Обратимые и необратимые процессы

Обратимые и необратимые процессы

пути изменения состояния термодинамич. системы. Процесс наз. обратимым, если он допускает возвращение рассматриваемой системы из конечного состояния в исходное через ту же последовательность промежут. состояний, что и в прямом процессе, но проходимую в обратном порядке. При этом в исходное состояние возвращается не только система, но и среда. Обратимый процесс возможен, если и в системе, и в окружающей среде он протекает равновесно. При этом предполагается, что равновесие существует между отдельными частями рассматриваемой системы и на границе с окружающей средой. Обратимый процесс - идеализир. случай, достижимый лишь при бесконечно медленном изменении термодинамич. параметров. Скорость установления равновесия должна быть больше, чем скорость рассматриваемого процесса. Если невозможно найти способ вернуть и систему, и тела в окружающей среде в исходное состояние, процесс изменения состояния системы наз. необратимым.

Примеры: диффузия, термодиффузия, теплопроводность, вязкое течение…

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ - один из основных законов термодинамики, закон возрастания энтропии: в замкнутой, т. е. изолированной в тепловом и механическом отношении, системе энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые, равновесные процессы), либо возрастает (при неравновесных процессах) и в состоянии равновесия достигает максимума. Другие эквивалентные формулировки:...1) невозможен переход теплоты от тела более холодного к телу более нагретому без каких-либо других изменений в системе или окружающей среде (Р. Клаузиус);

2)] невозможно создать периодически действующую (совершающую какой-либо термодинамический цикл) машину, вся деятельность которой сводилась бы к поднятию некоторого груза (механической работе) и соответственно охлаждению теплового резервуара (У. Томсон, М. Планк);

3) невозможно построить вечный двигатель 2-го рода (В. Оствальд).

1.6.11. Энтропия и закон ее возрастания.

энтропией тела. называют

Количественной характеристикой теплового состояния тела является число микроскопических способов, которыми это состояние может быть осуществлено. Это число называется статистическим весом состояния; обозначим его буквой Г. Тело, предоставленное самому себе, стремится перейти в состояние с большим статистическим весом. Принято пользоваться не самим числом Г, а его логарифмом, который еще умножается на постоянную Больцмана k. Определенную таким образом величину S = k lnГ

закон возрастания энтропии: для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтропия системы возрастает, максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равновесии: rS і 0.

1.6.12. Тепловые двигатели и их КПД. Цикл Карно и его КПД.

тепловыми двигателями называются устройства, превращающие энергию топлива в механическую энергию. Любой тепловой двигатель (паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания) состоит из трех основных элементов: рабочего тела (это газ), которое совершает работу в двигателе; нагревателя, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой затем идет на совершение работы; холодильника, которым является атмосфера или специальные устройства (рис. 28).

Ни один тепловой двигатель не может работать при одинаковой температуре его рабочего тела и окружающей среды. Обязательно температура нагревателя больше температуры холодильника. При совершении работы тепловыми двигателями происходит передача теплоты от более горячих тел к более холодным. Рабочее тело двигателя получает количество теплоты Qн от нагревателя, совершает работу А и передает холодильнику количество теплоты Qx. В соответствии с законом сохранения энергии В случае равенства речь идет об идеальном двигателе, в котором нет потерь энергии.

Отношение работы к энергии, которое получило рабочее тело от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия (КПД):

 

Цикл Карно́ — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно.

 

Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропия адиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.

1.6.13. Общая характеристика явлений переноса. Молекулярно-кинетическая теория явления переноса в газах.

явлений переноса. Они представляют собой необратимые процессы в термодинамически неравновесных системах, при которых происходит:

Перенос энергии — явление теплопроводности.

Тепловое равновесие газа (жидкости или твёрдого тела) может быть нарушено, если одной из его частей молекулам будет сообщена скорость, отличная от скоростей молекул окружающих областей; в результате через некоторое время молекулы всего газа будут двигаться с одной скоростью — произойдёт выравнивание температуры по всему доступному объёму;

Переноса массы — явление диффузии.

Если создать повышенную концентрацию молекул одного газа в некоторой части другого, то движении молекул приводит через некоторое время к выравниванию концентрации смеси обоих газов во всём объеме;

Переноса импульса от быстродвижущихся областей к медленным областям — явление вязкости (внутреннего трения).

Во всех этих процессах в газах решающую роль играют столкновения молекул. Как известно, по молекулярно-кинетической теории средняя кинетическая энергия молекулы равна

m0<кв2>/2 = (3/2)kT.

Если рассчитать по этой формуле скорости молекул при комнатной температуре T = 300 К, то, например, для воздуха получаем очень высокую скорость возд = 500 м/c. Однако при нагревании одной части газа другая его часть нагревается относительно медленно, поскольку перенос энергии (нагрев более холодной части газа) происходит только в результате передачи энергии быстрых молекул более медленным при столкновениях.

Для простоты анализа этих ситуаций можно ограничиться рассмотрением их одномерных случаев, распространим далее их на все три измерения.