proces termodynamiczny mógł przebiegać quasi-statycznie (w równowadze), muszą być spełnione następujące warunki:

1. Nieskończenie mała różnica między siłami działającymi i przeciwstawnymi (na przykład ciśnienie w układzie różni się o nieskończenie małą wartość od ciśnienia zewnętrznego).

2. Nieskończenie powolny proces.

3. Wykonanie pracy maksymalnej (w procesie nierównowagowym praca jest zawsze mniejsza niż w równowadze i może być równa zeru - np. rozprężanie gazu doskonałego w próżni).

4. Zmiana siły zewnętrznej o nieskończenie małą wartość odwraca kierunek procesu.

5. Bezwzględne wartości pracy procesów bezpośrednich i odwrotnych są takie same, a ich ścieżki są takie same.

Proces przejścia układu ze stanu nierównowagi do stanu równowagi nazywa się relaks , a czas trwania tego procesu wynosi czas relaks . Różne procesy mają różne czasy relaksacji: od 10 -7 sekund do ustalenia ciśnienia równowagi w gazie do kilku lat przy wyrównywaniu stężeń w twardych stopach.

Należy zauważyć, że rzeczywiste procesy zachodzą wtedy, gdy równowaga między systemem a otoczeniem zostaje zaburzona, a wewnątrz systemu powstają przepływy energii i/lub substancji, zaburzając w nim równowagę. Dlatego rzeczywiste procesy zachodzące z naruszeniem stanu równowagi systemu są brak równowagi . W termodynamice klasycznej (fenomenologicznej) bada się tylko procesy równowagi. Wnioski uzyskiwane przez termodynamikę dla procesów równowagowych pełnią w niej rolę swoistego twierdzenia granicznego.

Fizycznie nieskończenie powolna lub quasi-statyczna zmiana (równowaga). dowolny parametr" a” nazywa się taką zmianą w czasie, gdy tempo zmian da/dt znacznie mniej niż średnie tempo zmian tego parametru podczas relaksacji (tutaj t- czas). Jeśli podczas relaksacji parametr « a» zmieniono na Δ a i czas relaksu τ , potem o godz procesy równowagi

W przypadku zmiany parametru „ a» dzieje się w czasie t, mniejszy lub równy czasowi relaksacji τ , więc

wtedy taki proces jest brak równowagi lub niestatyczny .

Oprócz koncepcji procesów równowagowych (quasi-statycznych) i nierównowagowych w termodynamice, wszystkie procesy dzielą się na odwracalny oraz nieodwracalny . Odwracalny proces termodynamiczny - proces przejścia układu termodynamicznego z jednego stanu do drugiego, który może przebiegać zarówno w kierunku do przodu, jak iw przeciwnym kierunku przez te same stany pośrednie bez żadnych zmian w środowisku. Jeśli proces przejścia systemu z jednego stanu do drugiego nie może być przeprowadzony w kierunku do przodu i do tyłu bez zmian w środowisku, to nazywa się to nieodwracalny proces. To oczywiste proces równowagi jest zawsze odwracalny, a proces odwracalny zawsze przebiega w sposób równowagi.

Przykłady procesów nieodwracalnych:

1. Proces wymiany ciepła przy skończonej różnicy temperatur jest nieodwracalny. Proces odwracalny (jako proces równowagowy) rozpoczyna się od stanu równowagi. Obecność różnicy temperatur wskazuje na proces nierównowagowy (niestatyczny).

2. Rozprężanie gazu w próżni jest nieodwracalne, ponieważ przy takim rozszerzeniu nie jest wykonywana żadna praca i niemożliwe jest sprężenie gazu, aby nie wykonać pracy.

3. Proces dyfuzji gazów jest nieodwracalny. Jeśli w naczyniu z dwoma różnymi gazami oddzielonymi przegrodą, przegroda zostanie usunięta, wówczas każdy gaz będzie dyfundował do drugiego. Aby oddzielić gazy, każdy z nich musi być sprężony. Aby się nie nagrzewały, trzeba odebrać im ciepło i zamienić je w pracę, co jest niemożliwe bez zmiany otoczenia (druga zasada termodynamiki).

Procesy termodynamiczne. 2.3.1. Pojęcie procesu termodynamicznego

2.3.1. Pojęcie procesu termodynamicznego

Ogólna koncepcja stanu systemu i jego zmian (procesów) zawarta jest w podrozdziale 1.1.3.

Proces termodynamiczny to pewna sekwencja zmian parametrów stanu płynu roboczego układu.

Procesy termodynamiczne mogą być równowagowe i nierównowagowe, odwracalne i nieodwracalne. Jeżeli zmiana stanu układu termodynamicznego przebiega z naruszeniem jego równowagi wewnętrznej, wówczas zachodzi proces termodynamiczny nierównowagowy. Rzeczywiste procesy obserwowane w przyrodzie, w eksperymencie, w maszynach są nierównowagowe, ich opis metodami termodynamicznymi jest niemożliwy.

W celu badania podstawowych właściwości układów w wymianie energii z otoczeniem stosuje się podejście naukowej abstrakcji, idealizuje się rzeczywiste procesy, doprowadzając je do stanu równowagi.

Proces termodynamiczny przebiegający z nieskończenie małym

odchylenie stanu układu od równowagi nazywa się

r a v n o v e s n y m.

Pojęcie procesów odwracalnych i nieodwracalnych zostało opisane w podpunkcie 1.1.5. Poniżej rozważamy tylko równowagowe i odwracalne procesy termodynamiczne gazu doskonałego doskonałego.

W przypadku równowagowego układu termodynamicznego zależność między parametrami termodynamicznymi określa równanie stanu dla gazu doskonałego (2.9). W konsekwencji to równanie jest również ważne dla równowagowego procesu termodynamicznego nie tylko w stanie początkowym i końcowym układu, ale także w każdym z jego stanów pośrednich.

W ogólnym przypadku dwa z trzech parametrów termodynamicznych mogą zmieniać się dowolnie (niezależnie) w procesie. Z badań działania silników cieplnych wynika, że ​​największe zainteresowanie praktyki mają określone procesy termodynamiczne, a mianowicie zmiany stanu skupienia zachodzące przy stałym ciśnieniu, objętości i temperaturze, a także bez wymiany ciepła z otoczeniem. Ich cechą charakterystyczną jest to, że dla gazu doskonałego pojemność cieplna pozostaje niezmienna przez cały proces.

W termodynamice szeroko stosowane są graficzne metody analizy procesów. W takim przypadku wygodniej jest użyć nieprzestrzennych trójwymiarowych obrazów linii opisanych przez funkcję f(p, v, T), oraz ich dwuwymiarowe rzuty na jedną z trzech płaszczyzn współrzędnych. Z reguły we współrzędnych stosuje się graficzną reprezentację procesów termodynamicznych pv i Ts, aw szczególnych przypadkach - we współrzędnych i s; Liczba Pi; identyfikator itp.

W pv i Ts - współrzędne na ryc.2.3 i 2.4 są dowolne

termodynamiczny proces zmiany parametrów ze stanu 1 do stanu 2.

Ryc. 2.3 Ryc. 2.4

na ryc. 2.3 obszar ograniczony krzywą procesu 1-2, odciętymi i skrajnymi rzędnymi a oraz b, jak pokazano w 1.2.5, jest liczbowo równe pracy rozszerzenia, a obszar ograniczony krzywą procesu, osią rzędnych i skrajnymi odciętymi c oraz d, prace techniczne.

W Ts- koordynuje obszar ograniczony krzywą procesu 1-2, osią odciętych i skrajnymi rzędnymi a oraz b, wyraża się całką:

F a-1-2-b =

Ponieważ dq = Tds lub q =, następnie F a-1-2-b jest liczbowo równe ilości ciepła dostarczonego w procesie.

Ponieważ obszary te zależą od charakteru procesu, jego funkcjami są ciepło i praca.

Niezależnie od cech, proces ich analizy odbywa się w określonej kolejności, która wygląda następująco:

- ustala się charakter procesu, przypisuje się stały parametr;

- korzystając z pierwszej zasady termodynamiki i specyfiki procesu wyprowadza się jego równanie;

Proces termodynamiczny jest rozumiany jako zbiór następujących po sobie stanów, przez które przechodzi układ termodynamiczny podczas interakcji z otoczeniem.

Stan układu termodynamicznego może być równowagowy i nierównowagowy. równowaga nazywamy taki stan układu, w którym we wszystkich punktach jego objętości wszystkie parametry stanu i właściwości fizyczne są takie same (ciśnienie, temperatura, objętość właściwa itp.). W termodynamice postuluje się, że izolowany układ zawsze dochodzi w czasie do stanu równowagi termodynamicznej i nigdy nie może go samoistnie opuścić.

Wszystkie procesy zachodzące w układzie termodynamicznym dzielą się na równowagowe i nierównowagowe. równowaga takie procesy są wywoływane, gdy układ przechodzi przez szereg kolejnych stanów równowagi. Jeśli proces przebiega tak wolno, że w każdym momencie ustala się równowaga, wówczas nazywa się takie procesy quasi-statyczny. Procesy te mają właściwości odwracalności.

brak równowagi procesy nazywane są takimi procesami, podczas których układ nie znajduje się w stanie równowagi. Proces przejścia układu ze stanu nierównowagi do stanu równowagi nazywa się relaks a czas przejścia do stanu równowagi wynosi czas relaksu.

Wszystkie rzeczywiste procesy zachodzące w przyrodzie są nierównowagowe. Decyduje o tym fakt, że gdy proces przebiega ze skończoną prędkością, stan równowagi nie ma czasu na ustalenie się w ciele roboczym. Na przykład podczas gwałtownego rozprężania gazu w cylindrze z tłokiem temperatura i ciśnienie w różnych punktach objętości płynu roboczego nie będą takie same, t.s. nastąpi stan nierównowagi, a sam proces będzie nierównowagą. W konsekwencji rzeczywiste procesy, będąc nierównowagowymi, mogą zbliżać się do równowagi tylko do pewnego stopnia, nigdy dokładnie z nimi nie pokrywając się.

Jednak termodynamika bierze pod uwagę przede wszystkim procesy równowagi i stany równowagi, ponieważ tylko stany równowagi można opisać ilościowo za pomocą równań stanu. Graficznie można przedstawić tylko równowagowe procesy zmiany stanu układu termodynamicznego. Dowolny arbitralnie przyjęty stan równowagi w trójosiowym układzie współrzędnych pvt jest reprezentowany przez punkt, a zbiór tych punktów z ciągłą zmianą stanu jest pewną krzywą, która jest graficzną reprezentacją procesu równowagi. Jednak użycie trójosiowego układu współrzędnych jest trudne, dlatego w praktyce stosuje się rzuty krzywych układu trójosiowego na płaszczyznę w prostokątnym układzie współrzędnych. W termodynamice technicznej dwuosiowy układ współrzędnych jest najczęściej używany do badania równowagowych procesów termodynamicznych pv. W tym układzie współrzędnych pion reprezentuje izochoryczny proces, poziomy - izobaryczny, krzywa hiperboliczna - izotermiczny(Rys. 1.2). Oprócz,

Ryż. 1.2.

procesy są rozpatrywane w termodynamice adiabatyczny, co ma miejsce przy braku wymiany ciepła (dq= 0) i politropowy(proces uogólniający), którego szczególnymi przypadkami są pierwsze cztery procesy.

Każdy parametr stanu jest również funkcją stanu, ponieważ jego zmiana w dowolnym procesie termodynamicznym nie zależy od rodzaju procesu, ale jest określona tylko przez stan początkowy i końcowy.

Procesy termodynamiczne obejmują również proces okrężny, lub cykl. Cykl to zestaw procesów, które przywracają system do pierwotnego stanu. Na diagramach cykl jest przedstawiony jako zamknięty kontur, którego forma jest całkowicie zdeterminowana liczbą i kształtem procesów składających się na cykl. Graficzne przedstawienie i badanie cykli w przestrzennym układzie współrzędnych byłoby jeszcze trudniejsze niż przedstawienie poszczególnych procesów. Dlatego też cykl jest rzutowany na jedną z płaszczyzn współrzędnych.

Procesy termodynamiczne.

Każdy proces termodynamiczny może zachodzić tylko wtedy, gdy równowaga mechaniczna lub termiczna jest zaburzona, tj. gdy gaz jest sprężany lub rozprężany (ciśnienie ośrodka jest większe lub mniejsze niż ciśnienie gazu), gdy gaz jest podgrzewany lub chłodzony (temperatura ośrodka jest wyższa lub niższa od temperatury gazu). Im bardziej równowaga jest zakłócona, tym szybciej zachodzi proces w ogólnym przypadku i tym gwałtowniej zostanie zakłócony stan spoczynku gazu.

Podczas procesu termodynamicznego zmienią się parametry równowagi układu (ciała), których zależność określa równanie stanu f(p,V,T)=0, oraz energia wewnętrzna, której zmianę można określić za pomocą równania postaci f(U, T, V)=0.

W termodynamice nazywamy procesy podlegające regularnościom wyrażonym warunkiem φ=const politropowy(z greckim rozmaitością). O zmianie parametrów gazu w procesie politropowym decyduje wartość n, zwany wskaźnikiem politropy i dla każdego procesu jest stała.

Badanie procesów przy różnych wartościach n prowadzi nas do pewnych szczególnych przypadków procesów politropowych, które szczególnie wyróżniają się w badaniu:

Proces izobaryczny (ciśnienie stałe), wskaźnik politropii wynosi 0;

Proces izotermiczny (stała temperatura), indeks politropowy wynosi 1;

Proces adiabatyczny (proces bez wymiany ciepła z otaczającą przestrzenią), wskaźnik politropii jest równy stałej liczbie;

Proces izochoryczny (objętość jest stała), wykładnik politropowy jest równy zbiorowi.

Właściwość substancji, która wskazuje ilość energii, którą można przekształcić w ciepło, nazywa się - entalpia. Oznacza to, że chociaż materia może mieć energię opartą na temperaturze i ciśnieniu, nie całą energię można przekształcić w ciepło. Część energii wewnętrznej zawsze pozostaje w materii i zachowuje swoją strukturę molekularną. Część energii kinetycznej substancji nie jest dostępna, gdy jej temperatura zbliża się do temperatury otoczenia. entalpia zdefiniowana jako całkowitą energię materii, ponieważ jest równa sumie jego energii wewnętrznej (u) w danym stanie wraz z jego zdolnością do zamiany ciepła na pracę w określonej temperaturze i ciśnieniu (pv). Ale w rzeczywistości entalpia nie wskazuje całkowitej energii substancji w danej temperaturze powyżej zera bezwzględnego (-273°C). Dlatego zamiast definiować entalpia jako całkowite ciepło substancji, dokładniej zdefiniuj je jako całkowitą ilość dostępnej energii substancji, którą można przekształcić w ciepło.

H=U+pV

Jednostki entalpii- Brytyjska jednostka termiczna lub dżul dla energii i Btu/lbm lub J/kg dla określonej energii.

Zastanów się, jaka jest sprawność silnika cieplnego

Wydajność termiczna

Jeśli istnieją różne cykliczne silniki cieplne działające między temperaturami T 1 oraz T 2 a jeśli niektóre z tych systemów są odwracalne, to wydajność wszystkie systemy są takie same, a nieodwracalne będą miały wydajność. nie przekraczając wydajności układy odwracalne.

Nic poza siłą tarcia nie stoi na przeszkodzie, aby podnieść sprawność prostego mechanizmu (dźwignia, blokada, bramka itp.) do 100%. Cała energia mechaniczna ciała może zostać przekształcona w energię wewnętrzną, w energię wewnętrzną samego ciała i otaczających go ciał.

J/°C

Ta wielkość nazywa się entrapią.

Pierwsza zasada termodynamiki stwierdza istnienie w dowolnym układzie równowagi jednowartościowej funkcji stanu - energii wewnętrznej, która nie zmienia się przy braku wpływów zewnętrznych podczas jakichkolwiek procesów w układzie.

Druga zasada termodynamiki stwierdza istnienie w dowolnym układzie równowagi innej jednoznacznej funkcji stanu - entropii, która jednak, w przeciwieństwie do energii wewnętrznej, nie zmienia się w izolowanym układzie tylko w procesach równowagi i zawsze wzrasta w procesach nierównowagowych. Zatem, Druga zasada termodynamiki to zasada entropii.

Możesz połączyć matematyczne wyrażenia pierwszej i drugiej zasady termodynamiki w jednym równaniu:

pierwszy

druga

gdzie trafimy

Zależność ta, obejmująca pierwszą i drugą zasadę termodynamiki, nazywana jest tożsamością termodynamiczną. Wszystkie wyprowadzone równania mają zastosowanie do odwracalnych cykli i procesów.

Bez wpływu zewnętrznego procesy mogą przebiegać tylko wtedy, gdy entropia jest stała (w przypadku procesów odwracalnych) lub wzrasta (w przypadku procesów nieodwracalnych).

Niemożliwe jest zbudowanie maszyny, która mogłaby zamienić ją w pracę ze względu na ciepło z ochłodzonych ciał.

Maksymalna wartość entropii układu zamkniętego jest osiągnięta, gdy układ dochodzi do stanu równowagi termodynamicznej. Takie ilościowe sformułowanie drugiej zasady termodynamiki podał Clausius.

Przejście ze stanu nierównowagi do stanu równowagi jest przejściem ze stanu, który można przeprowadzić na mniejszą liczbę sposobów, do stanu, który można przeprowadzić na znacznie większą liczbę sposobów. Najbardziej prawdopodobny dla układu zamkniętego będzie stan realizowany na największą liczbę sposobów, tj. stan równowagi termicznej.

Jednocześnie samoistne wyjście układu ze stanu równowagi byłoby mało prawdopodobne. Liczba sposobów realizacji danego stanu równowagi nazywana jest prawdopodobieństwem termodynamicznym ω.

Liczba sposobów ω, na jakie może być zrealizowany dany stan układu, składającego się na przykład z dwóch ciał, jest równa iloczynowi liczby sposobów ω 1 i ω 2, w których stany każdego z te ciała oddzielnie mogą być realizowane

ω system = ω 1 ω 2

Prawdopodobieństwo termodynamiczne nie jest związane z właściwościami termicznymi układu, a jedynie z właściwościami mechanicznymi.

W tym przypadku entropia będzie równa

gdzie K jest uniwersalną stałą gazową, odniesioną do jednej cząsteczki i jest równa 1,38∙10 -23 J/°С

K=R/N A

gdzie R jest stałą gazową;

N A to numer awangardy.

Entropia chemicznie jednorodnego ciała o skończonej gęstości, gdy temperatura dąży do zera bezwzględnego, dąży do wartości granicznej, która nie zależy od ciśnienia, gęstości ani fazy. Dlatego wygodnie jest przyjąć stan 0°K jako pewien stan początkowy i założyć, że

To równanie nazywa się prawem Nersta lub trzecią zasadą termodynamiki.

Wtedy entropia dowolnego stanu jest określana jednoznacznie. Znaleziona w ten sposób entropia jest czasami nazywana entropią absolutną.

Stan termodynamiczny układu przy zerze bezwzględnym odpowiada tylko jednemu stanowi termodynamicznemu o najniższej energii zgodnej z daną strukturą krystaliczną lub z danym stanem skupienia układu.

Wykład 2

MPC dla emisji z elektrowni jądrowych 0,05 Sv/rok dla personelu 0,005 Sv/rok dla pobliskiej ludności

Układ termodynamiczny może wytwarzać użyteczną pracę tylko wtedy, gdy proces termodynamiczny. W tym przypadku zmieniają się również główne parametry termodynamiczne P, w oraz T. Proces termodynamiczny jest zbiorem zmian stanów układu termodynamicznego podczas jego przejścia z jednego stanu do drugiego.

Rozważymy tylko równowagowe procesy termodynamiczne występujące w układach równowagowych. stan równowagi Układ nazywa się stanem, w którym ciśnienie i temperatura są takie same we wszystkich punktach układu. Układ wyprowadzony ze stanu równowagi i pozostawiony sam sobie przy stałych parametrach otoczenia, po pewnym czasie ponownie dojdzie do stanu równowagi odpowiadającego tym parametrom. Nazywa się proces, który przechodzi przez naprzemienne stany równowagi układu proces równowagi.

Inaczej system brak równowagi. Wszystkie procesy czasu rzeczywistego są z reguły nierównowagowe. Założenie istnienia układów równowagi opiera się na fakcie, że każdy układ, wyprowadzony ze stanu równowagi i pozostawiony sam sobie przy stałych parametrach otoczenia, po pewnym czasie powróci do stanu równowagi. Taki spontaniczny (bez wpływu zewnętrznego) powrót układu do stanu równowagi nazywamy relaks, a przedział czasu, w którym rzeczywisty układ powraca do stanu równowagi, nazywa się czas relaksu. Jeśli rzeczywisty proces jest wolniejszy niż relaksacja, to jest to proces równowagowy. Dla różnych procesów i różnych parametrów czas relaksacji jest różny. Procesy wewnętrzne, które kompensują nierównowagę, gdy zmienia się stan ciała i przywracają równowagę termodynamiczną, są elementarnymi procesami wymiany energii podczas zderzenia cząsteczek.

Warto zauważyć, że przemiana energii ruchu postępowego cząsteczek w energię ruchu obrotowego i odwrotnie podczas zderzenia cząsteczek zachodzi bardzo szybko. Zatem ciśnienie w objętości wyrównuje się z prędkością dźwięku (ponad 340 m/s w powietrzu w normalnych warunkach fizycznych). Temperatura jest znacznie wolniejsza. Wynika to z faktu, że przemiana energii ruchu postępowego lub obrotowego cząsteczek w energię wibracyjną wraz ze wzrostem temperatury jest stosunkowo powolna. Ogólnie rzecz biorąc, wszystkie procesy wymiany energii obejmujące wibracyjne stopnie swobody ruchu molekularnego wymagają stosunkowo długiego czasu na ich realizację.

Rozważmy na przykład proces sprężania gazu cylinder . Jeżeli czas przemieszczenia tłoka z jednej pozycji do drugiej znacznie przekracza czas relaksacji, wówczas podczas przesuwania tłoka ciśnienie i temperatura będą miały czas na wyrównanie w całej objętości cylindra. To wyrównanie zapewnia ciągłe zderzenie cząsteczek, w wyniku którego energia dostarczana z tłoka do gazu jest dość szybko i równomiernie rozdzielana między nimi. Jeżeli kolejne przemieszczenia tłoka będą następować w podobny sposób, to stan układu w każdym momencie czasu będzie praktycznie równowagowy.

Teoretycznie proces równowagi może zachodzić tylko przy nieskończenie powolnej zmianie stanów układu i warunków zewnętrznych. W tym sensie czas jako aktywny czynnik fizyczny nie jest wykorzystywany w procesach równowagowych.

Równanie stanu F (P, v, T) = 0 w trójosiowym układzie współrzędnych Р, w a T reprezentują powierzchnię zwaną powierzchnia termodynamiczna. Jeśli przetniemy tę powierzchnię (ryc. 1.8) płaszczyznami równoległymi do osi współrzędnych, otrzymamy krzywe. Na przykład przekrój o płaszczyźnie T = const daje linię zmiany ciśnienia w zależności od objętości we współrzędnych P i w Opisany proces nazywamy izotermicznym.
W termodynamice układ dwuosiowy o współrzędnych P i w(Rys. 1.9).