ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Аналитическое выражение для работы и теплоты процесса из "Техническая термодинамика " Если изменяются внешние условия, в которых находится термодинамическая система, то будет изменяться и состояние системы, так что внутренние термодинамические параметры, характеризующие состояние системы, будут иметь в разные моменты времени различные значения. Последовательность изменений состояния системы образует термодинамический процесс. [c.18] Всякий процесс изменения состояния тела представляет собой отклонение от состояния равновесия. Нарушение равновесия приводит к возникновению внутри тела процессов, противодействующих отклонению от состояния равновесия. Этими внутренними процессами, компенсирующими нарушение равновесия и восстанавливающими его, являются элементарные процессы обмена энергией при столкновении молекул. [c.18] Рассмотрим, например, что происходит в газе, находящемся в цилиндре под поршнем, при смещении последнего, т. е. при изменении объема газа. Движение поршня сопровождается совершением работы за счет энергии прилегающих к поршню слоев газа. [c.19] При расширении газа, когда лоршень перемещается вверх, ближайшие к поршню молекулы газа отдают часть своей кинетической энергии поршню, а при движении поршня вниз, наоборот, получают некоторую избыточную кинетическую энергию по сравнению с молекулами внутренних слоев. Вследствие этого в слое газа под движущимся поршнем кинетическая энергия молекул, а следовательно, и температура и давление, а также плотность газа будут иметь иные значения, чем внутри цилиндра, т. е. газ окажется неоднородным. Возникновение неоднородности вызовет внутри газа ноток энергии в таком направлении, при котором эта неоднородность уменьшается. Действительно, молекулы газа постоянно сталкиваются, причем каждые две сталкивающиеся молекулы в результате соударения обмениваются кинетическими энергиями. Благодаря соударениям молекул, находящихся под движущимся вверх поршнем, с молекулами более глубоких слоев, обладающими большей энергией, энергия первых молекул будет возрастать. Наоборот, молекулы, находящиеся под движущимся вниз поршнем, будут при столкновении передавать избыточную энергию другим молекулам, в результате чего подводимая от поршня к газу энергия будет постепенно распределяться между всеми молекулами газа. [c.19] Для того чтобы процесс выравнивания энергий успел произойти и тело, выведенное из состояния равновесия, снова вернулось к нему, необходимо некоторое время, являющееся характерным для данного процесса и называемое временем релаксации. Если поршень движется настолько медленно, что время, в течение которого он перемещается на заметную величину, велико по сравнению со временем, необходимым для выравнивания энергий молекул, т. е. со временем релаксации, то нарушения однородности внутри газа будут исчезающе малы и газ, несмотря на перемещение поршня и изменение объема, будет практически находиться в состоянии равновесия. [c.19] Аналогичным образом происходит выравнивание энергий молекул при нагревании газа. Если последнее происходит достаточно медленно, то возникающие неоднородности будут успевать рассеиваться, вследствие чего газ в течение всего процесса будет находиться в состоянии, почти не отличающемся от состояния равновесия. [c.19] Из всего сказанного выше следует, что термодинамическое равновесие является динамическим, т. е. результатом двух происходящих во взаимно противоположных направлениях процессов. Равенство скоростей прямого процесса (отклонения) и вызванного им обратного процесса (выравнивания) и означает состояние термодинамического равновесия, которое в самом общем виде должно рассматриваться как особый случай теплового движения. [c.19] Процесс, протекающий настолько медленно (квазистатически), что в системе в каждый момент времени успевает установиться практически равновесное (т. е. очень близкое к равновесию) состояние, представляет собой квазиравновесный процесс. Степень приближения этого процесса к строго равновесному процессу будет тем больше, чем меньше скорость изменения состояния системы. В пределе мы приходим к бесконечно медленному процессу, который является вполне равновесным и представляет собой совокупность последовательно проходимых системой состояний равновесия. Если состояние системы в каждый момент времени не является состоянием равновесия, то такой процесс изменения состояния называется неравновесным. В неравновесном состоянии внутренние параметры системы вообще не определяются однозначно внешними условиями поэтому для характеристики неравновесного состояния нужно в отличие от равновесного состояния, помимо внешних условий, задавать еще один или несколько внутренних параметров (например, распределение плотности). [c.19] Особенности характера каждого из процессов изменения состояния тела определяются теми конкретными физичеСКИМИ УСЛОВИЯМИ, В которых протекает данный процесс. [c.19] В общем виде термодинамический процесс характеризуется условием X= onst, где X — один из внешних или внутренних параметров системы или некоторая функция их. [c.20] Среди различных термодинамических процессов особый интерес представляют так называемые замкнутые или круговые про-цессы, при которых система, пройдя через ряд последовательных со-сгояний, возвращается к исходному или начальному состоянию. Круговой процесс называют также циклом. [c.20] Равновесные процессы изменения тела допускают непосредственное графическое изображение. [c.20] В самом деле, всякий равновесный процесс изменения состояния тела представляет собой совокупность последовательно проходимых телом состояний равновесия, и поэтому в любой момент времени термодинамические параметры, в частности термические параметры тела р, Т и V, имеют вполне определенные значения, равные значениям их в состоянии равновесия. Благодаря этому каждое из состояни й тела в равновесном процессе может быть изображено в термодинамическом пространстве в виде точки с координатами, равными значениям давления, температуры и объема тела в данный момент. Совокупность этих точек образует в термодинамическом пространстве непрерывную линию, которая и представляет собой графическое изображение равновесного процесса вид этой линии зависит от закона, по которому происходит изменение состояния тела. [c.20] Неравновесные, в частности быстро протекающие, процессы, при которых термические параметры тела (все или некоторые) различны в разных частях тела и поэтому не имеют определенного для всего тела в целом значения, графически изображаться в виде линии в пространстве р—Т—V не могут. Условно эти процессы изображают иногда пунктирной кривой. [c.20] Работа L зависит от пути, по которому система из состояния 1 переходит в состояние 2, т. е. является функцией процесса, а не состояния. Это ясно видно, в частности, из выражения для работы равновесного процесса, осуществляемого однородным телом. Давление р зависит в этом случае не только от объема V тела, но и от его температуры / эта зависимость определяется уравнением состояния тела. Поэтому при переходе из одного и того же начального состояния 1 в одно и то же конечное состояние 2 давление р в промежуточных точках будет иметь разные значения в зависимости от величины температуры, которая меняется в различных процессах по-разному. Соответственно этому будет различна и работа процесса L. [c.21] Работу, совершаемую системой против внешних сил при увеличении объема, называют работой расширения, а работу, совершаемую внешними силами над системой при уменьшении объема системы, — работой сжатия. Работа расширения имеет положительный знак, работа сжатия — отрицательный. [c.21] Работу системы, отнесенную к 1 кг ее массы, называют удельной работой и обозначают I. [c.21] Уместно напомнить здесь, что механическая работа, совершаемая системой в процессе изменения ее состояния, не равна нулю толькО в том случае, когда в результате процесса происходит перемещение внешних по отношению к системе тел. При расширении тела в пустоту (т. е. в вакуум), когда никакого перемещения внешних тел не происходит, работа равняется нулю, что вытекает и из выражения (1-14), поскольку при расширении в пустоту на границах тела и внешней среды давление р равно нулю. [c.21] Вернуться к основной статье