Лекция 4. Р4 Термодинамические процессы идеальных газов 3

Под процессом в термодинамике понимается любое изменение состояния термодинамической системы, т.е. изменение во времени одного или нескольких (или всех) параметров состояния. Опыт показывает, что в большинстве случаев изменение состояния системы связано с воздействиями на систему со стороны окружающей среды, что возможно только в случае, если оболочка системы допускает такое взаимодействие. Известно также, что даже в полностью изолированных от окружающей среды термодинамических системах возможно протекание процессов, однако эти процессы обладают универсальной специфической особенностью – все они протекают во времени в одну сторону – в сторону выравнивания параметров во всех точках системы, если они не были однородны в начальный момент времени. Такие процессы носят название релаксационных. Релаксация, т.е. выравнивание параметров, возможна только в неоднородных по значениям параметров макроскопических системах, называемых также неравновесными, а процессы изменения состояния в таких системах называются необратимыми. Практически все процессы в макроскопических системах являются необратимыми, так как для того, чтобы в системе происходили изменения параметров, необходимо существование конечной разницы интенсивных параметров системы и окружающей среды. Например, при сжатии газа в цилиндре давление на поршень должно превышать давление газа для преодоления сил трения поршня о стенку цилиндра. И наоборот, при расширении давление газа должно превышать внешнее давление на поршень по той же причине. Однако применение смазки и уменьшение скорости движения поршня при сжатии или расширении позволяет существенно снизить эту разницу давлений. Классическая термодинамика, изучением которой мы занимаемся, позволяет рассчитывать только обратимые процессы, являющиеся предельным случаем реальных необратимых процессов, в течение которых можно пренебречь неравновесностью состояний системы в любой момент времени протекания процесса. С этой точки зрения под обратимым процессом в термодинамике понимается последовательность равновесных состояний термодинамической системы. На практике обратимыми процессами можно считать процессы, в течение которых скорость выравнивания параметров внутри системы значительно больше скорости их изменения, обусловленной внешними воздействиями. Например, процессы сжатия и расширения в поршневых двигателях внутреннего сгорания с хорошей точностью можно считать обратимыми вследствие того, что скорости движения рабочего тела в них составляют около десяти метров в секунду, тогда как скорость выравнивания давлений равна скорости звука в газе, т.е. порядка нескольких сотен метров в секунду.

Расчёт термодинамических процессов включает в себя:

а) вычисление термодинамических параметров системы в начальном (1) и в конечном (2) состояниях;

б) вычисление количеств работы изменения объема , полезной внешней работы и теплоты в процессе;

в) вычисление изменения внутренней энергии , энтальпии и энтропии в процессе;

г) графическое изображение процесса в термодинамических диаграммах .

Расчёт процессов базируется на первом и втором началах термодинамики, которые мы запишем в дифференциальной форме для одного килограмма термодинамической системы. Пересчёт на всю массу системы будет осуществляться простым умножением удельных характеристик системы на ее массу М.