Обратимые и необратимые процессы

Для любой термодинамической системы можно представить два состояния, между которыми будет (рис) происходить два процесса: один от первого состояния ко второму и другой наоборот, от второго состояния к первому.

Первый процесс называют прямым процессом, а второй – обратным.

Если после прямого процесса следует обратный и при этом термодинамическая система возвращается в исходное состояние, то такие процессы принято считать обратимыми.

 

При обратимых процессах система в обратном процессе проходит через те же равновесные состояния, что и в прямом процессе. При этом ни в окружающей среде, ни в самой системе не возникает никаких остаточных явлений, (нет изменения параметров, выполненной работы и т.д.). В результате прямого процесса AB, а затем обратного BA конечное состояние системы будет тождественно начальному состоянию.

На рисунке показана установка механически обратимого процесса. Установка состоит из цилиндра 1, поршня 2 со столиком 3 и песком на нем. Под поршнем в цилиндре содержится газ, который испытывает давление от песка, находящегося на столике.

Для создания обратимого процесса необходимо бесконечно медленно снимать одну песчинку за другой. Тогда процесс будет изотермическим, а давление будет равным внешнему давлению и система будет постоянно в равновесном состоянии. Если процесс осуществляется в обратном направлении, т.е. бесконечно медленно бросать песчинки на столик 3, то система будет последовательно проходить через те же равновесные состояния и возвратится к исходному состоянию (в случае если нет трения).

При расширении рабочее тело в обратимом процессе производит максимальную работу.

p− давление рабочего тела.

Необратимый процесс – это процесс, при котором в прямом и обратном направлениях система не возвращается в исходное состояние.

Любой равновесный процесс изменения состояния рабочего тела будет всегда обратимым (когда рабочее тело проходит через равновесное состояние).

Все необратимые процессы протекают в направлении достижения в термодинамической системе равновесия, т.е. выравнивания в ней давлений, температур, концентраций.

Примеры необратимых процессов:

1) Движение с трением. На преодоление трения затрачивается работа, которая необратимо превращается в теплоту. Поэтому работа, отдаваемая системой в прямом процессе по абсолютному значению меньше работы, подводимой извне в обратном процессе.

2) Расширение газа при конечной разности давлений. Например, расширение газа в вакуум. При таком расширении газ самопроизвольно перетекает из одного сосуда в другой и вернуть его в исходное состояние без затрат работы невозможно.

3) Передача теплоты от горячего тела к холодному. Обратный процесс можно осуществить только при помощи холодильной машины, т.е. с затратами внешней работы.

4) Образование любого раствора или газовой смеси.

Смешанные газы сами собой не отделяются друг от друга.

5) Горение, радиоактивный распад, электрический ток в проводниках с сопротивлением, распространение электромагнитных волн в поглощающей среде и т.д.