§ 1-10. Понятие об обратимости термодинамических процессов. Причины необратимости процессов
Процесс термодинамически обратим, если может быть осуществлен в противоположном направлении, в результате чего рабочее тело и вся термодинамическая система, состоящая из источника тепла, рабочего тела и источника холода, возвращается в состояние, в котором они находились до осуществления процесса. Например, при адиабатическом расширении газа в цилиндре (прямой процесс) внутренняя энергия в количестве и1—и2 преобразовывается в механическую работу l перемещения поршня. Если процесс обратим, то при сжатии газа в обратном процессе работа l, затраченная на перемещение поршня, должна повысить внутреннюю энергию газа до ее начальной величины.
Если система не возвращается в исходное состояние без компенсации энергии, потерянной в прямом и обратном процессах, то такие процессы называются необратимыми.
Необратимость термодинамического процесса есть следствие межмолекулярного трения, происходящего в массе газа, или химических реакций, сопровождающих процесс. Практически возможны процессы, претерпевающие одновременно межмолекулярное трение и химические реакции. Поэтому величина необратимости зависит от скорости протекания процесса и склонности рабочего тела изменять при этом свой химический состав.
Различное давление при быстром движении поршня в отдельных точках массы расширяющегося или перемещающегося газа вызывает завихрения, вследствие чего возникает межмолекулярное трение. При этом энергия, затрачиваемая на трение, обращается в теплоту, часть которой переходит в окружающую среду и бесполезно теряется. Затрата тепла на трение будет при любом направлении процесса или движения газа. С повышением скорости движения поршня увеличивается вихреобразование и потери, вызванные трением, возрастают; при уменьшении скорости снижаются. Когда скорость будет бесконечно малой, завихрение газа прекратится и потери на трение будут равны нулю.
Причиной завихрения газа может быть и теплообмен вследствие разности температур между газом и источником тепла или холода. Поэтому процессы могли бы быть обратимыми только в том случае, если температура газа и его давление по всей массе, а также на границе его объема были бы одинаковы (газ находился бы в состоянии термического равновесия). В этом случае не было бы затраты энергии на вынужденное движение газа и на потери части ее в окружающую среду.
В результате сгорания топлива в среде атмосферного воздуха образуются газы, которые не могут быть обращены каким-либо способом в первоначальную смесь топлива и воздуха. Процесс сгорания, отражающий химические реакции, проходит только в одну сторону, следовательно, такой процесс необратим.
Обратимый — это воображаемый, идеальный процесс, не сопровождающийся сопутствующими процессами, требующими расхода энергии или меняющими качество рабочего тела (газа), например, химическими реакциями, завихрением или циркуляцией газа и т. п.
Эти требования могли бы выполняться только таким рабочим телом, которое обладает качествами идеального газа, и при условии бесконечно медленного осуществления процесса при постоянной температуре.
Действительные процессы всегда необратимы, они осуществляются с некоторыми конечными скоростями, при разности температур источника тепла (или холода) и газа. Многие процессы связаны с химическими реакциями.
В термодинамике рабочим телом принимают идеальный газ, поэтому рассматриваются обратимые процессы. Переход к необратимым, т. е. реальным, процессам осуществляется с помощью ряда коэффициентов, учитывающих степень необратимости данного процесса.