Обратимый и необратимый процессы

Рассмотренный круг вопросов позволяет разобраться еще в од­ной чрезвычайно трудной и запутанной проблеме современной теории: речь идет о так называемых обратимом и необратимом (квазистатическом и нестатическом или квазиравновесном и неравновесном) процессах.

Еще со времен Клаузиуса все реальные процессы принято считать сугубо необратимыми в том смысле, что они протекают только в одном направлении - с выделением теплоты трения (диссипации). В результате «все формы энергии превращаются в теплоту и в ней находят свою смерть» (Клаузиус). Однако, согласно ОТ, природа не знает такой фатальной односторон­ности реальных процессов. В действительности процессы обрат­ного направления (минус-трения, с поглощением теплоты диссипации) встречаются столь же часто, как и процессы прямого (плюс-трения, с выделением теплоты). В связи со ска­занным термин «необратимый» процесс надо признать неудач­ным, затемняющим суть дела и от него следует отказаться. Более точно отражают действительность такие термины, как «нестатический», «неравновесный», «реальный» процесс.

Главным признаком любого реального процесса является наличие положительной или отрицательной разности интенсиалов и, следовательно, выделение или поглощение теплоты трения. На этом основании легко вывести специальный кри­терий, характеризующий степень нестатичности, или неравно­весности, реального процесса. Например, соответствующий критерий получается как отношение количества тепла диссипа­ции (экранирования) Q_Э, которая выделяется или поглощается в системе при переносе через (или внутри) нее количества вещества ΔΕ, к работе того же вещества Q', совершаемой на поверхности системы. Имеем (см. формулы (42) и (222))

К_Э = Q_Э/ Q' = (ΔΡ_ЭΔЕ)/(Ρ'ΔЕ) = ΔΡ_Э/Ρ' (286)

где ΔΡ_Э – перепад интенсиала в системе:

ΔР = Р’’ – Р’;

Р' - значение интенсиала на входе в систему; Р" - то же на выходе.

Знак в выражении (286) опущен. Оно показывает, какую долю от полной работы соответствующего рода на входе в систему составляет работа трения внутри системы. Нетрудно сообразить, что критерий нестатичности, или неравновесности, процесса (286) в принципе не отличается от критерия неравно­весности состояния (278). Следовательно, состояние системы и протекающие в ней процессы оцениваются практически одинаковым образом.

Из формул (278) и (286) видно, что с увеличением пере­пада ΔΡ (или ΔΡ_Э) степень нестатичности возрастает (см. фор­мулу (284)). При уменьшении перепада ΔΡ степень неравно­весности процесса падает и в пределе обращается в нуль (см. формулу (279)). Последний процесс является полностью обратимым, или идеальным, в понимании Клаузиуса, так как не сопровождается трением, однако осуществить такой процесс в принципе невозможно, ибо при нулевом перепаде интенсиала перенос вещества от поверхности вовнутрь системы отсутству­ет. Вместе с тем на практике можно сколь угодно близко подойти к этому идеалу, уменьшая перепад ΔΡ согласно пятому началу ОТ, это покупается ценой увеличения длитель­ности (снижения скорости) процесса.

Приведенное здесь определение степени нестатичности реального процесса имеет большое теоретическое и практичес­кое значение. Становится ясно, что существующие ныне пред­ставления о необратимости реальных процессов, берущие свое начало от Клаузиуса, не соответствуют действительности. Все реальные процессы в своей совокупности обратимы, ибо эффекты плюс-трения компенсируются эффектами минус-тре­ния. При этом надо четко различать общую (суммарную) обратимость явлений природы и необходимость в каждом конкретном частном процессе иметь определенную разность интенсиалов - положительную или отрицательную, без ко­торой процесс невозможен и которая приводит к соответствую­щему выделению или поглощению теплоты трения.

С практической точки зрения инженер получает в свое распоряжение возможность точно оценивать потери на трение в любом реальном процессе. Если относительная нестатичность, определяемая критерием (286), невелика, тогда процесс допус­тимо рассматривать как практически квазиравновесный, обра­тимый. Соответствующая оценка многих реальных процессов показывает, что некоторые из них ошибочно считаются обрати­мыми, в то время как на самом деле они являются сугубо диссипативными. К их числу относятся, например, эффекты выделения и поглощения теплот Пельтье и Томсона в термоэлектрической паре Зеебека. В данном случае с толку сбивает то обстоятельство, что теплоты Пельтье и Томсона способны не только выделяться, но и поглощаться. В других случаях реальные практически обратимые процессы ошибочно рас­сматриваются как существенно необратимые; к ним относятся, например, процессы изменения состояния газа и пара в ци­линдре теплового двигателя [ТРП, стр.295-297].