Термодинамический процесс

Как мы увидели из предыдущего изложения, параметры состояния зависят один от другого и взаимно связаны определенным математическим уравнением вида

,

называемое уравнением состояния. Если известно уравнение состояния (уравнение Клапейрона-Менделеева), то для определения состояния простых систем - однородных и постоянных по времени, массе и по составу (т. е., состоящих из одной фазы и не изменяющихся химически) - достаточно знать две независимые переменные из трех:

.

При изменении внешних условий, в которых находится термодинамическая система, изменяется и состояние этой системы.

Совокупность состояний термодинамической системы при переходе ее из одного равновесного состояния в другое называется термодинамическим процессом.

Под равновесным состоянием рабочего тела понимается такое, при котором во всех точках объема, занимаемого телом давление, температура, удельный объем и все другие физические свойства одинаковы.

Процесс изменения состояния системы может быть как равновесным, так и неравновесным. Если термодинамический процесс, протекая, проходит равновесные состояния, то его называют равновесным термодинамическим процессом.

Равновесные термодинамические процессы могут быть осуществлены при бесконечно медленном изменении внешних условий или когда изменения параметров, характеризующих состояние системы, бесконечно малы по сравнению с со значениями самих параметров. Следовательно, реальные процессы, будучи неравновесными, могут лишь в той или иной степени приближаться к равновесным, никогда в точности с ними не совпадая.

Неравновесность реальных процессов заключается прежде всего в том, что они под влиянием внешних условий протекают с конечными скоростями и в рабочем теле не успевает устанавливаться равновесное состояние. Например, при быстром расширении газа в цилиндре под поршнем или при быстром его сжатии температура и давление в различных точках объема рабочего тела не будут одинаковыми, т.е. будет иметь место неравновесное состояние, а сам процесс будет неравновесным.

С математической точки зрения уравнение состояния в пространственной системе координат p, v, T выражает некоторую поверхность, которая называется термодинамической поверхностью.

Равновесные процессы изменения состояния можно изображать графически, рис.3.1. Всякое произвольное равновесное состояние будет изображаться на термодинамической поверхности в виде точки. Совокупность равновесных состояний при изменении внешних условий будет соответствовать на поверхности некоторой кривой, которая и представляет собой графическое выражение равновесного процесса.

Рис. 3.1. Графическое изображение термодинамического

(изотермного) процесса в координатах pv

Если термодинамическую поверхность пересечь плоскостями параллельными осям пространственной системы координат, то на поверхности получатся следующие кривые: сечение плоскостью v = const дает линию, характеризующую процесс изменения давления от температуры в координатах р, Т (изохорный процесс); сечение плоскостью p = const - изменение объема от температуры в координатах v, T (изобарный процесс); сечение плоскостью T = const - изменение давления от температуры в координатах p, v (изотермный процесс). В теплотехнике для исследования равновесных термодинамических процессов используется в основном система координат pv с осью абсцисс удельного объема и осью ординат - давление.