Главная > Физика > Введение в физику (А. И. Китайгородский)
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

ГЛАВА 10. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

§ 58. Графическое изображение процессов

Если два параметра состояния тела заданы, то третий вычисляется с помощью уравнения состояния. Значит, на графике, где по одной оси откладывается один параметр (скажем, давление), а по другой оси — второй параметр (скажем, объем), состояние тела совершенно однозначно характеризуется изображающей точкой.

Необходимо, правда, добавить, что, прибегая к графическому изображению состояния, мы молчаливо подразумеваем, что состояние тела является равновесным. Только в этом последнем случае значения параметров состояния во всем объеме системы будут одинаковы и можно будет говорить о температуре, давлении, плотности и т. д. всего тела (системы) как целого.

Может возникнуть вопрос, о каких же процессах идет речь, если рассмотрению подлежат равновесные состояния? Ответ состоит в следующем: если процесс идет достаточно медленно, то значения параметров состояния во всем объеме можно считать одинаковыми. Такой процесс является как бы непрерывной последовательностью равновесных состояний. Такой процесс является обратимым. Это значит, что любой процесс, изображенный графически, можно мыслить

проведенным в обе стороны. Процесс, состоящий из последовательных равновесий, может быть проведен от состояния 1 к состоянию 2, а затем от состояния 2 к состоянию 1 через те же промежуточные состояния и при этом в окружающей среде никаких изменений не произойдет.

Обратимый процесс является процессом идеализированным. Любой реальный процесс в той или иной степени необратим, в зависимости от того, сколь далеки промежуточные состояния процесса от равновесных.

Необратимость реальных процессов ясна из следующего соображения. Всякое установление равновесия необратимо. Примеры просты и знакомы каждому: остывание тела в более холодной среде, «рассасывание» механической деформации, например возвращение к покою сжатой и отпущенной пружины, самопроизвольное перемешивание двух газов и т. д. Обратные процессы не могут происходить сами по себе, не могут являться единственными процессами, происходящими в замкнутой системе.

Любой реальный процесс не состоит из последовательных равновесий, в нем неизбежно имеют место явления, подобные перечисленным. Значит, проводя этот процесс в обратную сторону, мы никогда не сумеем провести его в точности через те же состояния. При сжатии газа, если оно происходит с достаточной скоростью, давление газа в слоях, прилегающих к поршню, будет повышенным. При обратном процессе — расширении газа — давление около поршня будет, наоборот, пониженным.

Несмотря на то, что обратимые процессы являются идеализированными, их изучение представляет большой интерес, так как в очень многих случаях различия между реальными и обратимыми процессами становятся незначительными. Все зависит от времени релаксации — так называется время, в течение которого устанавливается равновесие. Это время меняется в очень широких пределах, начиная от времен выравнивания давления в однородном газе до времен порядка минут, часов и даже недель, когда речь идет о процессах перемешивания разнородных веществ.

Предположим, что мы сжимаем газ и при этом весь процесс занимает у нас одну секунду. Время релаксации — это ничтожные доли секунды. Поэтому мы вправе считать, что реальный процесс есть последовательность равновесных состояний, и поэтому имеем право изобразить его линией на графике или ином аналогичном чертеже. То же относится и ко всем другим процессам, у которых время релаксации мало по сравнению с временем измерения.

Ознакомимся с видом линий, изображающих простейшие процессы (рис. 75). Мы будем пользоваться графиком с координатами давление — объем. В технической термодинамике употребительны и другие координаты, однако нам нет нужды на них останавливаться. Вертикальная линия 1 на таком графике изображает процесс при постоянном объеме. Если изображающая точка движется снизу вверх, то давление растет, в обратном случае давление падает. Ясно,

что в этом процессе происходит «не видное» на нашем чертеже изменение температуры. Горизонтальная линия 2 есть процесс при постоянном давлении (изобарический процесс). Слева направо — расширение. Обратное движение изображающей точки соответствует сжатию. Кривая, помеченная цифрой 3, соответствует расширению, сопровождающемуся падением давления. Кривая 4 — это расширение, несмотря на возрастающее давление. Изменение температуры в любом процессе может быть вычислено с помощью уравнения состояния.

Рис. 75.

В большинстве термодинамических процессов одновременно меняются все параметры состояния. Тем не менее можно выделить ряд простейших, но в то же время практически важных явлений. К ним относятся уже упомянутые выше процессы при постоянном объеме (изохорический), при постоянном давлении (изобарический), а также процесс, происходящий без теплообмена (адиабатический), и процесс, идущий при постоянной температуре (изотермический).

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление