Равновесные и обратимые процессы

Состояние газа, при котором во всех точках занимаемого им объе­ма параметры его имеют одно и то же значение, называют равновесным. Для простоты при исследовании термодинамических процессов считают, что эти процессы представляют собой непрерывную последовательность переходов рабочего тела из одного равновесного состояния в другое, бесконечно близкое к нему равновесное состояние.

Выясним на основе рассмотрения примеров механического и теп­ло­вого равновесия, каковы должны быть условия, обеспечивающие равно­весный характер протекания процесса.

Пусть рабочее тело помещено в цилиндр и состояние его изменяет­ся в результате сжатия поршнем, на который воздействуют усилия, ока­зываемые окружающей средой. Если под действием этих усилий пор­шень будет перемещаться в цилиндре с большой скоростью, в газе возникнут вихревые токи, давление рабочего тела не будет успевать выравниваться по всему объему цилиндра и в областях, близко приле­гающих к поршню, давление будет больше, чем в удаленных от поршня областях цилиндра. При таком протекании процесса условие равновес­ного состояния соблюдаться не будет.

Отсюда следует, что для обеспечения равновесности процесса необ­ходимо, чтобы он протекал бесконечно медленно, так как только при соблюдении этого условия давление рабочего тела будет успевать на всех стадиях процесса выравниваться по всему объему, занимаемому рабочим телом.

Рассмотрим теперь случай теплового взаимодействия окружающей среды с рабочим телом. Оставив в качестве примера ту же модель, пред­положим, что температура окружающей среды значительно превышает температуру рабочего тела. В этих условиях тепло будет сообщаться от окружающей среды рабочему телу через стенки цилиндра. Температура газа в непосредственной близости от стенок цилиндра будет выше, чем в местах, удаленных от них. Если далее предположить, что температура внешней среды будет быстро и в значительных пределах изменяться, то из-за недостаточности времени изменение температуры областей рабо­чего тела, удаленных от стенок цилиндра, не будет успевать за измене­нием температуры рабочего тела около стенок цилиндра и, следователь­но, в каждый момент времени состояние рабочего тела не будет равно­весным.

Когда рассмотренные выше механические и термиче­ские взаи­модействия окружающей среды и рабочего тела при доста­точ­но боль­шой разности параметров их состояния будут проявляться од­новре­менно, в каждый момент времени состояние рабочего тела не бу­дет равновесным, а следовательно, не будет равновесным и процесс.

Из этого можно сделать вывод, что равновесное состояние ра­бочего тела в течение всего термодинамического процесса может быть обеспечено, если процесс будет протекать бесконечно медленно при бесконечно малой разности температур и давлений окружающей среды и рабочего тела. Следовательно, для обеспечения внутреннего равнове­сия рабочего тела в течение всего процесса необходимо обеспечить со­блюдение непрерывного равновесия между рабочим телом и окружаю­щей средой.

Из представления о равновесных процессах вытекает и представле­ние об их обратимости. Если процесс происходит в результате беско­нечно малых и сменяющих одна другую разностей давления dp и темпе­ратур dT рабочего тела и внешней среды, то количественные соотноше­ния между механическими и тепловыми воздействиями, определяющие взаимодействие рабочего тела и окружающей среды, по абсолютной величине будут одинаковы независимо от знака dp и dT, т. е. иначе го­воря, от направления процесса.

В этом состоит характерная особен­ность обратимых процессов, заключающаяся в том, что в этих случаях рабочее тело в течение обратного процесса проходит в обратной после­довательности через все состояния прямого процесса, а окружающая среда с возвращением в исходное состояние рабочего тела, также прой­дя в обратной последовательности через все состояния прямого процес­са, тоже возвращается в свое исходное состояние.

Процесс может быть обратимым, если он протекает без трения, за­вихрений и толчков. Отсутствие этих факторов является вторым услови­ем обратимости процесса.

Все реальные процессы не являются обратимыми. В зависи­мости от условий и характера протекания, т.е. величин разности пара­метров рабочего тела и окружающей среды и наличия трения, завихре­ний, толчков и скорости протекания, реальные процессы в той или иной мере приближаются к равновесным (эта степень приближения тем больше, чем медленнее протекают реальные процессы и чем меньше разность параметров состояния рабочих тел и окружающей среды).

Известно, что даже в случаях несоблюдения равновесия между рабочим телом и окружающей средой часто процесс, совершае­мый рабочим телом, можно практически считать равновесным, посколь­ку в каждый данный момент времени в своей подавляющей части рабо­чее тело характеризуется почти полным внутренним равновесием.

Процессы сжатия и расширения, протекающие в поршневых двига­телях внутреннего сгорания и компрессорах, можно приближенно рас­сматривать как внутренне равновесные. Это основано на том, что заметные отступления рабочих тел от состояния внутреннего равновесия начинают проявляться при скоростях движения поршня, значительно больших, чем те, которые имеют место в реальных двигателях.