І. 3. Процеси. Оборотність і необоротність

Всяка зміна в системі, що пов’язана зі зміною хоч би одного її термодинамічного параметру, носить назву термодинамічного процесу. Різні способи зміни стану системи – це різні процеси. Точніше, процес може бути визначений як послідовна зміна станів або послідовність елементарних змін стану системи. В механіці, наприклад, процесові відповідає траєкторія точки, а зміні стану – переміщення її. В хімії ж процесові відповідає сукупність змін у речовині, що відображає певний механізм її перетворення, а зміні стану – перетворення речовини.

Зі сказаного зрозуміло, що для повної характеристики процесу необхідно знати, як змінюється з часом кожна із ознак системи і навколишнього середовища. Проте, мати такі дані в більшості випадків неможливо; тому обмежуються неповними характеристиками і частіше всього вказують ознаки, що залишаються в часі сталими.

Далі будемо розглядати ізобарні (р = const), ізохорні (V = const), ізотермічні (Т = const), ізобарно-ізотермічні (р = const, Т = const), ізохорно-ізотермічні (V = const, Т = const) і інші процеси.

Всі дійсні процеси відбуваються з кінечною (тобто нерівною нулю) швидкістю і їм властиві деякі характерні риси. Перш за все, в процесах, що відбуваються з кінечною швидкістю, кожна однорідна система або кожна її однорідна частина стає неоднорідною. Так, якщо температура навколишнього середовища значно більша від температури системи, то в різних точках системи температура виявиться різною – система буде термодинамічно неоднорідною. Аналогічно цьому змішування різних за хімічною природою газів викликає хімічну неоднорідність. Тільки при безмежно малій швидкості процесу відхилення від однорідності виявиться дуже малим. Практично буде досягнута термодинамічна рівновага.

Нехай система, що знаходиться в стані термодинамічної рівноваги, зазнає з боку зовнішнього середовища неперервні безкінечно малі дії, внаслідок яких вона проходить послідовний ряд рівноважних стадій. Якщо при цьому системою здійснюватиметься максимально можлива робота, то в системі протікає рівноважний термодинамічний процес.

Процес, при якому система проходить через нерівноважні стани, називається нерівноважним термодинамічним процесом. Він є наслідком кінечної дії на систему, що знаходиться в рівновазі. Порушення зв’язку між системою і навколишнім середовищем, що надає системі поштовх, який викликає виникнення нерівноважного процесу, не спричиняє зупинку процесу. Іншими словами, нерівноважний процес, розпочавшись, буде протікати в ізольованій системі до тих пір, доки в ній знову не настане стан рівноваги. Таким чином, нерівноважний процес є одностороннім. У такому процесі внаслідок кінечної швидкості процесу і наявності втрат робота, що здійснюється системою, менша, ніж при рівноважному процесі.

Система, що здійснила рівноважний процес, може повернутись у вихідне положення, пройшовши в зворотному процесі ті ж самі рівноважні стани, які вона проходила в прямому процесі. Ця властивість рівноважного процесу називається його оборотністю. Тому оборотнім називається термодинамічний процес, після якого система і ті системи, що з нею взаємодіють (навколишнє середовище), можуть повернутися в початковий стан.

Якщо ж система не може повернутись у початковий стан, тобто внаслідок протікання процесу в прямому і оборотному напрямках в оточуючому середовищі, або у самій системі залишаться деякі зміни, то процес називають необоротним. (Поняття термодинамічної оборотності і необоротності не слід плутати з відповідними поняттями для хімічних процесів).

Оборотні процеси мають велике значення, тому що при цьому може бути одержана найбільша робота. Це якраз та кількість роботи, яка необхідна, щоб повернути систему у вихідний стан. Коли процес необоротній, то утворюється менша кількість роботи, ніж та, яку необхідно витратити, щоб після закінчення процесу повернути систему в початковий стан.

Цілий ряд процесів можна провести практично оборотно в лабораторних умовах. Зокрема, оборотньо можна проводити випаровування рідини. Уявимо собі, що рідина знаходиться в циліндрі з невагомим поршнем, який рухається без тертя, і цей циліндр помістили у великий тепловий резервуар (термостат), температура якого дорівнює температурі кипіння рідини. (Те, що насправді не можна створити невагомим і таким, що не має тертя поршень, не впливає на висновки, які можна зробити при розгляді такого ідеалізованого процесу). Тиск пари води при цій температурі буде таким же як і атмосферний, і вся система в цілому знаходиться в стані рівноваги. Якщо температуру резервуару збільшити на безкінечно малу величину, то тиск пари рідини стане дещо більшим, і поршень переміститься так, щоб тиск у циліндрі зрівнявся з атмосферним тиском. У міру того як об’єм збільшується, випаровуються нові порції рідини, тож і тиск у середині циліндра підтримується сталим. Теплота, за рахунок якої відбувається випаровування і підтримується сталою температура, надходить в систему з теплового резервуару.

Процес збільшення об’єму, викликаний поглинанням теплоти і здійсненням зовнішньої роботи, оборотній, оскільки в будь-який момент випаровування може бути припинено шляхом відведення теплоти на безкінечно малу величину так, щоб зовнішні і внутрішні тиски стали точно рівними. Якщо атмосферний тиск ще збільшити на безкінечно малу величину, то пар під поршнем почне конденсуватись; при цьому в резервуар буде повертатись теплота, що поглиналась при випаровуванні.

Особливе місце в термодинаміці займають так звані кругові процеси – термодинамічні цикли. Круговим називають процес, внаслідок якого система, зазнавши ряд змін, повертається до вихідного стану.

Поиск по сайту: