Оборотні та необоротні процеси. Цикли

Термодинамічний процес, що є неперервною послідовністю рівноважних станів, називається рівноважним (або квазістатичним). Якщо рівноважні стани на діаграмах (p-V чи p-T, чи V-T) зображають точками, то рівноважному процесу відповідає деяка крива, що проходить через ці точки.

Термодинамічний процес називається оборотним, якщо при виконанні його системою спочатку у прямому, а потім у зворотному напрямку, система і зовнішнє середовище повертаються у вихідний стан. Всякі інші процеси – необоротні. Можна показати, що критерієм оборотності процесу є його рівноважність.

Оборотні процеси – ідеалізовані, до них реальні процеси лише можуть наближатися. Так, механічні процеси були б оборотними, якби не було тертя і не перетворювалася б механічна енергія у внутрішню. Всі реальні процеси, що супроводяться тертям, теплопровідністю або випромінюванням, є необоротними.

Коловим (круговим) процесом або циклом називають таку послідовність процесів, після завершення якої система повертається до початкового стану. На повторенні відповідних циклів грунтується неперервна дія кожної теплової машини (двигуна). Тому в колових процесах нас цікавитиме насамперед робота, яку виконує система в результаті виконання циклу. Речовину, над якою здійснюється коловий процес, називають робочим тілом.

На діаграмі p-V цикл зображається у вигляді деякої замкнутої кривої (на рис. 2.10 крива АВСDА). Першій частині циклу (крива АВС) відповідає розширення робочого тіла, воно виконує позитивну роботу, що чисельно рівна площі фігури , заштрихованій вертикальними лініями. У другій частині циклу, коли робоче тіло стискається, система виконує негативну роботу (робота виконується над системою!), що чисельно дорівнює площі фігури , заштрихованій горизонтальними лініями. Механічна робота А, виконана робочим тілом за цикл, чисельно дорівнює площі фігури АВСDА.

Очевидно, що для циклу зміна внутрішньої енергії робочого тіла рівна нулю. Тому на основі 1-го принципу термодинаміки одержується, що Q=A, тобто робота системи за цикл виконується за рахунок кількості теплоти, одержаної ззовні. Треба пам’ятати при цьому, що сам процес передавання теплоти від нагрівника до робочого тіла не супроводиться виконанням роботи (немає переміщення). Робота може виконуватися в результаті взаємодії робочого тіла з іншим тілом. Саме завдяки цій взаємодії відбувається стискання робочого тіла в другій частині циклу. Далі буде з’ясовано, що здійснити такий циклічний процес, при якому теплота, одержана від нагрівника, повністю перетворюється в механічну роботу, взагалі неможливо.

Розглянутий нами цикл АВСDА – прямий; робоче тіло виконує позитивну роботу (A>0 і Q>0). Так працює теплова машина. Цикл, виконаний у зворотному напрямку (АDСВА на рис.),– зворотний. Легко переконатися, що у випадку зворотного циклу буде виконана робота (–А). У відповідності з 1-м началом термодинаміки тоді Q<0, тобто робоче тіло передає теплоту зовнішнім тілам. Маємо справу з холодильною машиною. У холодильній машині робоче тіло виконує зворотний цикл.