Равновесные состояния и равновесные процессы

В термодинамическом состоянии (ТД-состоянии) однородного газа при заданной температуре и объёме имеется бесконечно большое число соответствующих ему движений и положений частиц (динамических состояний). Система последовательно проходит все динамические микросостояния, соответствующие данному макроТД-состоянию. В этом состоянии система не изменяет своих параметров во времени при неизменности внешних условий. Например, газ в сосуде с постоянным объёмом находится в равновесии, если его давление всюду постоянно и температура газа равна температуре окружающей среды. Равновесное состояние на любой из (V_tp) (V,7); (Т, р) диаграм изображается точкой.

Рис. 5.1. Изопроцессы.

Очень часто рассматривают преобразование системы от начального к конечному состоянию через непрерывную последовательность промежуточных состояний. На (V, p)-диаграмме такой переход можно изобразить кривой, соединяющей две точки (начальные и конечные состояния). Равновесным процессом называется процесс, состоящий из непрерывной последовательности равновесных состояний. Равновесные процессы — обратимы, т. е., начав с состояния А и закончив состоянием В> можно, проходя те же промежуточные состояния, вернуться вновь в состояние А. Можно приблизиться к обратимым процессам, если изменять внешние условия так медленно, что система успеет прийти в тепловое равновесие в соответствии с изменившимися условиями. Примерами обратимых процессов являются изопроцессы, которые происходят при неизменном количестве вещества и фиксированном одном из термодинамических параметров Т, р, К (рис. 5.1).

Напротив, если быстро перемещать поршень в цилиндре, заполненном газом, то в расширенном объеме газа возникают потоки и переходное состояние не будет состоянием равновесия.

Циклы

В связи с созданием тепловых машин (рис. 5.2), в которых теплота преобразуется в механическую энергию, особенно важны такие процессы, в которых начальное и конечное состояния одинаковы. Они называются циклами. В результате цикла машина произво;

Рис. 5.2. Один из первых паровозов.

дит некоторое количество работы и возвращается в исходное состояние, чтобы снова осуществить преобразование одного вида энергии в другой. На (V_fp)-диаграмме цикл изображается замкнутой кривой.

Данные ранее определения равновесных состояний и равновесных процессов исключают временные зависимости. При таком подходе нельзя изучать процессы переноса и другие зависящие от времени процессы. По выражению Р. Клаузиуса, в термодинамике нет времени. Но тогда термодинамика — это термостатика. Однако если учитывать, что состояние ТД-равновесия устанавливается быстро, и использовать малые отклонения от равновесных состояний, то можно «малыми шажками» описать процесс изменения состояния, почти не нарушая его равновесности. Баланс энергий при изменении будет обеспечен первым законом термодинамики. Второй закон укажет наиболее вероятное направление протекания процесса, по которому будет происходить преобразование энергии.