ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

Если внешние условия, в которых находится термодинамическая система, изменяются, то будет изменяться и состояние системы. Сово­купность изменений состояния термодинамической системы при пере­ходе из одного равновесного состояния в другое называют термодина­мическим процессом.

Под термодинамическим процессом понимается совокупность последова­тельных состояний, через которые проходит термодинамическая система при ее взаимодействии с окружающей средой. Другими словаминепрерывное измене­ние состояния рабочего тела в результате взаимодействия его с окру­жающей средой называется термодинамическим процессом или сокра­щенно процессом. Или по другому - изменение состояния термодинами­ческой системы во времени называется термодинамическим процес­сом.

Различают равновесные (квазистатические) и неравновесные про­цессы.

Равновесным называют такое состояние системы, при котором во всех точках ее объема все параметры состояния (давление, температура, удельный объем и др.) и физические свойства одинаковы. В термодинамике постулируется, что изолированная система с течением времени всегда при­ходит в состояние термодинамического равновесия и никогда не может са­мопроизвольно выйти из нее. Можно сказать так – если процесс происходит бесконечно медленно и при ничтожно малой разности температур окружающей среды и рабочего тела, то мож­но достигнуть равномерного распределения, как температуры, так и дав­ления по всей массе рабочего тела.

Такой процесс будет также называться равновесным.

Процесс, протекающий при значительной разности температур и дав­лений окружающей среды и рабочего тела и создающий неравномерное распределение температуры и давлений по всей массе рабочего тела, называется неравновесным.

Система, выве­денная из состояния равновесия, и пре­доставленная при постоянных парамет­рах окружающей среды самой себе, че­рез некоторое время вновь придет в рав­новесное состояние, соответствующее этим параметрам. Такое самопроизволь­ное (без внешнего воздействия) возвра­щение системы в состояние равновесия называется релаксацией, а промежуток времени, в течение которого систе­ма возвращается в состояние равновесия, называется временем релак­сации.

Чтобы процесс был равновесным, скорость изменения параметров систе­мы dA/d должна удовлетворять соотно­шению dA/d << С_рел ~ ΔА_рел/τ_рел, [9]

где А - параметр, наиболее быстро из­меняющийся в рассматриваемом процес­се; с_рел— скорость изменения этого па­раметра в релаксационном процессе; _рел — время релаксации.

Рассмотрим, например, процесс сжа­тия газа в цилиндре. Если время смеще­ния поршня от одного положения до дру­гого существенно превышает время ре­лаксации, то в процессе перемещения поршня давление и температура успеют выровняться по всему объему цилиндра. Это выравнивание обеспечивается непре­рывным столкновением молекул, в ре­зультате чего подводимая от поршня к газу энергия достаточно быстро и рав­номерно распределяется между ними. Если последующие смещения поршня бу­дут происходить аналогичным образом, то состояние системы в каждый момент времени будет практически равновесным. Таким образом, равновесный процесс состоит из непрерывного ряда последо­вательных состояний равновесия, поэто­му в каждой его точке состояние термо­динамической системы можно описать, уравнением состояния данного рабочего тела. Именно поэтому классическая термодинамика в своих исследованиях оперирует только равновесными процес­сами. Поскольку механические возмущения распространяются в газах со скоростью звука, процесс сжатия газа в цилиндре будет равновесным, если ско­рость перемещения поршня много мень­ше скорости звука.

Процессы, не удовлетворяющие усло­вию dA/d < C _релак, протекают с нарушени­ем равновесия, т, е. являются нерав­новесными.