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.