Равновесные и неравновесные процессы

Классическая термодинамика рассматривает только такие изменения состояния системы, в которых начальное и конечное состояния являются равновесными. Промежуточные состояния могут быть любыми (в том числе неравновесными). Изменения (процессы) в системе могут происходить сами по себе или под действием контакта с другими системами.

Самопроизвольный переход системы в равновесное состояние называется релаксационным процессом, или релаксацией, а время, затраченное на такой переход, – временем релаксации. Релаксационные процессы – это процессы выравнивания. Они относятся к неравновесным процессам.

Реальные процессы в системе, происходящие под действием контакта с другой системой, также неравновесные. Но в ряде случаев они моделируются равновесными процессами. Чтобы лучше понять, что такое неравновесный процесс, нужно разобраться с тем, что представляют собой равновесные процессы.

Процесс называется равновесным, или квазистатическим, если все параметры системы изменяются физически бесконечно медленно, так что система все время находится в равновесных состояниях. Другими словами, если изменение внешних параметров, а следовательно, и состояния системы происходит настолько медленно, что в системе в каждый момент времени успевает установиться равновесное состояние, то процесс будет равновесным. Пусть Δ t – характерное время изменения внешних параметров, а τ – время релаксации. Чтобы процесс можно было считать равновесным, должно выполняться условие Δ t >> τ. При его выполнении система будет проходить через непрерывную последовательность равновесных состояний.

Эта цепочка состояний может быть пройдена в обратном направлении, и в этом смысле равновесный процесс обратимый. Неравновесные процессы необратимые. Подробнее об обратимых и необратимых процессах будет сказано позже, в связи со вторым началом термодинамики.

Важнейшими равновесными процессами являются:

1) изотермический процесс, когда система находится в тепловом контакте с термостатом, и изменения в ней происходят квазистатически при постоянной температуре термостата;

2) адиабатический процесс, когда медленные изменения происходят при отсутствии теплового (и материального) контакта с окружающей средой. Рассматриваются также другие равновесные процессы.

Неравновесные процессы возникают при быстром изменении внешних условий, при наличии значительной начальной неоднородности в распределении параметров и т. д. Помимо релаксационного, неравновесными процессами являются, например, разлет газа в пустоту, теплообмен между телами с различной температурой и др.

Равновесные процессы являются абстракцией. Изучение их важно, так как именно при этих процессах ряд представляющих интерес величин (работа, КПД тепловых машин и др.) имеет предельные, максимально возможные значения. Поэтому выводы термодинамики для равновесных процессов играют роль своего рода предельных теорем.