Термодинамический процесс

Под термодинамическим процессом понимается совокупность последова­тельных состояний, через которые проходит термодинамическая система при ее взаимодействии с окружающей средой.

Состояние термодинамической системы может быть равновесным и не­равновесным.

Равновесным называют такое состояние системы, при котором во всех точках ее объема все параметры состояния и физические свойства одинаковы (давление, температура, удельный объем и др.). В термодинамике постулируется, что изолированная система с течением времени всегда при­ходит в состояние термодинамического равновесия и никогда не может са­мопроизвольно выйти из него.

Все процессы, происходящие в термодинамической системе, подразделя­ются на равновесные и неравновесные.

Равновесными называются такие процессы, когда система в ходе процесса проходит ряд последовательных равновесных состояний. Если процесс протекает настолько медленно, что в каждый момент времени устанавливается равновесие, то такие процессы на­зываются квазистатическими. Эти процессы обладают свойствами обрати­мости.

Неравновесными называются такие процессы, при протекании которых система не находится в состоянии равновесия. Процесс перехода системы из неравновесного состояния в равновесное называется релаксацией, а время перехода в состояние равновесия - временем релаксации.

Все реальные процессы, протекающие в природе, являются неравновес­ными. Это определяется тем, что при протекании процесса с конечной скоро­стью в рабочем теле не успевает установиться равновесное состояние. На­пример, при быстром расширении газа в цилиндре с поршнем температура и давление в различных точках объема рабочего тела не будут одинаковыми, т.е. будет иметь место неравновесное состояние, а сам процесс будет нерав­новесным. Следовательно, реальные процессы, будучи неравновесными, мо­гут лишь в той или иной степени приближаться к равновесным, никогда с ними в точности не совпадая.

Однако термодинамика в первую очередь рассматривает равновесные процессы и равновесные состояния, так как только равновесные состояния могут быть описаны количественно с помощью уравнений состояния. Лишь равновесные процессы изменения состояния термодинамической системы можно изображать графически. Всякое произвольно взятое равновесное со­стояние в трехосной системе координат рvТ изображается точкой, а совокуп­ность этих точек при непрерывном изменении состояния - некоторой кривой, представляющей собой графическое изображение равновесного процесса. Однако использовать трехосную систему координат затруднительно, поэтому на практике пользуются проекциями кривых трехосной системы на плоско­сти в прямоугольной системе координат.

В технической термодинамике для исследования равновесных термодинамических процессов наиболее часто применяют двухосную систему координат. В этой системе координат вер­тикаль изображает изохорный процесс, горизонталь - изобарный, кривая ви­да гиперболы - изотермический (рис. 2.2). Кроме того, в термодинамике рас­сматриваются процессы адиабатный, совершающийся при отсутствии теплообмена (dq =0) и политропный, обобщающий процесс, частными слу­чаями которого являются первые четыре процесса.

Рис. 2.2

Любой параметр состояния является также функцией состояния, так как его изменение в любом термодинамическом процессе не зависит от вида процесса, а определяется лишь начальным и конечным состояниями. Более подробно функции процесса и функции состояния будут рассмотрены в §2.4.

К термодинамическим процессам относится также круговой процесс или цикл.

Циклом называется совокупность процессов, возвращающих систему в первоначальное состояние. На диаграммах цикл изображается замкнутым контуром, вид которого полностью определяется числом и формой состав­ляющих цикл процессов. Графическое изображение и изучение циклов в пространственной системе координат было бы еще более трудным, чем изображение отдельных процессов. Поэтому цикл точно также проектируется на одну из координатных плоскостей.