Обратимые и необратимые термодинамические процессы

Термодинамика является наукой об энергии и ее функциях. Термодинамика объясняет закономерность переходов энергии в различные формы. Основу термодинамики составляют законы способные объяснить эффект теплового превращения энергии. Ученые этой области работают над возможностью усовершенствования тепловых машин и повышения их коэффициента полезного действия. Эта статья расскажем Вам о таких разделах термодинамики, как обратимые и необратимые процессы, энтальпия и энтропия.

Обратимые и необратимые процессы

Все протекающие физические процессы делятся на обратимые и необратимые. Если процесс может быть выполнен через одни и те же промежуточные состояния, но в обратном направлении, он является обратимым. При этом важным условием обратимости является отсутствие изменений в окружающей систему среде при таких переходах. Если переход невозможен или наблюдаются изменения в окружающей среде или самой системе, то процесс необратим. При необратимом процессе система не сможет вернуться в точку исходного состояния.

Обратимые процессы

В природе не существует обратимых термодинамических процессов. Однако, при изучении широко используют понятие обратимого процесса. Все циклы, описанные в учебниках, обратимы. Примером таких процессов является цикл Карно. Он может протекать как в прямом, обратном направлении.

Прямой цикл Карно

Прямой цикл Карно в pV координатах представлен ниже. Подробное описание цикла Карно Вы можете найти прочитав статью.

Обратный цикл Карно

Обратный цикл Карно в pV координатах представлен ниже. На его основе осуществляется работа холодильных установок. Подробное описание обратного цикла Карно Вы можете найти прочитав статью.

Обратимые — это процессы, которые могут протекать в прямом и обратном направлении. Термодинамическая система переходит из одного состояния в другое и обратно. При этом, переход не вызывает влияния на окружающую систему среду. Окружающая среда не претерпевает изменений.

Определение обратимости, которое мы дали, является наиболее распространенным. Часто встречается более узкое определение:

Процесс считается обратимым, если он может быть обращен вспять с бесконечно малыми изменениями в окружающей среде на каждом этапе.

Основываясь на этом определении, квазистатический процесс является обратимым.

Квазистатический — процесс протекающий так медленно, что его можно принять за статический.

Примеры обратимых процессов

• Изотермическое расширение. Примером обратимого процесса является изотермическое расширение рабочего тела в цикле Карно. Изотермическое расширение может протекать и обратную сторону. В таком случае, это уже будет процесс изотермического сжатия.

• Идеальное колебание маятника. Идеальный механический процесс, протекающий без трения, может быть обратимым. Примером такого является колебание тяжелого маятника. При очень длинном маятнике амплитуда колебаний остается практически неизменной длительное временя. Если сопротивление среды достаточно низкое, то кинетическая энергия колебательного маятника полностью преобразуется в его потенциальную энергию и наоборот. Колебания повторяются до бесконечности и являются обратимыми.

Необратимые процессы

Процесс считается необратимым, если при возврате системы к исходному состоянию на окружающей систему среде отражаются результаты этого процесса. Это могут быть потери теплоты при протекании термодинамических процессов или потери энергии за счет трения. Большинство процессов, сопровождающих нашу жизнь, являются необратимыми.

Процесс можно назвать необратимым, если он протекает неконтролируемо и в одном направлении.

Направление необратимых процессов невозможно изменить, не нарушив порядок пройденных промежуточных состояний.

Только при обратимом процессе возможен самопроизвольный возврат системы в начальное состояние. То есть, совершенной работы в процессе достаточно чтобы вернутся в исходную точку.

Например, возвращение идеального маятника в точку, из которой он был отпущен вначале. Поэтому, степенью или мерой необратимости любого процесса можно назвать величину работы или затраченной энергии для возвращения системы в исходное состояние. Под мерой необратимости понимают величину любого внешнего воздействия на систему со стороны окружающей её среды.

Примеры необратимых процессов

• Диффузия. Диффузия – взаимное проникновение частиц нескольких соприкасающихся веществ или тел друг в друга. Этот процесс может протекать только в одном направлении. Невозможно, без приложения внешнего воздействия, разделить смешанные вещества.

• Теплопроводность. Передача теплоты может протекать только от горячих тел к холодным. Обратный процесс возможен только за счет затрачивания энергии со стороны.

• Трение. Преобразование кинетической энергии в тепло, т.е. во внутреннюю энергию системы, через трение является необратимым процессом. Посредством трения, часть работы превращается в тепло, рассеивается, и следы остаются на окружающей среде, поэтому процесс трения считают необратимым.

Все реальные процессы осуществляются с предельной скоростью. Во время этих процессов возникают силы трения, теплообмена и диффузии. Очевидно, что все они необратимы.

«Прямой» необратимый процесс протекает сам по себе, и для того, чтобы система вернулась в исходное состояние, необходимо изменение внешней среды – внешнее воздействие. Необратимые процессы невозможно изобразить на термодинамической диаграмме.

Простым примером необратимого процесса, часто рассматриваемого в термодинамике, является передача тепла от нагретого тела к холодному.

Обратимые и необратимые циклы

Циклы — это термодинамические процессы, при которых система возвращается в исходное состояние. Если все составляющие цикл процессы обратимы, то и цикл называется обратимым. И если хотя бы один процесс цикла необратим, то такой цикл считается необратимым.

Обобщая, можно выделить следующую классификацию обратимых процессов:

• механические без трения скольжения,
• электромагнитные колебания
• квазистатические термодинамические процессы.

Необратимые процессы:

• все механические с передачей тепла,
• все процессы с диффузией
• действительные процессы протекающие с трением
• передача тепла от более нагретого тела к менее нагретому телу.

Энтропия и энтальпия

В этом разделе описаны важнейшие понятия термодинамики — энтропия и энтальпия.

Что такое энтропия?

Энтропия – мера хаотичности термодинамической системы. При протекании самопроизвольно процесса энтропия изолированной системы увеличивается Δs>0. Это обусловлено Вторым законом термодинамики.

В широком смысле, это слово часто используется в повседневной жизни. Энтропия означает меру беспорядка или случайности системы.

Энтропия — это мера беспорядка, также является одной из характеристик состояния системы.

Чтобы понять, что такое энтропия, можно визуально представить любые объекты в пространстве. Например, шары на бильярдном столе. Когда все шары располагаются в одном месте в треугольнике, энтропия системы «стол-шары» минимальна. После удара битком, шары разлетаются по столу и занимают случайное, хаотичное положение. Можно сказать, что произошло увеличение энтропии системы.

Увеличение энтропии характеризует увеличение равномерности распределения параметров системы. Чем более равномерно вещи размещены в определенном пространстве, тем больше энтропия. Проще говоря, энтропия — это разница состояний, например холодное и горячее, темное и светлое, жидкое и твердое.

Всё стремится к равновесию, вся вселенная стремится к одному состоянию, одной температуре, одному агрегатному состоянию, одной плотности, одной энергии и т.д. То есть, максимальная энтропия будет при абсолютно одинаковом состоянии всего.

Второе начало термодинамики говорит о том, что в изолированной системе энтропия не может уменьшаться самопроизвольно. Энтропия в изолированной системе самопроизвольно увеличивается.

Например, передача тепла от более нагретого тела к менее нагретому проходит самопроизвольно. Чтобы передать тепло от менее нагретого тела к более нагретому, нужно затратить энергию. То есть, совершить работу. Об этом и говорит Второй закон термодинамики. Этот закон заложен в основу работы холодильных машин и тепловых насосов.

Что такое Энтальпия?

Энтальпия — это функция состояния системы, характеризующая термодинамический потенциал или теплосодержание. Энтальпия описывает состояние системы в термодинамическом равновесии и является функцией других независимых переменных. К таким переменным относятся: давление, энтропия, температура и т.д.

Энтальпия — это энергия, которая может преобразоваться в теплоту при определенном давлении. Единица измерения энтальпии кДж/кг – показывает сколько кДж энергии содержит каждый кг рабочего тела.

С помощью энтальпии определяют изменения энергии происходящие в системе. Когда к системе подводится энергия или она нагревается – энтальпия системы возрастает. И наоборот, при выделении тепла системой, то есть охлаждении, её энтальпия уменьшается.

Понять, как это работает можно на повседневном примере. При нагреве воды в чайнике ее температура растет, пока не достигнет температуры кипения. В этом случае энтальпия непрерывно возрастает, так как к воде подводится энергия извне. После, оставив эту воду остывать, энтальпия будет снижаться. Энергия воды при остывании будет выделяться в окружающую среду.

Во время протекания химических процессов происходит поглощение либо выделение теплоты. Поглощение теплоты будет являться эндотермическим процессом, а выделение экзотермическим. Изменение энтальпии будет измерять количество теплоты в протекающем процессе, это значение будет равно обмену тепла при постоянном давлении.

Заключение

Важно помнить:

• обратимый процесс возможен только в теории
• скорость протекания данного процесса должна быть ниже скорости формирования состояния равновесия.

Энтропия характеризует меру беспорядка системы. Все реальные процессы протекают с увеличением энтропии.

Энтальпия — это энергия, отнесенная к единице массы. То есть, это термодинамический потенциал.

Энтропия — это энергия, отнесенная к одному Кельвину.

https://youtu.be/EIU60olVJRo