Термодинамические процессы

Термодинамическим процессом называют изменение параметров состояния рабочего тела.

Существует бесконечное количество термодинамических процессов, их называют политропными, и изменение параметров в них подчиняется уравнению: $PVn = const$, где $n$ – показатель политропы.

Отдельными процессами являются изохорный ($V = const$), изобарный ($P = const$), изотермический ($T = const$) и адиабатический ($dQ = const$), который протекает без отвода и подвода теплоты.

Классификация процессов

Согласно немецкому физику Г. Ю. Э. Клаузиусу, термодинамические процессы разделяют на два вида.

К процессам первого вида относят такие, которые происходят «сами по себе». Эти процессы называют природными.

К процессам второго вида относятся такие, которые «сами по себе» не происходят. Для их осуществления необходимо использовать дополнительные процессы первого вида. Эти процессы называют искусственными.

По другой классификации термодинамические процессы разделяют по их обратимости.

Обратимые процессы (протекающие в обоих направлениях) – идеализированные, к ним реальные процессы только приближаются.

Так, механические процессы были бы обратимыми, если бы не было трения и механическая энергия не превращалась во внутреннюю. Например, колебания маятника в безвоздушном пространстве можно было бы считать обратимым процессом, но в воздухе колебания маятника вызывают нагрев среды, оставляют след, поэтому это процесс необратимый (протекающий только в одном направлени).

Циклические процессы

В теории и на практике построения тепловых машин важное значение имеют циклические процессы (циклы).

Циклом называют такую последовательность процессов, после завершения которой система снова возвращается в свое исходное состояние.

На повторении соответствующих циклов основывается непрерывное действие каждой тепловой машины. Поэтому в циклических процессах нас будет интересовать прежде всего работа, которую выполняет система после завершения цикла.

Двумя основными классами термодинамических циклов являются циклы теплового двигателя и циклы теплового насоса (помпы). В цикле теплового двигателя происходит преобразование подводящегося тепла в механическую работу на выходе, тогда как цикл теплового насоса заключается в передаче тепловой энергии от тел с низкой температурой к телам с более высокой температурой с помощью механической работы на входе.

Циклы формируются из последовательных квазистатических процессов, реализующих действие теплового двигателя или теплового насоса, в зависимости от направления течения оборотного цикла.

Графически на диаграмме $р-V$ цикл изображается некоторой замкнутой кривой $ABCDA$:

В первой части цикла, когда вещество расширяется, система выполняет положительную работу. Численно она равна площади фигуры $V_1ABCV_2$. Во второй части цикла, когда сжимается вещество, система выполняет отрицательную работу. Иначе говоря, работа выполняющаяся над системой, численно равна площади фигуры $V_2CDAV_1$. Механическая работа, выполненная системой после завершения цикла, численно равна площади фигуры ABCDA.

Применим к циклу первый принцип термодинамики:

$ΔQ = ΔU + ΔΑ$.

Отсюда получим, что поскольку система приведена в свое начальное состояние, ее внутренняя энергия стала такой же, то есть $ΔU = 0$.

Поэтому работа системы за цикл выполняется благодаря количеству теплоты, полученному извне.

Машина, которая выполняет работу благодаря количеству теплоты, полученной извне, называется тепловой.

Процессы передачи теплоты от нагревателя к рабочему телу, например процесс теплопроводности, не сопровождается выполнением работы (при этом тела не перемещаются).

Работа может выполняться вследствие взаимодействия рабочего тела с другим телом. Благодаря этому взаимодействию происходит также сжатие рабочего тела во второй части цикла.

Далее будет показано, что осуществить такой циклический процесс, при котором теплота, забранная от нагревателя, полностью преобразуется в механическую работу, вообще невозможно.
Нетрудно убедиться, что при осуществлении цикла в обратном направлении, то есть в направлении $ADCBA$, машина «потребляет» определенную работу извне. Результатом ее действия в соответствии с первым принципом термодинамики будет передача рабочим телом теплоты внешним телам. По такому принципу работает холодильная машина.

Научная статья по физике на заказ от проверенных экспертов по низкой цене!

Тест по теме «Термодинамические процессы»