Обратимые и необратимые термодинамические про-цессы. Круговой процесс

Термодинамический процесс называется обратимым, если он может быть проведен как в прямом, так и в обратном направлении че-рез одни и те же состояния. При этом в окружающих термодинамиче-скую систему телах никаких изменений не должно произойти. В про-тивном случае процесс называется необратимым.

В качестве примера обратимого процесса в механике можно привести движения математического маятника. При отсутствии сил трения в подвесе и сопротивления среды колебательное движение ма-ятника обратимо во времени. Механические процессы при наличии сопротивления и трения необратимы, поскольку связаны с необрати-мыми изменениями состояния окружающей среды.

Примерами необратимых процессов в молекулярной физике мо-гут служить расширение газа в пустоту и переход теплоты от более нагретого тела к менее нагретому. Если с помощью каких-то меха-низмов осуществить эти процессы в обратном направлении и вернуть систему в исходное состояние, то в окружающих телах обязательно возникнут изменения, связанные с превращением некоторого количе-

ства механической энергии в тепловую.
Пусть, например, имеется идеальный газ	Газ		Вакуум
в объеме (рис. 12.7.1), отделенном перегород-

кой от объема, в котором создан абсолютный		V 1			V 2
вакуум. Если удалить перегородку, то газ,


расширяясь без совершения работы, займет
весь объем сосуда (рис. 12.7.1). Этот процесс
			V
происходит необратимо. Можно ждать сколь

угодно долго, однако газ сам по себе не собе-
рется вновь в объеме V ₁. Вернуть его опять в
				A
	p
состояние с объемом V ₁ можно, но для этого

нужно правую стенку передвинуть, как пор-
Q
шень (рис. 12.7.1). При этом силы давления		Рис. 12.7.1

поршня совершат над газом некоторую работу

А. В результате газ нагреется.Следовательно,при проведении обратно-го процесса от сжимаемого газа нужно будет отвести количество теп-лоты Q = А, которое увеличит энергию теплового движения молекул окружающих тел. Таким образом, при проведении обратного процесса во внешних телах произошли бы изменения (они нагрелись бы). Следо-вательно, рассмотренный здесь процесс расширения газа в пустоту яв-ляется необратимым. Аналогично рассуждая, можно убедиться, что процесс перехода теплоты от более нагретого тела к более холодному также необратим. Все тепловые процессы, протекающие с конечной скоростью, необратимы. Однако бесконечно медленно проводимый процесс, состоящий из бесконечно большой последовательности про-межуточных равновесных состояний (квазистатический процесс), явля-ется обратимым. Примером такого обратимого процесса может слу-жить адиабатическое (или изотермическое) изменение объема идеаль-ного газа при его квазистатическом расширении или сжатии.

Циклом или круговым процессом называется процесс,при кото-

ром система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное. На термодинамической диаграмме pV равновесный цикл изо-

бражается замкнутой кривой (рис. 12.7.2).

p	Прямой цикл	p	Обратный цикл

	A > 0			A < 0


				V		V
	V 1	V 2	V 1	V 2
		a	Рис. 12.7.2		б

Цикл, совершаемый системой, можно разбить с помощью точек 1 и 2 на процессы расширения 1−2 и сжатия 2−1. Работа расширения является положительной, а работа сжатия − отрицательной. Следова-тельно, суммарная работа, совершаемая за цикл, определяется площа-дью, охватываемой кривой цикла в переменных р, V. Если за цикл со-

вершается положительная работа А = _∫ pdV > 0, цикл осуществляется по ходу часовой стрелки (рис. 12.7.2, a), то он называется прямым. Если за цикл выполняется отрицательная работа А = _∫ pdV < 0, цикл

протекает против хода часовой стрелки (рис. 12.7.2, б), то он называ-

ется обратным.