Термодинамический процесс

Уравнение состояния

 

Для равновесной термодинамической системы существует функциональная связь между параметрами состояния, которая называется уравнением состояния. Опыт показывает, что объем, температура и давление простейших систем, которыми являются газы, пары и жидкости, свя­заны термическим уравнением состояния вида

f (p, n, T) = 0.

Т.е p = f1 (n, T), n = f2 (p, T),

T = f3 (p, n).

Эти уравнения показывают,чтоиз трех основных параметров, определяющих состояние системы, независимыми являются два любых.

В термодинамических системах в качестве рабочего тела часто рассматривают идеальный газ и не учитывают силы взаимодействия молекул, представляющих материальные точки, не имеющие объема.

Уравнением состояния идеального газа является уравнение Клапейрона:

pn = RT (1.3)

или (n = V/ m)

pV = mRT, (1.4)

где R – газовая постоянная, характеризующая работу 1 кг идеального газа при постоянном давлении и изменении температуры на 1 К.

Газовые постоянные для раз­лич-ных рабочих тел различны. Умножив обе части уравнения (1.3) на m (молекулярную массу), получим уравнение Клапейрона – Менделеева:

р m n = m R T, (1.5)

где mn – объем киломоля газа при нормальных физических условиях, mn = 22,4 м3/кмоль; mR – универсальная газовая постоянная, mR = 8314 Дж/(кмоль∙К).

Газовая постоянная конкретного рабочего тела в Дж/ (кг∙К):

R = 8314/ m. (1.6)

Любое изменение термодинамического состояния системы во времени называется термодинамическим процессом.

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

Равновесный термодинамический процесс – это бесконечно медленно протекающий процесс, состоящий из последовательности равновесных состояний. Реальные термодинамические процессы неравновесные. Однако, во многих случаях для упрощения расчетов их идеализируют, считая равновесными.

Равновесные процессы являются процессами обратимыми. В термодинамике обратимым называется такой процесс, при совершении которого в прямом и обратном направлениях не происходит остаточных изменений ни в самой системе, ни в окружающей среде.

Обратимые процессы – это идеализированные процессы с максимальной работой при расширении и минимальной при сжатии.

Неравновесные процессы необратимы. При проведение таких процессов в прямом и обратном направлениях либо система, либо окружающая среда не возвращаются в исходное состояние.

Реальные процессы необратимы. Опыт показывает, что теплота всегда самопроизвольно переходит от тела с большей температурой к телам с меньшей температурой. Обратный процесс может быть осуществлен только путем дополнительных затрат энергии, вызывающих остаточные изменения в окружающей среде.

Термодинамический цикл – термодинамический процесс, в результате которого рабочее тело, пройдя замкнутую последова­тельность неповторяющихся состояний, возвращается в начальное.

Термодинамический цикл, как и термодинамический процесс, может быть обратимым и необратимым. Обратимый цикл образуется только обратимыми процессами.