Путилов К.А. Термодинамика (1185138), страница 24

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 24)

Из второго начала термодинамики (из невозможности некомпенсированного перехода тепла в работу) вьпекает невозможность множества процессов, составной частью которых должен был бы явиться некомпенсированный переход тепла в работу. Таким образом, второе начало термодинамики побуждает нас разграничить многообразие мыслимых процессов, допускаемых первым началом, на две области: на область, которая слагается из процессов, возможных и действительно происходящих, и на область процессов, которые можно лишь воображать, но которые в силу законов природы невозможно реализовать.

Это влечет за собой деление всех процессов, которые могут происходить в действительности, на два класса: процессы обратимые и процессы необратимые. Термин «обратимь|й» и «необратимый», строго говоря, относятся к процессу, испытываемому изолированной системой в целом. Если изолированная система испытывает некоторый процесс, который символически обозначим так: (из состояния 1 система переходит в состояние 2), то может представиться два, и только два, случая. Во-первых, может оказаться, что осуществить обратный переход системы из 2 в 1, не производя при этом никаких изменений в окружающих телах, невозможно вследствие того, что для этого надо было бы некомпенсированно превратить в работу некоторое количество тепла. В этом случае испытанный изолированной системой процесс (1 -» 2) мы называем необратимым.

Во-вторых может оказаться, что обратный переход системы из 2 в 1 возможен без каких бы то ни было изменений в окружающих телах, В этом случае испытанный изолированной системой процесс 1 -» 2 мы называем обратимым. Иначе говоря, любой процесс, переводящий изолированную систему из состояния 1 в состояние 2, есть процесс обратимый, если процесс, имеющий единственным своим результатомвозвращение системы из состояния 2 в 1, возможен.

Любой процесс, переводящий изолированную систему из состояния 1 в состояние 2, есть процесс необратимый, если процесс, имеющий единственным своим результатом возвращение системы из состояния 2 в 1, невозможен, Здесь слова «единственным результатом» имеют смысл запрета каких бы то ни было изменений термодинамического состояния окружающих (не входящих в состав системы) тел.

Желая выяснить, обратим ли процесс 1- 2 или необратим, и обсуждая с этой целью вопрос, возможно лн данную изолированную систему перевести обратно из состояния 2 в 1 без изменения в окружающих телах, надо иметь в виду, что никакие знергети«еские воздействия на систему, ни затрату работы, ни затрату тепла мы не имеем права осуществлять. Действительно, было бы бессмысленно пытаться вернуть систему из 2 в 1 посредством затраты (или отнятия) только работы или только тепла; это повлекло бы за собой изменение полной энергии системы, тогда как (по условию изолированности) состояния 2 и 1 изоэнергетичны.

Следовательно, чтобы вернуть систему из 2 в 1, надо одновременно с затратой работы отнимать от системы эквивалентное количество тепла или, сообщая тепло, отбирать работу. Но такого рода воздействие на систему запрещено, потому что, в чем бы конкретно оно ни заключалось, оно неизбежно связано с изменением состояния тел (не входящих в систему), которые привлечены в качестве нагревателей , нли холодильников.

Таким образом, при обсуждении вопроса о возможности возвращения системы из 2 и 1 речь может идти только о такого рода воздействиях на систему, которые не связаны с затратой энергии и которые поэтому можно назвать воздействиями конструктивными (подобио задвиганию заслонок, отвертыванию крана, замыканию тока, устранению непроницаемых для тепла перегородок, сталкиванию тела, лежавшего на краю горизонтальной гладкой подставки, и т.д.). Вышеприведенное определение необратимости — наиболее строгое.

В то же время оноявляется наиболее рациональным и простым, что легко подтвердить анализом обычных примеров. Первый пример — трение. При трений, какова бы ни была конкретная обстановка процесса, работа, направленная на преодоление сил трения, 'идет сначала на нагревание трущихся поверхностей, а затем благодаря теплоотдаче на нагревание глубже лежащих слоев — вещества трущихся тел и окружающих тел. Так как обратное иекомпенсироваиное превращение тепла в работу невозможно, то всякий процесс, сопровождающийся трением, необратим. Второй пример — теплоотдача при конечной разности температур. В этом случае, чтобы вернуть систему в исходное состояние без изменений в окружающих телах, надо было бы отнять теплоту у холодного тела, превратить ее некомпенсированио в работу, затратить полученную работу на уве личение внутренней энергии нагретого тела.

Так как составной частью этого. процесса должно было бы явиться некомпенсированное превращение тепла в работу, что невозможно, то и весь процесс в целом невозможен, а значит, процесс теплоотдачи при конечной разности температур необратим. Третий пример —, расширение газа в пустоту. В данном случае вопрос об обратимости сводится к тому, возможен ли процесс, единственный результат которого заключался бы в сжатии газа без изменения его внутренней энергии. На сжатиетела надо затратить работу; чтобы внутренняя энергия тела не увеличилась, надо отнять от него эквивалентное количество тепла; наконец, чтобы никаких изменений в окружающем мире не произошло, надо было бы эту отнятую у газа теплоту некомпенсированно превратить в работу, что невозможно.

Значит, расширение газа в пустоту необратимо. 3,8. Равновесные и иеравновесные процессы Во.введении в разделе о преимуществах статистики было отмечено, что термодинамическое содержание понятия равновесного состояния находится в некотором противоречии с выводами статистики. Абсграгируя (а именно, игнорируя флуктуации), в термодинамике считают, что тело находится в равновесном состоянии, если все характеризуккцие его признаки (без влияния извне каких-либо процессов) во всех участках тела оудут оставаться неизменными сколь угодно долго. В физике часто приходится рассматривать стационарные состояния. Понятие стационарности не совпадает с понятием равновесности. Понятие стационарности шире.

Общим для этих понятий является требование, чтобы параметры, характеризующие состояние тела во всех его участках, оставались неизменными во времени. Если это требование соблюдено, мы уже имеем право назвать состояние стационарным. В частности, состояние называется стационарным тогда, когда эта неизменность параметров поддерживается протеканием какого-либо процесса, который извне воздействует на тело. Следовательно, легко может оказаться, что состояние является стационарным, но неравйовесным.

Например, кирпичная стена дома в случае установившейся холодной погоды может находиться в стационарном состоянии, если ее внутренняя поверхность получает в единицу времени такое же количест- во теплоты, какое наружная отдает. Но это состояние стены неравновесно, так как распределение температуры здесь поддерживается процессом тепло- передачи. Одно и тоже состояние тела может оказаться равновесным или же неравнолесным л эззлснмостл ог тото, взято лл денное таво изолированно иля оно находится под действием внешних сил.

Газ, заключенный в оболочку, может находиться в равновесном состоянии; то же состояние газа будет, конечно, неравновесным, если газ взять без оболочки, препятствующей ему расширяться. В поле тяжести плотность столба воздуха с высотой изменяется по барометрической формуле. Для того же столба воздуха, взятого изолированно, т, е. вне поля тяжести, это состояние с неодинаковой плотностью в разных слоях будет неравновесным. Чтобы предусмотреть и устранить обычно возникающие трудности в доказательстве экстремальных теорем термодинамики, проанализируем и уточним понятие равновесного процесса.

Сделаем соглашение называть процесс равновесным, если, во-первых, испытывая этот процесс, система проходит через ряд весьма близких друг к другу равновесных состояний и если, во-вторых, испытывая указанный процесс, система производит наибольшую работу, которую она способа произвести, проходя через заданный ряд состояний.

Здесь мы говорили о «производстве работы» в алгебраическом смысле; может оказаться, что процесс по необходимости связан с затратой работы; чтобы он был равновесен, необходимо, чтобы затрата работы была минимальна. ' Если система проходит через ряд бесконечно близких друг к другу равновесных состояний, то отсюда еще не следует, что процесс непременно равновесен; может оказаться, что, проходя через указанный ряд состояний, система производит при этом не наибольшую работу, которую она способна произвести, но работу, значительно меньшую.

Учитывая, что в термодинамической диаграмме такой процесс подобно равновесному (и в противоположность неравновесиому) можно изобразить графически (проведя линию через те бесконечно близкиедруг к другу равновесные состояние, через которые последовательно проходит система), мы будем называть такие процессы псеедоравновесными. Чтобы на примере конкретизировать это новое понятие, представим себе, что некоторое тело (скажем, газ) заключено в термически непроницаемый цилиндр с подвижным невесомым поршнем, который удерживается в покое Штифтами, вставленными в стенки цилиндра. Представим себе, что в стенках цилиндра над поршнем имеются расположенные друг против друга два ряда тонких штифтов, которые слегка выступают из стенок, но легко могут быть вдвинуты вглубь.

Характеристики

Список файлов книги