Айтымды және қайтымсыз процестер

Термодинамиканың екінші заңы процестердің қайтымды және қайтымсыз болумен байланысты.

Қайтымды процесс деп тура және кері бағытта өтетін процесті айтады. Қайтымды процесс кезінде айналадағы ортада ешқандай өзгерістер байқалмайды.

Қайтымды процесс ретінде математикалық идеал маятнигінің тербелуін қарастыруға болады. Маятник тербелгенде үйкеліс тез әсер етпейді. Ал реал маятниктің тербелуі қайтымсыз, себебі әрбір қозғалыста оның энергиясының бір бөлігі үйкеліс күшіне қарсы жұмсалып, қозғалыс баяулап бір уақытта маятник тоқтайды.

Термодинамиканың екінші заңы бойынша мезаникалық жұмыстың жылуға айналуы әрқашан қайтымсыз процесс болады.

Қайтымсыз процестер өте көп. Мысалы, ыстық, жылы денеден жылудың суық денеге ауысуы, тез өтетін химиялық реакциялар, т.б.

Қайтымсыз процестердің барысында жүйе тепе-теңдік күйге ұмтылып, бұл күйге жеткенде процесс тоқтайды.

Табиғатта қайтымды процестер өтпейді. Бірақ қайтымсызды қайтымды процестерге өте жақын етіп өткізуге болады. Ол үшін процесс өте баяу өтуі керек. Жүйедегі өзгерістердің шамасы шексіз аз болып, тепе-теңдік күйден өте аз ауытқуы қажет. Осы жағдайда өтетін процесті қайтымды деуге болады. Қайтымды процесс тепе-теңдік күймен байланысты, жүйе тепе-теңдік күйден ары-бері шексіз аз ауытқуы мүмкін, бірақ тепе-теңдік күйден өздігінен шығып кетпейді.

Мынадай тәжірибені ойша жүргізейік. Жекелеген термостат ішіндегі поршеньді цилиндрде идеал газ бар дейік. Газ қысымын поршеннің салмағы және поршень үстіндегі гірлердің салмағымен теңестірейік. Теңескен кезде поршень қозғалмай бір орында тұрады.

Енді гірлерді бір-бірлеп поршень үстінен алатын болсақ, поршеньнің салмағы азайып газ өз бетімен ұлғаяды. Газ көлемінің ұлғаюына байланысты оның қысымы төмендейді. Поршень үстіндегі қалған гірлердің салмағы газ қысымына теңелген кезде поршень тоқтап жүйе а нүктесіне келеді. Бұл процесс abcd сатыларымен өтеді. Егерде процесті кері жүргізіп, гірлерді поршень үстіне бір-бірлеп қайтадан қоятын болсақ, процесіміз тағы

да сатылап өтеді, бірақ алғашқы жолмен (суретте астынғы қисық) жүрмей басқа (үстіңгі сынық қисық) жолмен өтеді. Бұл процестер қайтымсыз процестерге жатады. Әрбір екі сынық сызық поршеньнің қозғалмай тұрған күйін көрсететін нүктелерде қиылысады. Бұл нүктелер жүйенің тепе-теңдігін көрсетеді. Әрбір нүктеде поршень мен ондағы гірлердің салмағы газдың қысымына теңесіп тұр. Егер ұсақ гірлерді алатын болсақ, процестің сатыларының саны көбейер еді. Жоғарғы және төменгі сынық қисықтар бір-біріне жақындай түседі. Гірлердің санын шексіз көбейтіп, ал салмағы шексіз азайтсақ жоғарғы және төменгі сынық қисықтар түзу сызыққа айналады. Демек, тура және кері процестің екеуі де бір жолмен, яғни тепе-теңдікті көрсететін нүктелер арқылы жүреді. Бұл кезде қайтымсыз процесіміз қайтымды процесс болып өтеді. Бұл кезде қайтымсыз процесіміз қайтымды процесс болып өтеді. Жылу машиналарында жұмыскер дененің поршеньге түсіретін қысымы поршень мен гірлердің салмағы арқылы келтіретін қысымнан сәл ғана артық болады. Мұндай жағдайда жұмыскер дененің (поршень астындағы газ) көлемі өте аз өзгереді және де ол өзгеріс газдың тепе-теңдік күйіне өте жақын өтеді. Жүйені тепе-теңдік күйден шексіз аз ауытқуытатын процесті Кататеодори квазистатикалық процесс деп атады. Келтірілген мысалда газдың көлемі квазистикалық жағдайда ұлғаяды, бұл кезде поршень мен оның үстіндегі салмақ жоғары көтеріліп жұмыс жасалады.

Жылу алмасу процесі де квазистикалы жүргізуге болады. Онда машина мен жылу көзінің арасындағы жылу алмасу тепе-теңдік күйге жақын жағдайларда өтеді.

Табиғатта байқалатын процестер әдетте қайтымсыз болады, ал термодинамика тек қайтымды процестерді зерттейді. Әйтсе де термодинамика заңдары техникада да ғылымда да қолданылады. Оның себебі кәдімгі процестерді қайтымды процестердің өтетін жағдайында өтеді деп жорамалдауға болады.

Жоғарыда қарастырылған мысалдан қайтымсыз процесс тоқтағанда тепе-теңдік орнайтындығын көрдік. Қайтымды процесс осы тепе-теңдік орнайтындығын көрдік. Қайтымды процесс осы тепе-теңдік орнайтын жағдайларда өтеді, олай болса қайтымсыз процестің шегі етіп қайтымды процесті алуға болады.

Жүйені сипаттайтын қасиеттер оның күй функциясы болып итабылады. Жүйенің күй функциясы процестің өту жолына тәуелсіз. Осыдан бастапқы және соңғы күйлері бірдей екі процестің параметрлері де бірдей. Екі қайтымды және қайтымсыз процестің алғашқы және соңғы күйі бірдей болса, олардың күй функциялары да бірдей болады. Сонымен қайтымсыз процестерді қайтымды процестердің заңына сүйене отырып зерттеуге болады.

12 – суретте (а) келтірілген график бойынша қайтымды процестің жұмысы түзу сызықтың, ал қайтымсыз процестің жұмысы сынық қисықтардың астындағы аудандарға тең. Екі ауданды салыстырсақ қайтымды процестің жұмысы артық. Егер жүйеге сырттан жұмыс жұмсалатын болса, қайтымды процеске жұмсалатын жұмыс қайтымсыз процеске қарағанда аз болады, ал егер жұмыс жүйеде жасалатын болса, онда қайтымды процесте өндірілетін жұмыс қайтымсыз процеске қарағанда артық болады. Осы айтылғандардан қайтымды процесс ең тиімді процесс екен деген қорытынды шығады.

Термодинамика екінші заңының