Zmena stavu systému, charakterizovaná zmenou jeho termodynamických parametrov, sa nazýva termodynamický proces . Inými slovami, ak systém prechádza z počiatočného stavu do konečného stavu, ktorý je odlišný od počiatočného stavu, potom sa vykoná proces. V termodynamike sa najčastejšie zvažujú tieto procesy:

1) izotermický (T = konšt), (grécky therme - teplo, teplo);

2) izobarický(R = konšt), (grécky baros - ťažkosť, hmotnosť);

3) izochorický ((V = konšt), (grécky chora - priestor);

4) izobaricko-izotermický(R = konšt., T= konšt);

5) izochoricko-izotermický(V = konšt., T= konšt);

6) adiabatické(nedochádza k výmene tepla medzi systémom a vonkajším prostredím).

Proces, v dôsledku ktorého sa systém, ktorý opustil počiatočný stav a prešiel sériou transformácií, sa do neho opäť vráti, sa nazýva kruhový proces alebo cyklu.

Zmena stavu systému môže nastať za rôznych podmienok. Preto v prvom rade rozlišujú rovnováha (kvázistatické) a nerovnovážne procesy. Proces považovaný za súvislý rad rovnovážnych stavov systému. volal rovnovážny proces . V rovnovážnom procese sa všetky parametre systému menia nekonečne pomaly, takže systém je vždy v rovnovážnom stave.

Aby sa termodynamický proces mohol uskutočniť kvázistaticky (v rovnováhe), musia byť splnené nasledujúce podmienky:

1. Nekonečne malý rozdiel medzi pôsobiacimi a protiľahlými silami (napríklad tlak v systéme sa od vonkajšieho tlaku líši o nekonečne malé množstvo).

2. Nekonečne pomalý proces.

3. Urobenie maximálnej práce (pri nerovnovážnom procese je práca vždy menšia ako pri rovnovážnom a môže sa rovnať nule – napr. expanzia ideálneho plynu do vákua).

4. Zmena vonkajšej sily o nekonečne malú hodnotu obráti smer procesu.

5. Absolútne hodnoty práce priamych a reverzných procesov sú rovnaké a ich cesty sú rovnaké.

Proces prechodu sústavy z nerovnovážneho stavu do rovnovážneho stavu sa nazýva relaxácia a trvanie tohto procesu je čas relaxácia . Rôzne procesy majú rôzne relaxačné časy: od 10 - 7 sekúnd na vytvorenie rovnovážneho tlaku v plyne až po niekoľko rokov pri vyrovnávaní koncentrácií v tvrdých zliatinách.

Treba poznamenať, že skutočné procesy nastávajú vtedy, keď je narušená rovnováha medzi systémom a prostredím a vo vnútri systému vznikajú toky energie a/alebo látok, ktoré v ňom narúšajú rovnováhu. Preto sú skutočné procesy, ktoré sa vyskytujú pri porušení rovnovážneho stavu systému nerovnovážne . V klasickej (fenomenologickej) termodynamike sa študujú len rovnovážne procesy. Termodynamikou získané závery pre rovnovážne procesy v nej zohrávajú úlohu akýchsi limitných teorémov.

Fyzicky nekonečne pomalé alebo kvázistatické (rovnovážne) zmeny akýkoľvek parameter" a“ sa nazýva taká zmena v čase, kedy je rýchlosť zmeny da/dt oveľa menej ako priemerná rýchlosť zmeny tohto parametra počas relaxácie (tu t- čas). Ak počas relaxácie parameter « a» zmenené na Δ a a oddychový čas τ , potom o rovnovážne procesy

Ak zmeníte parameter " a» sa stane v čase t, menší alebo rovný relaxačnému času τ , takže

potom takýto proces je nerovnovážne alebo nestatický .

Okrem pojmov rovnovážne (kvázistatické) a nerovnovážne procesy v termodynamike sa všetky procesy delia na reverzibilné a nezvratné . Reverzibilný termodynamický proces - proces prechodu termodynamického systému z jedného stavu do druhého, ktorý môže prebiehať v doprednom aj v opačnom smere cez rovnaké medzistavy bez akýchkoľvek zmien v prostredí.. Ak proces prechodu systému z jedného stavu do druhého nie je možné uskutočniť v doprednom a spätnom smere bez zmien v prostredí, potom ide o tzv. nezvratné proces. To je zrejmé rovnovážny proces je vždy reverzibilný a reverzibilný proces vždy prebieha rovnovážnym spôsobom.

Príklady nevratných procesov:

1. Proces prenosu tepla pri konečnom teplotnom rozdiele je nezvratný. Reverzibilný proces (ako rovnovážny proces) začína stavom rovnováhy. Prítomnosť teplotného rozdielu indikuje nerovnovážny (nestatický) proces.

2. Expanzia plynu do vákua je nevratná, pretože pri takejto expanzii sa nevykonáva žiadna práca a nie je možné stlačiť plyn, aby nevykonával prácu.

3. Proces difúzie plynov je nevratný. Ak sa v nádobe s dvoma rôznymi plynmi oddelenými prepážkou prepážka odstráni, potom bude každý plyn difundovať do druhého. Na oddelenie plynov musí byť každý z nich stlačený. Aby sa nezohrievali, je potrebné odoberať im teplo a premeniť ich na prácu, čo je nemožné bez zmeny prostredia (druhý termodynamický zákon).

Termodynamické procesy. 2.3.1. Pojem termodynamický proces

2.3.1. Pojem termodynamický proces

Všeobecná predstava o stave systému a jeho zmenách (procesoch) je uvedená v článku 1.1.3.

Termodynamický proces je určitý sled zmien parametrov stavu pracovnej tekutiny systému.

Termodynamické procesy môžu byť rovnovážne a nerovnovážne, vratné a ireverzibilné. Ak zmena stavu termodynamického systému prebieha s porušením jeho vnútornej rovnováhy, potom prebieha nerovnovážny termodynamický proces. Reálne procesy pozorované v prírode, v experimente, na strojoch sú nerovnovážne, ich popis termodynamickými metódami je nemožný.

Na štúdium základných vlastností systémov pri výmene energie s prostredím sa používa prístup vedeckej abstrakcie, idealizujú sa skutočné procesy, ktoré ich považujú za rovnováhu.

Termodynamický proces prebiehajúci s nekonečne malým

odchýlka stavu sústavy od rovnováhy sa nazýva

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

Pojem vratných a nezvratných procesov je opísaný v pododseku 1.1.5. Nižšie uvažujeme len rovnovážne a reverzibilné termodynamické procesy ideálneho dokonalého plynu.

Pre rovnovážny termodynamický systém je vzťah medzi termodynamickými parametrami stanovený stavovou rovnicou pre ideálny plyn (2.9). V dôsledku toho táto rovnica platí aj pre rovnovážny termodynamický proces nielen v počiatočnom a konečnom stave systému, ale aj v ktoromkoľvek z jeho medzistavov.

Vo všeobecnom prípade sa dva z troch termodynamických parametrov môžu v procese ľubovoľne (nezávisle) meniť. Štúdium činnosti tepelných motorov ukazuje, že pre prax sú najzaujímavejšie špecifické termodynamické procesy, a to zmeny skupenstva prebiehajúce pri konštantnom tlaku, objeme a teplote a tiež bez výmeny tepla s okolím. Ich charakteristickým znakom je, že pre dokonalý plyn zostáva tepelná kapacita nezmenená počas celého procesu.

V termodynamike sa široko používajú grafické metódy na analýzu procesov. V tomto prípade je vhodnejšie použiť nepriestorové trojrozmerné obrázky čiar popísaných funkciou f(p, v, T) a ich dvojrozmerné projekcie do jednej z troch súradnicových rovín. Spravidla sa používa grafické znázornenie termodynamických procesov v súradniciach pv a Ts av špeciálnych prípadoch - v súradniciach i s; pi; id atď.

V pv a Ts - súradnice na obr.2.3 a 2.4 sú znázornené ľubovoľné

termodynamický proces zmeny parametrov zo stavu 1 do stavu 2.

Obr 2.3 Obr. 2.4

Na obr. 2.3 oblasť ohraničená procesnou krivkou 1-2, úsečka a krajné ordináty a a b, ako je znázornené v 1.2.5, sa numericky rovná práci expanzie a oblasti ohraničenej procesnou krivkou, ordinátnou osou a extrémnou úsečkou c ad, technické práce.

AT Ts- koordinuje oblasť ohraničenú procesnou krivkou 1-2, osou x a extrémnymi ordinátami a a b, je vyjadrený integrálom:

F a-1-2-b =

Pretože dq = Tds alebo q =, potom F a-1-2-b sa číselne rovná teplu dodanému v procese.

Keďže tieto oblasti závisia od povahy procesu, teplo a práca sú jeho funkciami.

Bez ohľadu na vlastnosti sa proces ich analýzy vykonáva v určitom poradí, a to takto:

- je stanovená povaha procesu, je priradený konštantný parameter;

- pomocou prvého zákona termodynamiky a špecifických vlastností procesu je odvodená jeho rovnica;

Termodynamický proces sa chápe ako súbor po sebe nasledujúcich stavov, ktorými prechádza termodynamický systém pri interakcii s prostredím.

Stav termodynamického systému môže byť rovnovážny a nerovnovážny. rovnováha nazýva sa taký stav sústavy, v ktorom sú vo všetkých bodoch jej objemu všetky stavové parametre a fyzikálne vlastnosti rovnaké (tlak, teplota, merný objem a pod.). V termodynamike sa predpokladá, že izolovaný systém sa vždy v priebehu času dostane do stavu termodynamickej rovnováhy a nikdy ho nemôže spontánne opustiť.

Všetky procesy prebiehajúce v termodynamickom systéme sú rozdelené na rovnovážne a nerovnovážne. rovnováha takéto procesy sa nazývajú, keď systém prechádza sériou po sebe nasledujúcich rovnovážnych stavov. Ak proces prebieha tak pomaly, že sa v každom časovom okamihu vytvorí rovnováha, potom sa takéto procesy nazývajú kvázistatické. Tieto procesy majú vlastnosti reverzibilnosti.

nevyrovnanosť procesy sa nazývajú také procesy, počas ktorých systém nie je v rovnovážnom stave. Proces prechodu sústavy z nerovnovážneho stavu do rovnovážneho stavu sa nazýva relaxácia a čas prechodu do rovnováhy je relaxačný čas.

Všetky reálne procesy prebiehajúce v prírode sú nerovnovážne. Je to dané skutočnosťou, že keď proces prebieha konečnou rýchlosťou, nestihne sa v pracovnom tele ustanoviť rovnovážny stav. Napríklad pri rýchlej expanzii plynu vo valci s piestom nebude teplota a tlak v rôznych bodoch objemu pracovnej tekutiny rovnaké, t.s. dôjde k nerovnovážnemu stavu a samotný proces bude nerovnovážny. V dôsledku toho sa skutočné procesy, keďže sú nerovnovážne, môžu k rovnováhe priblížiť len do určitej miery, pričom sa s nimi nikdy presne nezhodujú.

Termodynamika však berie do úvahy predovšetkým rovnovážne procesy a rovnovážne stavy, keďže iba rovnovážne stavy možno kvantitatívne popísať pomocou stavových rovníc. Graficky možno znázorniť len rovnovážne procesy zmeny stavu termodynamického systému. Akýkoľvek ľubovoľne prijatý rovnovážny stav v trojosovom súradnicovom systéme pvt je reprezentovaný bodom a množinou týchto bodov s plynulou zmenou stavu je určitá krivka, ktorá je grafickým znázornením rovnovážneho procesu. Využitie trojosového súradnicového systému je však náročné, preto sa v praxi využívajú projekcie kriviek trojosového systému na rovinu v pravouhlom súradnicovom systéme. V technickej termodynamike sa na štúdium rovnovážnych termodynamických procesov najčastejšie používa dvojosový súradnicový systém pv. V tomto súradnicovom systéme predstavuje vertikála izochorický proces, horizontálne - izobarický, hyperbolická krivka - izotermický(obr. 1.2). okrem toho

Ryža. 1.2.

procesy sa berú do úvahy v termodynamike adiabatické, ktorá prebieha pri absencii prenosu tepla (dq= 0) a polytropický(zovšeobecňujúci proces), ktorého špeciálnymi prípadmi sú prvé štyri procesy.

Každý stavový parameter je zároveň stavovou funkciou, keďže jeho zmena v akomkoľvek termodynamickom procese nezávisí od typu procesu, ale je určená len počiatočným a konečným stavom.

Termodynamické procesy tiež zahŕňajú kruhový proces, alebo cyklu. Cyklus je súbor procesov, ktoré vracajú systém do pôvodného stavu. V diagramoch je cyklus znázornený ako uzavretý obrys, ktorého forma je úplne určená počtom a tvarom procesov, ktoré tvoria cyklus. Grafické znázornenie a štúdium cyklov v priestorovom súradnicovom systéme by bolo ešte náročnejšie ako znázornenie jednotlivých procesov. Preto sa cyklus premieta aj do jednej zo súradnicových rovín.

Termodynamické procesy.

Akýkoľvek termodynamický proces môže nastať len vtedy, ak je narušená mechanická alebo tepelná rovnováha, t.j. keď je plyn stlačený alebo expandovaný (tlak média je väčší alebo menší ako tlak plynu), keď sa plyn zahrieva alebo chladí (teplota média je väčšia alebo nižšia ako teplota plynu). Čím viac je rovnováha narušená, tým rýchlejšie prebieha proces vo všeobecnom prípade a tým výraznejšie bude narušený stav zvyšku plynu.

Počas termodynamického procesu sa budú meniť rovnovážne parametre sústavy (telesa), vzťah medzi ktorými je daný stavovou rovnicou f(p,V,T)=0 a vnútorná energia, ktorej zmena môže byť určená rovnicou tvaru f(U, T, V) = 0.

V termodynamike sa nazývajú procesy podliehajúce zákonitostiam vyjadreným podmienkou φ=konšt polytropický(s gréckym potrubím). Zmena parametrov plynu v polytropickom procese je určená hodnotou n, nazývaný indikátor polytropy a pre každý proces je konštantná.

Štúdium procesov pri rôznych hodnotách n nás vedie k niektorým špeciálnym prípadom polytropných procesov, ktoré sa v štúdii osobitne rozlišujú:

Izobarický proces (konštantný tlak), polytropický index je 0;

Izotermický proces (konštantná teplota), polytropický index je 1;

Adiabatický proces (proces bez výmeny tepla s okolitým priestorom), polytropický index sa rovná konštantnému číslu;

Izochorický proces (objem je konštantný), polytropický exponent sa rovná množine.

Vlastnosť látky, ktorá udáva množstvo energie, ktorú možno premeniť na teplo, sa nazýva - entalpia. To znamená, že zatiaľ čo hmota môže mať energiu založenú na teplote a tlaku, nie všetku ju možno premeniť na teplo. Časť vnútornej energie vždy zostáva v hmote a zachováva svoju molekulárnu štruktúru. Časť kinetickej energie látky nie je dostupná, keď sa jej teplota blíži teplote okolia. entalpia definovaný ako celková energia hmoty, keďže sa rovná súčtu jeho vnútornej energie (u) v danom stave spolu s jeho schopnosťou premeniť teplo na prácu pri určitej teplote a tlaku (pv). Ale v skutočnosti entalpia neudáva celkovú energiu látky pri danej teplote nad absolútnou nulou (-273°C). Preto namiesto definovania entalpia ako celkové teplo látky, presnejšie to definujte ako celkové množstvo dostupnej energie látky, ktorú možno premeniť na teplo.

H = U + pV

Jednotky entalpie- Britská tepelná jednotka alebo joule pre energiu a Btu/lbm alebo J/kg pre špecifickú energiu.

Zvážte, aká je účinnosť tepelného motora

Tepelná účinnosť

Ak medzi teplotami pracujú rôzne cyklické tepelné motory T 1 a T 2 a ak sú niektoré z týchto systémov reverzibilné, potom účinnosť všetky systémy sú rovnaké a nezvratné budú efektívne. nepresahujúce účinnosť reverzibilné systémy.

Nič iné ako sila trenia nám nebráni dostať účinnosť jednoduchého mechanizmu (páka, blok, brána a pod.) až na 100 %. Všetka mechanická energia tela sa môže premeniť na vnútornú, na vnútornú energiu tela samotného a okolitých telies.

J/°C

Toto množstvo sa nazýva entrapia.

Prvý zákon termodynamiky stanovuje existenciu jednohodnotovej stavovej funkcie v akomkoľvek rovnovážnom systéme - vnútornej energie, ktorá sa nemení bez vonkajších vplyvov počas akýchkoľvek procesov v systéme.

Druhý termodynamický zákon zakladá v každom rovnovážnom systéme existenciu ďalšej jednoznačnej stavovej funkcie - entropie, ktorá sa však na rozdiel od vnútornej energie v izolovanej sústave nemení len pri rovnovážnych procesoch a pri nerovnovážnych procesoch v nej vždy narastá. teda Druhým termodynamickým zákonom je zákon entropie.

Matematické vyjadrenia prvého a druhého zákona termodynamiky môžete spojiť do jednej rovnice:

najprv

druhý

kam sa dostaneme

Tento vzťah, pokrývajúci prvý a druhý zákon termodynamiky, sa nazýva termodynamická identita. Všetky odvodené rovnice sú použiteľné pre reverzibilné cykly a procesy.

Bez vonkajšieho vplyvu môžu procesy prebiehať iba vtedy, ak je entropia konštantná (pre vratné procesy) alebo sa zvyšuje (nevratné procesy).

Je nemožné postaviť stroj, ktorý by ho dokázal premeniť na prácu kvôli teplu z ochladzovaných telies.

Maximálna hodnota entropie uzavretého systému sa dosiahne vtedy, keď sa systém dostane do stavu termodynamickej rovnováhy. Takúto kvantitatívnu formuláciu druhého termodynamického zákona podal Clausius.

Prechod z nerovnovážneho stavu do rovnovážneho stavu je prechodom zo stavu, ktorý možno uskutočniť menším počtom spôsobov, do stavu, ktorý možno uskutočniť oveľa väčším počtom spôsobov. Najpravdepodobnejší pre uzavretý systém bude stav, ktorý sa realizuje najväčším počtom spôsobov, t.j. stav tepelnej rovnováhy.

Zároveň by bol samovoľný odchod systému z rovnovážneho stavu nepravdepodobný. Množstvo spôsobov, ktorými možno daný rovnovážny stav realizovať, sa nazýva termodynamická pravdepodobnosť ω.

Počet spôsobov ω, ktorými možno daný stav sústavy, pozostávajúcej napríklad z dvoch telies, realizovať, sa rovná súčinu počtu spôsobov ω 1 a ω 2, v ktorých sú stavy každého z tieto telesá môžu byť realizované samostatne

ω syst = ω 1 ω 2

Termodynamická pravdepodobnosť nesúvisí s tepelnými charakteristikami systému, ale len s mechanickými.

V tomto prípade bude entropia rovná

kde K je univerzálna plynová konštanta vzťahujúca sa na jednu molekulu a rovná sa 1,38∙10 -23 J/°С

K=R/N A

kde R je plynová konštanta;

N A je číslo avantgardy.

Entropia chemicky homogénneho telesa s konečnou hustotou, keďže teplota má tendenciu k absolútnej nule, má tendenciu k limitnej hodnote, ktorá nezávisí od tlaku, hustoty alebo fázy. Je preto vhodné brať stav pri 0°K ako nejaký počiatočný stav a predpokladať ho

Táto rovnica sa nazýva Nerstov zákon alebo tretí termodynamický zákon.

Potom je entropia ľubovoľného stavu určená jednoznačne. Takto zistená entropia sa niekedy nazýva absolútna entropia.

Termodynamický stav systému pri absolútnej nule zodpovedá len jednému termodynamickému stavu s najnižšou energiou kompatibilnou s danou kryštálovou štruktúrou alebo s daným stavom agregácie systému.

Prednáška 2

MPC pre emisie JE 0,05 Sv/rok pre personál 0,005 Sv/rok pre obyvateľov v okolí

Termodynamický systém môže produkovať užitočnú prácu iba vtedy, ak termodynamický proces. V tomto prípade sa menia aj hlavné termodynamické parametre P, v a T. Termodynamický proces je súbor zmien stavov termodynamického systému pri jeho prechode z jedného stavu do druhého.

Budeme len zvažovať rovnovážne termodynamické procesy vyskytujúce sa v rovnovážnych systémoch. rovnovážny stav Systém sa nazýva stav, keď sú tlak a teplota vo všetkých bodoch systému rovnaké. Systém vyvedený z rovnovážneho stavu a ponechaný sám na seba pri konštantných parametroch prostredia sa po určitom čase opäť dostane do rovnovážneho stavu zodpovedajúceho týmto parametrom. Proces, ktorý prechádza striedajúcimi sa rovnovážnymi stavmi sústavy, sa nazýva rovnovážny proces.

V opačnom prípade systém nevyrovnanosť. Všetky procesy v reálnom čase sú spravidla nerovnovážne. Predpoklad existencie rovnovážnych systémov je založený na tom, že každý systém vyvedený z rovnovážneho stavu a ponechaný sám na seba pri konštantných parametroch prostredia sa po určitom čase vráti do rovnovážneho stavu. Takýto samovoľný (bez vonkajšieho vplyvu) návrat systému do rovnovážneho stavu sa nazýva relaxácia, a nazýva sa časový interval, počas ktorého sa reálny systém vráti do rovnovážneho stavu relaxačný čas. Ak je skutočný proces pomalší ako relaxácia, potom je proces rovnovážny. Pre rôzne procesy a rôzne parametre je čas relaxácie odlišný. Vnútorné procesy, ktoré vyrovnávajú nerovnováhu pri zmene stavu tela a obnovujú termodynamickú rovnováhu, sú elementárne procesy výmeny energie pri zrážke molekúl.

Je zaujímavé, že transformácia energie translačného pohybu molekúl na energiu rotačného pohybu a naopak pri zrážke molekúl prebieha veľmi rýchlo. Tlak v objeme sa teda vyrovnáva s rýchlosťou zvuku (viac ako 340 m/s vo vzduchu za normálnych fyzikálnych podmienok). Teplota je oveľa pomalšia. Je to spôsobené tým, že transformácia energie translačného alebo rotačného pohybu molekúl na vibračnú energiu so zvyšujúcou sa teplotou je pomerne pomalá. Vo všeobecnosti všetky procesy výmeny energie zahŕňajúce vibračné stupne voľnosti molekulárneho pohybu vyžadujú relatívne dlhý čas na ich realizáciu.

Zvážte napríklad proces stláčania plynu valec . Ak čas premiestnenia piestu z jednej polohy do druhej výrazne prekročí relaxačný čas, potom v procese pohybu piestu bude mať čas na vyrovnanie tlaku a teploty v celom objeme valca. Toto zarovnanie je zabezpečené nepretržitou zrážkou molekúl, v dôsledku čoho je energia dodávaná z piestu do plynu pomerne rýchlo a rovnomerne rozdelená medzi ne. Ak sa následné posuny piestu vyskytnú podobným spôsobom, potom bude stav systému v každom časovom okamihu prakticky rovnovážny.

Teoreticky možno rovnovážny proces uskutočniť len s nekonečne pomalou zmenou stavov systému a vonkajších podmienok. V tomto zmysle sa čas ako aktívny fyzikálny faktor v rovnovážnych procesoch nevyužíva.

Stavová rovnica F (P, v, T) = 0 v trojosovom súradnicovom systéme Р, v a T predstavujú povrch tzv termodynamický povrch. Ak túto plochu (obr. 1.8) narežeme rovinami rovnobežnými so súradnicovými osami, dostaneme krivky. Napríklad rez s rovinou T = const dáva čiaru zmeny tlaku v závislosti od objemu v súradniciach P a v Opísaný proces sa nazýva izotermický.
V termodynamike dvojosový systém so súradnicami P a v(obr. 1.9).