Обратимые и циклические процессы

В некоторой изолированной системе тело переходит из состояния 1 в состояние 2, а затем возвращается в состояние 1.

Процесс называется обратимым, если возможно осуществить обратный переход через те же промежуточные состояния, так, чтобы не осталось никаких изменений в окружающей среде.

Если такой процесс осуществить нельзя, если по окончании процесса в окружающих телах или в самом теле остались какие-либо изменения, то процесс является необратимым.

Любой процесс, сопровождаемый трением, необратим, ибо часть работы при трении всегда превращается в тепло. Трущиеся поверхности нагреваются, и теплота распространяется, рассеивается в окружающих телах. Рассеянная теплота ни при каких процессах не может без затрат энергии, без совершения работы другим телом собраться к трущимся поверхностям и вновь превратится в работу.

Любой реальный механический процесс сопровождается трением и поэтому является необратимым.

Все процессы, сопровождающиеся теплопередачей от нагретого тела к менее нагретому телу, являются необратимыми. Т.к. обратный переход теплоты от холодного тела к нагретому телу, 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 в этом теле, и следовательно условие обратимости не выполняются.

Необратимым является процесс расширения газа, даже идеального в пустоту. При таком расширении газ не совершает работы, а чтобы собрать вновь вместе газовые молекулы, сжать газ, привести в начальное состояние, требуется затратить работу, что приведет к изменениям в других телах.

Т.о. все реальные процессы являются необратимыми, хотя степень необратимости может быть разная.

Обратимыми являются квазистатические равновесные процессы. Абстрактные, идеализированные процессы.

Процесс, при котором тело проходить через ряд различных состояний, а в результате возвращается в исходное, начальное состояние называется круговым или цеклическим. Круговой процесс является обратимым, если все его части обратимы. Если какая-либо часть процесса является необратимой, то процесс необратим.

На диаграмме состояний в -координатах круговой процесс представляет собой замкнутую кривую. В процессе, происходящем по часовой стрелке 1а2в1, теплота превращается в механическую работу. В процессе идущем против часовой стрелки 1в2а1 механическая энергия превращается в теплоту, точки 1 и 2 соответствуют начальному и промежуточному значениям давлений и объемов , .

Система, которая совершает круговой процесс, обмениваясь энергией (теплотой) с внешней средой называют рабочим телом.

Система после получения в начальном состоянии 1 определенное количество теплоты от нагревателя совершает положительную работу и переходит в промежуточное состояние 2. Затем после теплового контакта с холодильником, она отдает ему часть количества теплоты и за счет совершения работы над системой , возвращается в исходное состояние 1.

Т.к. после окончания кругового процесса рабочее тело возвращается в исходное состояние, его внутренняя энергия не изменяется. Поэтому рабочее тело может совершать работу только за счет внешних источников, подводящих к нему теплоту.

Т.о. изолированная система в целом не может совершить круговой процесс, т.к. требуется участие внешних сил, внешних источников тепла.

Работа, совершаемая за круговой процесс (цикл) рабочим телом, равна площади внутри замкнутой кривой кругового процесса. , , .

В принципе существует бесчисленное множество возможных циклов, поскольку каждой замкнутой кривой, на диаграмме в - координатах соответствует цикл. Можно представить различные круговые процессы, используя уже изученные процессы и их комбинации. Например, процессы, изображенные в - координатах:

а) круговой процесс, в котором рабочее тело совершает два изобарических (1-2, 4-3) и два изохорических процесса (2-3, 4-1);

б) круговой процесс, в котором рабочее тело совершает изотермический
(1-2), затем изобарический (2-3) и изохорический (3-1) процессы;

в) круговой процесс, в котором рабочее тело совершает адиабатический
(1-2), затем изобарический (2-3) и изохорический (3-1) процессы;

г) круговой процесс, в котором рабочее тело совершает два изотермических (1-2, 3-4) и два адиабатических (2-3, 4-1) процесса.