Мои Конспекты
Главная | Обратная связь


Автомобили
Астрономия
Биология
География
Дом и сад
Другие языки
Другое
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Металлургия
Механика
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Туризм
Физика
Философия
Финансы
Химия
Черчение
Экология
Экономика
Электроника

Лекция 3. Второй закон термодинамики



Обратимые и необратимые процессы

Одним из важнейших понятий термодинамики является понятие об обратимых и необратимых процессах.

Процесс перехода системы из состояния 1 в состояние 2 является обратимым, если возвращение этой системы в исходное состояние (из 2 в 1) может быть осуществлено через те же промежуточные состояния и при этом (после возвращения системы в исходное состояние) в окружающей среде не останется никаких изменений.

Если же такое возвращение невозможно, то данный прямой процесс является необратимым.

Рассмотрим следующий пример.

Рис. 3.1

1. В цилиндре под невесомым поршнем, нагруженным сверху гирей массы М, находится газ (рис. 3.1). Над поршнем - вакуум. Трение и протечка газа между цилиндром и поршнем отсутствуют. Очевидно, давление газа равно , где g - ускорение земного тяготения, а

F - площадь поршня.

Рассмотрим теперь процесс равновесного расширения этого газа в результате подвода к нему через стенки цилиндра теплоты Q. Газ, расширяясь при постоянном давлении, поднимет поршень с гирей из положения 1 в положение 2 на высоту h и произведет при этом работу против силы тяжести .

Для возвращения системы в исходное состояние отнимем (в равновесном процессе) от газа то же самое количество теплоты. Поршень опустится на ту же самую величину h и при этом сила тяжести произведет над газом такую же работу .

Таким образом, при возвращении системы в исходное состояние во внешней среде не произойдет никаких изменений, так как работа и теплота в прямом и в обратном процессах одинаковы по величине и противоположны по знаку. Следовательно, данный процесс расширения газа является обратимым.

Обязательным условием обратимости этого процесса (как и любого другого) является его равновесность, так как иначе, например, давление газа на поршень не равнялось бы среднему давлению газа в цилиндре, что привело бы к потере части работы, и т.д.

2. Рассмотрим такой же процесс расширение газа в том же цилиндре, но при наличии трения поршня о стенки цилиндра. Пусть давление газа р при его расширении и перемещение поршня на высоту h такие же, как и в предыдущем случае. Но из-за наличия трения масса гири М¢, которая может быть поднята поршнем, будет меньше М. Работа, совершенная газом против силы тяжести, будет равна (т.е. меньше, чем при отсутствии трения). А чтобы вернуть поршень в исходное положение при том же давлении газа придется приложить к поршню с гирей (массой М¢ ) дополнительную силу, т.е. совершить дополнительную работу, что приведет к изменению состояния внешней среды. Следовательно, процесс 1-2 в этом случае является необратимым.

Из приведенного примера видна характерная особенность необратимого процесса, заключающаяся в том, что работа против внешних сил в таком процессе при прочих равных условиях меньше той, которую можно было бы получить при его обратимом протекании.

В данном случае потеря работы связана с тем, что при движения поршня часть механической работы переходит (в результате трения) в теплоту, т.е. в энергию хаотического движения микрочастиц. Такие процессы называются диссипативными.Их наличие всегда приводит к необратимости термодинамического процесса, в котором они наблюдаются.

Рис. 3.2

3. Рассмотрим еще один пример - расширение газа в пустоту. Пусть в системе (рис. 3.2) имеются две полости 1 и 2, соединенные каналом, перекрытым краном 3. В левой полости находится газ с давлением p1. Правый сосуд пуст (вакуумирован). Если открыть кран, то газ, расширяясь, будет перетекать в правый сосуд. После установления равновесия давление газа станет одинаковым в обоих сосудах и равным . При этом газ, расширяясь, в данном случае не совершит никакой полезной работы. Однако, для возвращения системы в исходное состояние, т. е. длявозвращения всего газа в левый сосуд, потребуется работа сжатия, подведенная извне. Следовательно, данный процесс является необратимым.

4. Еще одним типичным примером необратимого процесса является процесс передачи теплоты от тела с более высокой температурой к телу с меньшей температурой. Как известно, если передача теплоты от горячего тела к холодному при их контакте проходит самопроизвольно, то обратный процесс (например, охлаждение продуктов в холодильнике) возможен лишь при затрате энергии извне, т. е. при изменении состояния внешней среды.

Подчеркнем, что любой самопроизвольный процесс является необратимым. Действительно, самопроизвольный процесс протекает до тех пор, пока в системе не установится равновесие. Система же, достигшая равновесного состояния, не способна к самопроизвольному выходу из этого состояния. Иначе говоря, обратный процесс по отношению к данному самопроизвольному может быть осуществлен лишь путем подвода энергии извне, т.е. с изменением состояния внешней среды.

Заметим при этом, что самопроизвольные процессы являются неравновесными, т.к. самопроизвольное протекание какого-либо процесса возможно лишь при отсутствии равновесия в системе.

Все процессы, протекающие в природе или в технических устройствах, в той или иной мере являются необратимыми из-за конечной скорости их протекания (ведущей к неравновесности) и (или) из-за наличия диссипативных эффектов, например, трения.

 




Поиск по сайту:







©2015-2020 mykonspekts.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.