Обратимые и необратимые в термодинамическом смысле процессы. Обратимый процесс

Обратимый и необратимый процесс - это явления, действия, происходящие в той или иной сфере, которые с давних пор изучаются многими специалистами и учеными, а в некоторых теориях даже являются основополагающими.

Термин «рынок природы»

Основной составляющей различных самостоятельно организованных систем выступает необратимость, которая проявляется в самостоятельном развитии систем и их конкретной направленности. Данные действия подразделяются на обратимые и В случае если процесс происходит вследствие хода ступени с первой на следующую, то такое действие называется необратимым. Образцом такого действия выступает самоорганизация - действие развития мира, основанное на принципах «рынка природы».

Участником данного рынка выступает совокупная природа, которая выдумывает новейшие способы действий, способы организации, подобающие равенству систем. Одним из главных свойств рынка можно считать способность сформировать такой круг обратной связи, который определит тяготение к равноправию рынка. С экономической точки зрения понятие рынок - это весьма частичный факт «рынка природы», являющийся, соответственно, естественным средством сравнения разных форм организации общества.

Рынку свойственны разные динамические действия, возникающие в самостоятельно образованных системах. Его можно считать изобретением человечества.

Классификация динамичных действий

Динамичные действия разделяются на 2 вида: эволюционные и волнообразные. К первому относятся действия, которые нельзя повторить, ко второму, соответственно, повторяющиеся действия. Многие фундаментальные науки, в том числе химия и физика, обратимые и необратимые процессы ставят во главу угла.

Эволюционными или необратимыми действиями выступают те существенные изменения, которые даже при отсутствии различных воздействий протекают в последовательном направлении. Например, постоянная тенденция увеличения населения, роста общего объема производства и т. д.

Некоторые динамические, а также термодинамически обратимые и необратимые процессы, действия применяются отнюдь не в сопоставлении со знаменитыми идеографическими и номографическими точками зрения, как может показаться.

Вся структуризация их находится в плоскостях общей теории и не имеет абсолютно ничего общего с идеографией. В идеографической точке зрения отсутствует возможность установления каких-либо закономерностей. Соответственно, в эволюционном действии такая возможность присутствует. Данное действие неповторяемо только тогда, когда оно имеет определенную направленность, не имеет возможности владеть двумя и более звеньями, находящимися в одном и том же состоянии или находящимися на одном и том же уровне.

Однако это не значит, что невозможно найти формулу, проявляющую последовательность хода от одной части к следующей. Так, знаменитая формулировка развертывающегося строя 1, 2, 4, 8, ..., 2n. Но это не означает, что факт этот сам по себе нельзя повторить в указанном месте и времени, и он не повторится, с номографической точки зрения, в другое время и в другом месте, когда наблюдаются обратимые и необратимые процессы. Энтропия как физическое действие в тепловом процессе - яркий тому пример.

Волнообразные процессы

Волнообразные (обратимые, повторимые) действия — это те действия изменений, которые в настоящий отрезок времени обладают конкретным направлением и ежемоментно изменяют его. При обратимости действие, находясь в данное мгновение в одном состоянии и спустя время изменяя его, со временем может вновь вернуться в исходное состояние. К примеру, движения перемены рыночных цен, количества безработных, процентов на капитал и прочие. Конечно, указанные экономические элементы жизни могут меняться в различных направлениях. Рассматривая данные перемены как сплошные, движение данных колебаний можно представить в варианте извилистой линии, направленность которой в разные моменты будет разной. На данной кривой с легкостью можно увидеть, что, отходя от точки, находящейся на одной высоте, через некоторый промежуток времени можно миновать точку, находящуюся на таком же уровне. Однако это будет не та же, а другая точка, стоящая на такой же высоте, что и изначальная. Она, несомненно, будет соответствовать совершенно иному мгновению и иной структуре общих экономических условий в спросе, предложении, производстве, распределении и пр. Чтобы вторая точка вполне совпала с первой, нужно, чтобы все действия колебаний экономической действительности являлись обратимыми, чтобы отсутствовала возможность двигаться вперед или назад, чтобы к ним была неприменима категория времени. Конечно, бесспорно, что таковой совершенной обратимости в экономическом бытие нет, в нем есть всего лишь единичные заведомо необратимые действия.

Все действия взаимосвязаны между собой, поэтому необходимо брать каждый ход по связи с прочими, в том числе необратимыми, так как в каждое мгновение в той или иной связи, несомненно, будет свежая система условий. Необходимо принять, что все движения экономического существования необратимы. В этом случае также необходимо было бы признать, что необратимы и все действия колебаний природы. Следовательно, вышеуказанные замечания позволяют отвергнуть мысль об абсолютной обратимости. На перечисленных же критериях основываются необратимые и обратимые химические процессы, а также действия, происходящие в физике.

Нельзя утверждать, что в действительности те и иные действия протекают независимо и раздельно. Можно признать только их различие по принципам и подчеркнуть разграничение в построении академического исследования. Для того чтобы выделить эту мысль, целесообразно говорить не о безусловно, а о сравнительно обратимых действиях в экономическом существовании. Можно сделать вывод, что в относительном смысле следует рассуждать об обратимых действиях перемен компонентов экономического бытия.

Мысли обратимых и необратимых действий, равно как и мысли динамики и статики, принадлежат естествоведению в узком значении слова. Обратимые и необратимые процессы в физике, примеры которых достаточно многообразны, имеют в этой науке существенное значение. То же касается и химии.

Связь с экономическими компонентами

Обратимый и необратимый процесс связан с экономикой. Существуют мнения о правильности переноса этих идей к экономическим. А есть мнения, что переносятся лишь термины и понятия.

Перенесение мыслей из одной науки в другую правомерно, если оно научно плодотворно, следовательно, иной выход для решения данной задачи отсутствует. Факты такого перенесения имеют место. Особенно много случаев перенесения идей из сферы общественного существования и социологии в сферу природных наук. Так, некоторые идеи и термины - сила, закон, ценность, принцип экономии - были научно плодотворны. Поэтому нельзя возражать против их правомерности. Во время Милля в экономике шли на заимствование идей динамики и статики, только возникает вопрос: «Отчего невозможно было бы увеличить круг употребления мыслей обратимых и необратимых действий?»

Приобретение определений из иных наук практически постоянно сопровождается их углублением или уточнением, а также кардинальным изменением. В этом случае передвинуты определения и точки зрения, увеличивая их, но при этом не лишая общего смысла.

Согласно вышеизложенному, невозможно говорить о полностью обратимых действиях в природе и в экономическом существовании. Здесь идет речь лишь о сравнительно обратимых действиях. Обратимый ход в чистом облике, в условном смысле, практически дан только в большем или в меньшем уровне приближения. С идеей, на которую опираются обратимые и необратимые процессы, циклы, соединено представление о вероятности или неосуществимости возобновления бывшего состояния элементов и тел или их системы. Вся разница в обоих случаях сводится к следующему. Обратимые и необратимые процессы в химии и физике имеют деяние со средством одного и того же субъекта в предметном смысле, в экономике этого нет. Когда утверждают, что качание маятника является действием обратимым, то в таком случае речь идет об одном и том же в предметном значении маятнике, однако это и не совсем правильно. Такого равенства нет в экономике.

Тезис «обратимый и необратимый процесс» в экономике необходимо рассматривать как единичный случай общего понятия.

Склонности

Когда мы рассматриваем экономическую действительность рыночного капиталистического общества и ее компоненты, у нас возникает закономерный вопрос: к каким из указанных действий изменений какие ее компоненты склонны? Практически все экономические элементы, взятые как отдельно, так и целиком, подвержены количественным и качественным переменам. Но в то время как для одних элементов, например для организации хозяйства, техники производства, потребностей и др., качественные изменения будут иметь столь же большое значение, как и количественные, для других элементов, таких как цена, учетный процент, рента и т. д., основное значение будут иметь количественные изменения. Значение качественных изменений здесь выступает преимущественно лишь тогда, когда меняется сама природа этих элементов, например, когда цена из вольной становится установленной или из рыночной — монопольной.

Выясняя впоследствии взаимоотношение экономических компонентов, их совокупности и обратимые и необратимые процессы, круговой процесс, цикл, необходимо иметь в виду следующее. Взятая целиком экономическая действительность представляет собой как бы целый поток многообразных и непрерывных количественных и качественных перемен.

Процессы в народном хозяйстве

В целостном представлении ход экономического становления видится необратимым исходя из того, что в нем присутствуют какие-либо компоненты, описывающие кривую необратимого течения изменения, по этой причине разрешено аргументировать, что ход развития народного хозяйства, протекающий во времени, не бывает намного более одного раза на одной и той же ступени.

В целом действие народного хозяйства представляется необратимым действием хода с одной ступени на другую. И потому дилемма перемен народного хозяйства — это прежде всего дилемма стадий его развития. Итак, движение развития народного хозяйства считается необратимым, отсюда следует, что без перерыва и без возврата изменяются совместные народнохозяйственные условия для хода перемен и всякого единичного компонента народного хозяйства. В абсолютном смысле ни один народно-хозяйственный элемент, анализируемый по связи со всем комплексом хозяйственных критериев, не может раскрывать обратимого хода.

Без труда можно увидеть и осознать, что простые действия конфигураций экономической сферы существенно отличаются, и что целесообразно разбить элементы хотя бы на несколько групп. Рассматриваемые аналитически в отдельности, элементы не могут быть определены к числу способных только к необратимым изменениям. Значительная совокупность экономических составляющих, прежде всего ценностных, к примеру заработная плата, товарные цены, и натуральных, таких как количество банкротств, процент безработных, обнаруживают обратимые действия конфигураций.

Разграничение процессов

Обратимые и необратимые процессы, примеры которых легко найти в экономике, неоднозначны. Конфигурации таких элементов, как размеры производства, количество населения, уровень потребностей, техники, размера товарооборота, резервы капиталов и т. д., состоят из нескольких компонентов, имеют сложное строение. Один компонент — это их общий рост, другой — темп роста. Рассматривая имеющийся фактический материал, по сути дела, можно отметить, что наклонность совместного увеличения и становления их предполагает собой необратимое движение, которое может прекратиться только под влиянием форс-мажора. С другой стороны, темп этого роста представляет собой зигзаг и наглядно является обратимым действием.

Отличие природных перемен самостоятельных составляющих хозяйственной жизни очевидно и бесспорно, и в то же время только при учете можно осознать вид динамики финансовой жизни. Присутствие составляющих, которые подвержены необратимым тенденциям, объясняет причины неповторимости народнохозяйственного движения и дает ленту непрерывного развития. Также установление элементов и их компонентов, подверженных обратимым волнообразным изменениям, дает шанс понять качания, которым подвержено общенародное хозяйство в целом и действия его развития. В конкретном виде народно-хозяйственное действие развития, естественно, едино. Однако отказ от разграничения элементарных действий классификации и изменения компонентов в связи с их связью к этим действиям означал бы, соответственно, и отказ от научного исследования определенной действительности. Указанное подтверждает термодинамически обратимые и необратимые процессы, случающиеся в природе.

Специфика развития систем

Значимой чертой развития произвольной системы считается необратимость, проявляющаяся в определенной направленности ее перемен. Эти изменения подразумевают учет обстоятельства времени в соответственной теории. Формулы могут применяться для отображения действий, случающихся как в настоящий момент времени, так и в будущий, и в прошлый.

Д. С. Милль сформулировал представление о статике и динамике действий в явном виде. Оно базировалось и указывало на обратимые и необратимые процессы, круговой процесс. Неповторимость или необратимость означает только нереальность конфигурации направленности действий в конкретный отрезок времени, что типично для обратимых действий.

Затруднительность определенной экономической действительности принуждает упрощать ее, отрываться от большинства ее связей и особенностей. С данной точки зрения, каждая экономическая концепция предоставляет только условно верное отражение соответствующей части экономической действительности.

В качестве базы анализа экономического развития обязана быть взята именно целая система формирования финансовой деятельности сообщества. Но интегративная общая теория может быть выстроена только на основе проведения исследования развития раздельных конкретных исторических видов организации экономической деятельности.

Равновесие систем

Обратимый и необратимый процесс с экономической точки зрения рассматривали многое ученые. развил идею, что равновесие на рынке сводится к взаимному приспособлению персональных планов и исполняется по типу, какой бы следом за естественными науками стали нарекать «отрицательной обратной связью».

Дефиниция применима к сложным экономическим действиям, какие Н. Кондратьев именует обратимыми. Колыхания в экономике, включающие периодические изменения, это стоимости, проценты, заработная плата, на протяжении многих лет носят повторяющийся характер. Колебания подразделяются на длинные, средние и краткосрочные.

Принцип отрицательной обратной связи показывает только, как поддерживается неожиданно появляющийся режим в системе, но не позволяет обнаружить конструкцию происхождения установленного порядка, а также перехода от одной ступени развития к другой. Для этих целей необходимо устремиться к принципу В нем передовые изменения, образующиеся в системе, усиливаются и накапливаются. Неважно какая теория подвержена неожиданным уклонам от баланса, но, если она находится в изменчивом состоянии, из-за взаимодействия с окружающей средой эти покачивания обостряются и в итоге приводят к разгону минувшего распорядка и устройства. С другой стороны, в итоге взаимодействия компоненты старой системы приходят к слаженному поведению, благодаря чему в системе появляются совместные действия и формируются новый порядок и свежее соотношение.

Возникновение совокупных действий, как и образование и прогресс новых структур, связано с фактами случайности, каковые последовательно приводят к зыбкости системы.

Рынок — это открытая система, в которой происходит беспрерывное взаимодействие между покупателями и потребителями, продавцами и производителями. На рынке царит как случайный, так и спонтанный порядок. Так, при закупке и реализации продуктов всякий индивид непринужденно руководствуется сперва полезностью и необходимостью, а не их стоимостью. В действиях рыночных отношений две стороны приходят к общему выходу, а это впоследствии приводит к появлению неожиданного порядка, проявляющегося в балансе между спросом и предложением.

Заключительный аккорд

Итак, все движения самостоятельной организации имеют определенную направленность, что фактически является их важной чертой, в том числе и рынок в экономическом смысле. Первым изучал данные вопросы Д., который дал определение обратимых и необратимых действий в экономике. Целесообразно продолжать изучать эти действия, в том числе обратимые и необратимые процессы в природе. В химии и физике это направление, как уже упоминалось, считается фундаментальным, определяя, например, такие действия, как тепловые процессы. Обратимы, необратимы ли действия и процессы, происходящие в той или иной сфере жизни, считается немаловажным фактором, который необходимо знать.

Термодинамический процесс называетсяобратимым ,если он может проходить как в прямом, так и в обратном направлении; при этом после возвращения системы в исходное состояние в окружающей среде и в самой системе не происходит никаких изменений.

Равновесный (квазистатический) процесс представляет собой непрерывную последовательность равновесных состояний. Любая точка такого процесса – состояние равновесия, из которого система может идти как в прямом, так и в обратном направлении. Отсюда следует, что любой равновесный процесс обратим.

Только термодинамически равновесные процессы можно изображать графически, потому что для неравновесной системы значение параметров, например, температуры или концентрации, объёму неодинаково, а для всей системы является неопределённой величиной. Процессы, происходящие в таких системах, могут быть изображены графически только приближённо, по усреднённым значениям параметров.

Можно привести пример обратимого процесса из механики – абсолютно упругое соударение. Если заменить переменную времени t на –t , то при абсолютно упругом ударе начальные и конечные скорости тел просто поменяются ролями. Законы Ньютона обратимы.

Обратимые процессы – идеализация. Все реальные процессы в той или иной степени необратимы из-за трения, диффузии, теплопроводности. Все явления переноса – необратимые процессы. Теплота сама собой может переходить только от горячего к холодному, но никогда наоборот. Ещё пример необратимого процесса: абсолютно неупругое соударение, при котором механическая энергия превращается частично или полностью в теплоту.

Обратимые процессы наиболее экономичны, система при таких процессах совершает максимальную работу, а КПД оказывается максимальным.

9) Цикл Карно. Теорема Карно .

Попробуем создать тепловую машину, при работе которой используются только обратимые процессы.

Обратимым может быть адиабатный процесс – теплопередачи там нет вообще; работа внешних сил идёт на приращение внутренней энергии или наоборот, работа системы совершается за счёт убыли внутренней энергии системы, и эти процессы обратимы.

Но теплопередачу от нагревателя как-то надо осуществить, иначе за счёт какой тепловой энергии мы получим полезную работу? Обратимый процесс теплопередачи между двумя телами можно осуществить в изотермическом процессе, если температура обоих тел равна. Тогда безразлично, в какую сторону течёт поток теплоты. Но такой процесс будет и бесконечно медленным.

В цикле Карно (рис.8.10 и 8.11) идеальный газ проходит цикл, состоящий из двух адиабат (2-3 и 4-1) и двух изотерм (1-2 и 3-4).

1-2 – изотермическое расширение от объёма V 1 до V 2 ; при этом газ находится в контакте с нагревателем при температуре T 1 ;

2-3 – адиабатическое расширение от объёма V 2 до V 3 ; конечная температура газа равна температуре охладителя T 2 ;

3-4 – изотермическое сжатие от объёма V 3 до V 4 ; при этом газ находится в контакте с охладителем при температуре T 2 ;

4-1 – адиабатическое сжатие от объёма V 4 до V 1 ; конечная температура газа равна температуре нагревателя T 1 .

Для изотермических процессов:

Для адиабатических процессов:

;

.

Тогда из последних двух равенств:

Тогда КПД цикла Карно равен:

.

Доказана первая часть теоремы Карно:

1) КПД цикла Карно не зависит от природы рабочего тела и определяется только температурами нагревателя и охладителя:

Сформулируем две другие части теоремы Карно, а докажем их позже.

2)КПД любого обратимого цикла не больше КПД цикла Карно с теми же температурами нагревателя и охладителя:

. (8.39)

3)КПД любого необратимого цикла меньше КПД цикла Карно с теми же температурами нагревателя и охладителя:

. (8.40)

Энтропия.

Определение энтропии

Понятие энтропии было введено Клаузиусом. Энтропия – это одна из функций состояния термодинамической системы. Функция состояния – это такая величина, значения которой однозначно определяются состоянием системы, а изменение функции состояния при переходе системы из одного состояния в другое определяется только начальным и конечным состояниями системы и не зависят от пути перехода.

Внутренняя энергия U – функция состояния. Внутренняя энергия идеального газа равна , и её изменение определяется только начальной и конечной температурами: . Величина – это молярная теплоёмкость идеального газа при постоянном объёме.

Количество теплоты Q и работа A не являются функциями состояния: они зависят от пути перехода системы из начального состояния в конечное. Например, пусть идеальный газ переходит из состояния 1 в состояние 2, совершив последовательно сначала изобарный процесс, затем – изохорный (рис.8.12, а ). Тогда совершённая за весь процесс работа равна . Пусть теперь из 1 в 2 идеальный газ переходит, сначала совершив изохорный процесс, а затем изобарный (рис.8.12, b ). Работа при таком переходе равна . Очевидно, . Величина работы оказалась разная, хотя начальное и конечное состояние одинаковы. Поскольку по первому закону термодинамики количество теплоты, сообщённое системе, идёт на приращение внутренней энергии и на работу системы против внешних сил: , то теплота, полученная системой в процессах a и b , тоже будет разной, то есть теплота также не является функцией состояния.

С точки зрения математики, малые приращения величин, не являющихся функциями состояния, не будут полными дифференциалами, и для них нужно использовать обозначения: и . Оказывается, что для теплоты интегрирующим множителем является обратная температура: , и величина, равная отношению полученной системой теплоты к абсолютной температуре, является полным дифференциалом – это приведённая теплота: . По определению Клаузиуса, функция состояния системы, дифференциал которой в обратимом процессе равен приведённой теплоте, является энтропией :

Свойства энтропии

1) Энтропия – функция состояния системы, то есть в замкнутой системе в обратимом процессе, когда система возвращается в исходное состояние, полное изменения энтропии равно нулю:

. (8.42)

2) Энтропия аддитивна, то есть энтропия системы равна сумме энтропий всех её частей.

3) Энтропия замкнутой системы не убывает:

причём для обратимых процессов и для необратимых.

Соотношение (8.43) называется неравенством Клаузиуса и представляет собой одну из формулировок второго начала термодинамики: энтропия замкнутой системы остаётся постоянной, если в ней происходят только обратимые процессы, и возрастает в случае необратимых процессов.

Рассмотрим замкнутую систему, состоящую из двух тел с температурами и . Пусть – количество теплоты, полученное вторым телом от первого . Тогда количество теплоты, полученное первым телом, отрицательно и равно . Полное приращение энтропии системы двух тел в процессе теплопередачи равно сумме изменений энтропий двух тел.

Обратимый процесс (то есть равновесный) -- термодинамический процесс, который может проходить как в прямом, так и в обратном направлении, проходя через одинаковые промежуточные состояния, причем система возвращается в исходное состояние без затрат энергии, и в окружающей среде не остается макроскопических изменений.

Обратимый процесс можно в любой момент заставить протекать в обратном направлении, изменив какую-либо независимую переменную на бесконечно малую величину.

Обратимые процессы дают наибольшую работу. Большую работу от системы вообще получить невозможно. Это придает обратимым процессам теоретическую важность. На практике обратимый процесс реализовать невозможно. Он протекает бесконечно медленно, и можно только приблизиться к нему.

Следует отметить, что термодинамическая обратимость процесса отличается от химической обратимости. Химическая обратимость характеризует направление процесса, а термодинамическая -- способ его проведения.

Понятия равновесного состояния и обратимого процесса играют большую роль в термодинамике. Все количественные выводы термодинамики применимы только к равновесным состояниям и обратимым процессам.

Необратимым называется процесс, который нельзя провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния. Все реальные процессы необратимы. Примеры необратимых процессов: диффузия, термодиффузия, теплопроводность, вязкое течение и др. Переход кинетической энергии макроскопического движения через трение в теплоту, то есть во внутреннюю энергию системы, является необратимым процессом.

Все происходящие в природе физические процессы делятся на два типа - обратимые и необратимые.

Пусть изолированная система в результате некоторого процесса переходит из состояния А в состояние В и затем возвращается в начальное состояние. Процесс называется обратимым, если возможно осуществить обратный переход из В в А через те же промежуточные состояния так, чтобы при этом не осталось никаких изменений в окружающих телах. Если такой обратный переход осуществить нельзя, если по окончании процесса в самой системе или окружающих телах остались какие-то изменения, то процесс является необратимым.

Любой процесс, сопровождаемый трением, является необратимым, ибо при трении часть работы всегда превращается в тепло, тепло рассеивается, в окружающих телах остается след процесса - нагревание, что делает процесс с участием трения необратимым. Идеальный механический процесс, происходящий в консервативной системе (без участия сил трения), был бы обратимым. Примером такого процесса является колебание тяжелого маятника на длинном подвесе. Из-за малого сопротивления среды амплитуда колебаний маятника практически не изменяется в течение продолжительного времени, при этом кинетическая энергия колеблющегося маятника полностью переходит в его потенциальную энергию и обратно.

Важнейшей принципиальной особенностью всех тепловых явлений, в которых участвует громадное число молекул, является их необратимый характер. Примером необратимого процесса является расширение газа, даже идеального, в пустоту. Предположим, что нам дан закрытый сосуд, разделенный на две равные части заслонкой (рисунок. 1). Пусть в части I находится некоторое количество газа, а в части II - вакуум. Опыт показывает, что если убрать заслонку, то газ равномерно распределится по всему объему сосуда (расширится в пустоту). Это явление происходит как бы "само собой" без внешнего вмешательства. Сколько бы мы не следили в дальнейшем за газом, он будет всегда оставаться распределенным с одинаковой плотностью по всему сосуду; сколько бы мы ни ждали, нам не удастся наблюдать того, чтобы газ, распределенный по всему сосуду I + II сам собой, то есть без вмешательства извне, ушел из части II и сконцентрировался весь в части I, что дало бы нам возможность вновь вдвинуть заслонку и тем самым возвратиться к исходному состоянию. Таким образом, очевидно, что процесс расширения газа в пустоту является необратимым.

Рис 1.

Опыт показывает, что тепловые явления почти всегда обладают свойством необратимости. Так, например, если рядом находятся два тела, из которых одно теплее другого, то их температуры постепенно выравниваются, то есть тепло "само собой" перетекает от более теплого тела к более холодному. Однако обратный переход теплоты от более холодного тела к нагретому, который может быть осуществлен в холодильной машине, не идет "сам собой". Для осуществления такого процесса требуется затрата работы еще какого-либо тела, что приводит к изменению состояния этого тела. Следовательно, условия обратимости не выполняются.

Кусочек сахара, помещенный в горячий чай, растворяется в нем, но никогда не бывает, чтобы из горячего чая, в котором уже растворен кусочек сахара, этот последний выделился и вновь собрался в виде кусочка. Конечно, получить сахар, выпарив его из раствора, можно. Но этот процесс сопровождается изменениями в окружающих телах, что свидетельствует о необратимости процесса растворения. Необратимым является и процесс диффузии. И вообще примеров необратимых процессов можно привести сколь угодно много. По сути, любой процесс, протекающий в природе в реальных условиях, является необратимым.

Итак, в природе существуют два вида принципиально различных процессов - обратимые и необратимые. М. Планк сказал однажды, что различие между обратимыми и необратимыми процессами лежит гораздо глубже, чем, например, между процессами механическими и электрическими, поэтому его с большим основанием, чем любой другой признак, следовало бы выбрать в качестве первейшего принципа при рассмотрении физических явлений.

Основы термодинамики

Обратимые и необратимые тепловые процессы.

Термодинамический процесс называется обратимым, если он может происходить как в прямом, так и в обратном направлении, причем если такой процесс происходит сначала в прямом, а затем в обратном направлении и система возвращается в исходное состояние, то в окружающей среде и в этой системе не происходит никаких изменений.

Всякий процесс, не удовлетворяющий этим условиям, является необратимым.

Любой равновесный процесс является обратимым. Обратимость равновесного процесса, происходящего в системе, следует из того, что ее любое промежуточное состояние есть состояние термодинамического равновесия; независимо от того идет ли процесс в прямом или в обратном направлении. Реальные процессы сопровождаются рассеянием энергии (из-за трения, теплопроводности и т.д.), которая нами не рассматривается. Обратимые процессы – это идеализация реальных процессов. Их рассмотрение важно по 2-м причинам: 1) многие процессы в природе и технике практически обратимы; 2) обратимые процессы являются наиболее экономичными; имеют максимальный термический коэффициент полезного действия, что позволяет указать пути повышения КПД реальных тепловых двигателей.

Работа газа при изменении его объема.

Работа совершается только тогда, когда изменяется объем.

Найдем в общем виде внешнюю работу, совершаемую газом при изменении его объема. Рассмотрим, например, газ, находящийся под поршнем в цилиндрическом сосуде. Если газ, расширяясь, передвигает поршень на бесконечно малое расстояние dl, то производит над ним работу

A=Fdl=pSdl=pdV, гдеS-площадь поршня,Sdl=dV-изменение объема системы. Таким образом,A=pdV.(1)

Полную работу А, совершаемую газом при изменении его объема от V1 доV2, найдем интегрированием формулы (1):A=pdV(отV1 доV2).(2)

Результат интегрирования определяется характером зависимости между давлением и объемом газа. Найденное для работы выражение (2) справедливо при любых изменениях объема твердых, жидких и газообразных тел.

П

Полная работа газа будет равна площади фигуры, ограниченной осью абсцисс, кривой и значениями V1,V2.

роизведенную при том или ином процессе работу можно изобразить графически с помощью кривой в координатахp,V.

Графически можно изображать только равновесные процессы – процессы, состоящие из последовательности равновесных состояний. Они протекают так, что изменение термодинамических параметров за конечный промежуток времени бесконечно мало. Все реальные процессы неравновесны (они протекают с конечной скоростью), но в ряде случаев их неравновесностью можно пренебречь (чем медленнее процесс протекает, тем он ближе к равновесному).

Первое начало термодинамики.

Существует 2 способа обмена энергией между телами:

передача энергии через перенос тепла (посредством теплопередачи);

через совершение работы.

Таким образом, можно говорить о 2-х формах передачи энергии от одних тел к другим: работе и теплоте. Энергия механического движения может превращаться в энергию теплового движения, и наоборот. При этих превращениях соблюдается закон сохранения и превращения энергии; применительно к термодинамическим процессам этим законом и является первое начало термодинамики:

∆U=Q-A или Q=∆U+A.(1)

Т.е, теплота, сообщаемая системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение ею работы против внешних сил. Это выражение в дифференциальной форме будет иметь вид Q=dU+A(2) , гдеdU- бесконечно малое изменение внутренней энергии системы,A- элементарная работа,Q– бесконечно малое количество теплоты.

Из формулы (1) следует, что в СИ количество теплоты выражается в тех же единицах, что работа и энергия, т.е. в джоулях(Дж).

Если система периодически возвращается в первоначальное состояние, то изменение ее внутренней энергии ∆U=0. Тогда, согласно 1-му началу термодинамики,A=Q,

Т.е вечный двигатель первого рода – периодически действующий двигатель, который совершал бы большую работу, чем сообщенная ему извне энергия, - невозможен (одна из формулировок 1-го начала термодинамики).

Применение 1-го начала термодинамики к изопроцессам и к адиабатическому процессу.

Среди равновесных процессов, происходящих с термодинамическими системами, выделяются изопроцессы, при которых один из основных параметров состояния сохраняется постоянным.

Изохорный процесс (V = const )

При таком процессе газ не совершает работы над внешними телами, т.е A=pdV=0.

Тогда, из 1-го начала термодинамики следует, что вся теплота, переданная телу, идет на увеличение его внутренней энергии: Q=dU. Зная, чтоdU m =C v dT.

Тогда для произвольной массы газа получим Q=dU=m\M*C v dT.

Изобарный процесс (p = const ).

При этом процессе работа газа при увеличении объема от V1 доV2 равнаA=pdV(отV1 доV2)=p(V2-V1) и определяется площадью фигуры, ограниченной осью абсцисс, кривойp=f(V) и значениямиV1,V2. Если вспомнить ур-е Менделеева-Клапейрона для выбранных нами 2-х состояний, то

pV 1 =m\M*RT 1 , pV 2 =m\M*RT 2 , откуда V 1 - V 2 = m\M*R\p(T 2 - T 1). Тогда выражение для работы изобарного расширения примет видA=m\M*R(T 2 -T 1)(1.1).

При изобарном процессе при сообщении газу массой mколичества теплоты

Q=m\M*C p dTего внутренняя энергия возрастает на величинуdU=m\M*C v dT. При этом газ совершает работу, определяемую выражением(1.1).

Изотермический процесс (T = const ).

Этот процесс описывается законом Бойля-Мариотта: pV=const.

Найдем работу изотермического расширения газа: A=pdV(отV1 доV2)=m/M*RTln(V2/V1)=m/M*RTln(p1/p2).

Т.к при Т=constвнутренняя энергия идеального газа не изменяется:dU=m/M*C v dT=0, то из 1-го начала термодинамики (Q=dU+A) следует, что для изотермического процессаQ=A, т.е все количество теплоты, сообщаемое газу, расходуется на совершение им работы против внешних сил:Q=A=m/M*RTln(p1/p2)=m/M*RTln(V2

Следовательно, чтобы при расширении газа температура не понижалась, к газу в течение изотермического процесса необходимо подводить количество теплоты, эквивалентное внешней работе расширения.

Адиабатический процесс.

АП - это процесс, при котором отсутствует теплообмен (Q=0) между системой и окружающей средой. К адиабатическим можно отнести все быстропротекающие процессы. Из 1-го начала термодинамики (Q=dU+A) для адиабатического процесса следует, чтоA= -dU, т.е внешняя работа совершается за счет изменения внутренней энергии системы. Т.о,pdV= -m/M*C v dT(1).

Продифференцировав ур-е состояния для идеального газа,pV=m/M*RT, получим

PdV + Vdp=m/M*RdT.(2)

Исключим из ур-я (1) и (2) температуру T: (pdV+Vdp)/(pdV)= -R/C v = -(C p -C v)/C v .

Разделив переменные и учитывая, что C p /C v =, найдемdp/p= -dV/V.

Интегрируя это ур-е в пределах от p1 доp2 и соответственно отV1 доV2, а затем, потенцируя, придем к выражениюp2/p1=(V1/V2)  , илиp1(V1)  =p2(V2)  .Так как состояния 1 и 2 выбраны произвольно, то можно записать

pV  =const(ур-е адиабатического процесса или ур-е Пуассона).Здесь- показатель адиабаты (или коэффициент Пуассона),=(i+2)/i.

Вычислим работу, совершаемую газом в адиабатическом процессе: A= -m/M*C v dT.

Если газ адиабатически расширяется от объема V1 доV2, то его температура уменьшается отT1 доT2 и работа расширения идеального газа

A= - m/M*C v dT=m/M* C v (T1-T2).

Изохорный, изобарный, изотермический и адиабатический процессы имеют одну особенность – они происходят при постоянной теплоемкости.

Эквиваленты теплоты и работы .

Обмен энергией между термодинамической системой и внешними телами может осуществляться 2мя качественно различными способами: путем совершения работы и путем теплообмена. В отсутствии внешних полей работа совершается при изменении объема или формы системы. Работа A", совершаемая внешнми телами над системой численно равна и противоположна по знаку работе, совершаемой самой системой.

Энтропия.

Помимо внутренней энергии, которая является только функциональной составляющей термодинамической системы, в термодинамике используется еще ряд других функций, описывающих состояние термодинамической системы. Особое место среди них занимает энтропия. Пусть Q - теплота, полученная термодинамической системой в изотермическом процессе, а T - температура, при которой произошла эта передача теплоты. Величина Q/ T называется приведенной теплотой. Приведенное количество теплоты, сообщаемое термодинамической системе на бесконечно малом участке процесса будет равно dQ / T. В термодинамике доказывается, что в любом обратимом процессе сумма приведенных количеств теплоты, передаваемая системе на бесконечно малых участках процесса равна нулю. Математически это означает, что dQ/T - есть полный дифференциал некоторой функции, которая определяется только состоянием системы и не зависит от того, каким путем перешла система в такое состояние. Функция, полученный дифференциал которой равен dS= dQ/ T - называется энтропией. Энтропия определяется только состоянием термодинамической системы и не зависит от способа перехода системы в это состояние. S - энтропия. Для обратимых процессов delta S = 0. Для необратимых delta S > 0 - неравенство Клаудио. Неравенство Клаудио справедливо только для замкнутой системы. Только в замкнутой системе процессы идут так, что энтропия возрастает. Если система незамкнута и может обмениваться теплотой с окружающей средой, ее энтропия может вести себя любым образом; dQ = T dS ; При равновестном переходе системы из одного состояния в другое dQ = dU + dA ; delta S = (интеграл 1 - 2) dQ / T = (интеграл) (dU + dA) / T. Физический смысл имеет не сама энтропия, а разность энтропий при переходе системы из одного состояния в другое.

Связь энтропии с вероятностью состояния системы .

Более глубокий смысл энтропии скрывается в статической физике. Энтропия связывается с термодинамической вероятностью состояния системы. Термодинамическая вероятность состояния системы - это число способов, которыми может быть реализовано данное состояние макроскопической системы. Иными словами W - это число микросостояний, которые реализовывают данные макросостояния.

Больцман методами статистической физики показал, что энтропия S системы и термодинамическая вероятность связаны соотношением: S= k ln (W) ; где k - постоянная Больцмана. Термодинамическая вероятность W не имеет с математической вероятностью ничего общего. Из этого соотношения видно, что энтропия может рассматриваться как мера вероятности состояния термодинамической системы, энтропия является мерой неупорядоченной системы. Чем больше число микросостояний, реализующих данное макросостояние, тем больше ее энтропия.

Второй закон термодинамики .

Количество теплоты, полученное от нагревателя, не может быть целиком преобразовано в механическую работу циклически действующей тепловой машиной. Это и есть 2ой закон: в циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от источника энергии - нагревателя. (by Кельвин Copyright 1851). Второй закон связан с необратимостью процессов в природе. Возможна другая формулировка: невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путем теплообмена от холодного тела к горячему. Второй закон имеет вероятный характер. В отличие от закона сохранения энергии, второй закон применим лишь к системам, состоящим из очень большого числа частиц. Для таких систем необратимость процессов объясняется тем, что обратный переход должен был бы привести систему в состояние ничтожно малой вероятностью, практически не отличимой от невозможности.

Самопроизвольные процессы в изолированной системе всегда проходят в направлении перехода от маловероятного состояния в более вероятное.

Цикл Карно .

Для создания тепловой машины недостаточно просто иметь нагретое тело (нагреватель), требуется еще 2-е тело – холодильник. Т.о, рабочее тело передает теплоту от нагревателя к холодильнику и попутно совершает полезную работу.

Вкачестве рабочего тела Сади Карно выбрал идеальный газ. Он рассмотрел следующий процесс:

Кривые 1-2, 3-4 – изотермы, кривые 2-3,4-1 – адиабаты.

На участке 1-2 газ получает теплотуQ1 от нагревателя и, расширяясь, совершает работу (т.е расходует полученноеQ1 на совершение работы).Q1=∆U+A1, ∆U=0, т.к. T=const. Q1=A1.

На участке 2-3: газ совершает работу А2, которая равна убыли внутренней энергии; температура понижается. А2= - ∆U2 (температура понижается от Т1 до Т2).

На участке 3-4 :Vуменьшается, Т2=const. Внешние силы совершают работу по сжатию газаA3:Q2= -A3,Q2=A′. От системы отводится количество теплотыQ2: |Q2|=A3.

На участке 4-1 :Vуменьшается,Tувеличивается.A’4=∆U,Q=∆U+A, 0= ∆U4 +A4 =∆U4-A’4,A’4=∆U(внешние силы совершили работу, которая пошла на увеличение внутренней энергии.

Для изотерм A=A1+A3=Q4-|Q2|.

Площадь под изотермой 3-4 меньше, чем под изотермой 1-2 |A’3|<|A1|,Q1>Q2газ получает от нагревателя больше теплоты, чем отдает холодильнику.

За полный цикл: ∆U=0, А=А1 – А’3 - ∆U2(=A2) +A’4, ∆U2=3/2*m/M*R(T2-T1).

A=Q1-|Q2| - 3/2*m/M*R(T2-T1) + (-3/2*m/M*R(T1-T2))=Q1-|Q2|.

Коэффициентом полезного действия тепловой машины называется отношение полезной работы, совершаемой за цикл, к количеству теплоты, полученной системой. Выражается в процентах. =(Q1-|Q2|)/Q1 * 100% (1), или =A/Q1 *100% (2). Эти формулы можно использовать для любой тепловой машины.

Теорема Карно: Q1/T1=|Q2|/T2 (для машины Карно).=(T1-T2)/T1 *100%.

КПД, определяемый формулами (1) и (2) – наибольший возможный. В реальных тепловых машинах КПД меньше.

2.5. Фазовые равновесия и фазовые превращения.

Фаза - это равновесное состояние вещества, отличающееся по своим физическим свойствам от других состояний того же вещества.

Переход вещества из одной фазы в другую называется фазовым переходом . При таких переходах меняются механические, тепловые, электрические и магнитные свойства вещества.

Тройная точка .

Кривые плавления и парообразования в пересекаются в точке A. Эту точку называют тройной точкой, т.к. если при давлении p тр. и температуре Tтр некоторые количества вещества в твердом, жидком и газообразном состояниях находятся в контакте, то без подведения или отвода тепла количество вещества, находящегося в каждом из 3х состояний, не изменяется

Из диаграммы состояний видно, что переход вещества при нагревании из твердого состояния в газообразное может совершиться, минуя жидкое состояние. Переход кристалл-жидкость-газ при нормальном атмосферном давлении происходит лишь у тех веществ, у которых давление в тройной точке ниже этого давления. Те же вещества, которых давление в тройной точке превышает атмосферное, в результате нагревания при атмосферном давлении не плавятся, а переходят в газообразное состояние.

Поскольку тройной точке соответствует вполне определенная температура, она может служить опорной точкой термодинамической шкалы.

Реальные газы .

При движении молекулы вдали от стенок сосуда, в котором заключен газ, на нее действуют силы притяжения соседних молекул, но равнодействующая всех этих сил в среднем равна нулю, т.к. молекулу со всех сторон окружает в среднем одинаковое число соседей. При приближении некоторой молекулы к стенке сосуда все остальные молекулы газа оказываются по одну сторону от нее и равнодействующая всех сил притяжения оказывается направленной от стенки сосуда внутрь газа. Это приводит к тому, что уменьшается импульс, передаваемый молекулой стенке сосуда. В результате давление газа на стенки сосуда уменьшается по сравнению с тем, каким оно было бы в отсутствие сил притяжения между молекулами: p = p идеального + delta p. Вместо уравнения идеального газа получаем p + delta p = nkT ; delta p = a/V(ст.2);

Где a - постоянная, зависящая от вида газа. Для одного моля газа получаем p+a/V(ст.2) = R T / V ; Поправка: при любых давлениях, объем газа не может стать равным нулю.

Уравнение Ван-дер-Ваальса :

(p + a / V (ст.2)) (V - b) = RT, где b - так называемый "запрещенный объем"

Критическая температура .

Было установлено, что из газообразного состояния в жидкое можно перевести любое вещество. Однако каждое вещество может испытать такое превращение лишь при температурах ниже определенной, так называемой критической температуры Tк. При температуре выше критической вещество не превращается в жидкость или твердое тело ни при каких давлениях. При критической температуре средняя кинетическая энергия теплового движения молекул вещества примерно равна модулю потенциальной энергии их связи в жидкости или твердом теле. Т. к. силы притяжения, действующие между молекулами разных веществ, различны, неодинакова и потенциальная энергия их связи, отсюда различными оказываются критические температуры для различных веществ.

Диаграмма состояний вещества .

Чем выше температура жидкости, тем больше плотность и давление ее пара. Геометрическим местом точек, отмечающих на диаграмме p, T равновесные состояния между жидким и газообразным состояниями вещества, является кривая AK (рисунок - график, правая часть параболы - CB выходит не из нуля, а чуть выше и правее; из точки A этой кривой, чуть дальше, выходит еще более широкая часть параболы - AK; все пространство делится на 3 части таким образом - твердое тело, жидкость и газ; оси - T и p).

Процесс испарения твердых тел называется сублимацией.

Пожалуйста, её ещё хотя бы несколькими предложениями и уберите это сообщение. Если статья останется недописанной, она может быть выставлена к удалению. Для указания на продолжающуюся работу над статьёй используйте шаблон {{subst: }} .

Обратимый процесс (то есть равновесный) - термодинамический процесс, который может проходить как в прямом, так и в обратном направлении, проходя через одинаковые промежуточные состояния, причем система возвращается в исходное состояние без затрат энергии, и в окружающей среде не остается макроскопических изменений.

Обратимый процесс можно в любой момент заставить протекать в обратном направлении, изменив какую-либо независимую переменную на бесконечно малую величину.

Обратимые процессы дают наибольшую работу. Бо́льшую работу от системы вообще получить невозможно. Это придает обратимым процессам теоретическую важность. На практике обратимый процесс реализовать невозможно. Он протекает бесконечно медленно, и можно только приблизиться к нему.

Следует отметить, что термодинамическая обратимость процесса отличается от химической обратимости . Химическая обратимость характеризует направление процесса, а термодинамическая - способ его проведения.

Понятия равновесного состояния и обратимого процесса играют большую роль в термодинамике. Все количественные выводы термодинамики применимы только к равновесным состояниям и обратимым процессам. В состоянии химического равновесия скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции!

Примеры

Выпечка пирога - необратимый процесс. Гидролиз солей - обратимый процесс.

См. также

Напишите отзыв о статье "Обратимый процесс"

Ссылки

• socrates.berkeley.edu/~ashvinv/Phy211/lecture3.pdf
• www.britannica.com/EBchecked/topic/500473/reversibility

Отрывок, характеризующий Обратимый процесс

– А ты думаешь как? У него от всех званий набраны.
– А ничего не знают по нашему, – с улыбкой недоумения сказал плясун. – Я ему говорю: «Чьей короны?», а он свое лопочет. Чудесный народ!
– Ведь то мудрено, братцы мои, – продолжал тот, который удивлялся их белизне, – сказывали мужики под Можайским, как стали убирать битых, где страженья то была, так ведь что, говорит, почитай месяц лежали мертвые ихние то. Что ж, говорит, лежит, говорит, ихний то, как бумага белый, чистый, ни синь пороха не пахнет.
– Что ж, от холода, что ль? – спросил один.
– Эка ты умный! От холода! Жарко ведь было. Кабы от стужи, так и наши бы тоже не протухли. А то, говорит, подойдешь к нашему, весь, говорит, прогнил в червях. Так, говорит, платками обвяжемся, да, отворотя морду, и тащим; мочи нет. А ихний, говорит, как бумага белый; ни синь пороха не пахнет.
Все помолчали.
– Должно, от пищи, – сказал фельдфебель, – господскую пищу жрали.
Никто не возражал.
– Сказывал мужик то этот, под Можайским, где страженья то была, их с десяти деревень согнали, двадцать дён возили, не свозили всех, мертвых то. Волков этих что, говорит…
– Та страженья была настоящая, – сказал старый солдат. – Только и было чем помянуть; а то всё после того… Так, только народу мученье.
– И то, дядюшка. Позавчера набежали мы, так куда те, до себя не допущают. Живо ружья покидали. На коленки. Пардон – говорит. Так, только пример один. Сказывали, самого Полиона то Платов два раза брал. Слова не знает. Возьмет возьмет: вот на те, в руках прикинется птицей, улетит, да и улетит. И убить тоже нет положенья.