Работа в обратимых и необратимых процессах

Рассмотрим расширение газа в пустоту.

В начальный момент времени весь газ находился в нижней части цилиндра под перегородкой, а между поршнем и перегородкой газа нет.

В перегородке образуется отверстие и газ занимает все пространство под поршнем и самопроизвольно установиться новое давление одинаковое на разных участках.

Этот процесс имеет только одно направление, т.е. он необратимый.

Газ самопроизвольно перешел из одного состояния в другое, и он никогда не вернется в исходное состояние без внешних воздействий.

В данном случае интенсивность теплового движения молекул газа не изменилась, так как температура оставалась постоянной.

Чтобы вернуть газ в начальное состояние нужно произвести изотермическое сжатие.

При этом внешние силы совершают работу, равную:

Во время изотермического сжатия от газа отводиться тепло окружающим телам:

При этом какое-то внешнее тело оказывается нагретым. В цилиндре, как в некоторой термодинамической системе, произошло изменение, сопровождающееся уменьшением порядка в системе.

При расширении в пустоту, газ не совершал работу против внешних сил. При этом расширении не было равновесия между различными частями газа и между газом и внешними телами. Этот процесс не был равновесным.

Необратимые процессы являются неравновесными процессами, так как работа, совершаемая газом над внешними телами всегда меньше, чем работа, совершаемая системой при том же самом изменении параметров в обратимом процессе.

Суть второго начала термодинамики: самопроизвольные процессы протекают в направлении увеличения беспорядочный движения частиц за счет упорядоченных.

Строгие формулировки ВНТ дадим позднее.

Круговые процессы.

Круговым процессом (циклом) называется такая термодинамическая последовательность превращений, в результате которых система, выйдя из какого-либо исходного состояния вновь в него возвращается.

На диаграмме цикл изображается замкнутой кривой.

Цикл, который совершает идеальный газ, можно разбить на процессы расширения (1—a—2) и сжатия (2—b—1) газа. Работа расширения (равна площади фигуры 1a2V₂V₁1) положительна (dV>0), работа сжатия (равна площади фигуры 2b1V₁V₂2) отрицательна (dV<0).

Следовательно, работа, которую совершает газ за цикл, равен площади, охватываемой замкнутой кривой. Если за цикл совершается положительная работа A=∫pdV>0 (цикл идет по часовой стрелке), то он называется прямым.

Если за цикл осуществляется отрицательная работа A=∫pdV<0 (цикл идет против часовой стрелки), то он называется обратным.

Прямой цикл применяется в тепловых двигателях — периодически действующих двигателях, которые совершают работу за счет полученной извне теплоты.

Обратный цикл применяется в холодильных машинах — периодически действующих установках, в которых за счет работы внешних сил теплота переходит к телу с более высокой температурой.

В результате кругового процесса система возвращается в исходное состояние и, значит, полное изменение внутренней энергии газа есть нуль. Поэтому первое начало термодинамики для кругового процесса:

т. е. работа, которая совершается за цикл, равна количеству теплоты, полученной извне. Однако в результате кругового процесса система может теплоту как получать, так и отдавать, поэтому

где Q₁ — количество теплоты, которая получила система, Q₂ — количество теплоты, которое отдала система. Поэтому термический коэффициент полезного действия для кругового процесса: