Термодинамічні процеси

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Термодинамі́чний проце́с — це сукупність послідовних станів, через які проходить термодинамічна система при взаємодії її з навколишнім середовищем. При цьому усі чи частина параметрів зазнають змін. Ці зміни параметрів відбуваються таким чином, щоб система прямувала до стану рівноваги.

У всякому термодинамічному процесі змінюються параметри, що визначають стан тіла (системи тіл). Наприклад, при збільшенні тиску на газ, відбувається зменшення його об'єму; при збільшенні температури стрижня, він видовжується тощо.

Рівняння стану системи[ред.ред. код]

Основні термодинамічні параметри стану p, v і T однорідного тіла залежать один від одного і взаємно пов'язані математичним рівнянням виду:

F(p,v,T)=0,

яке у термодинаміці називають рівнянням стану. Якщо відоме рівняння стану, то для визначення стану найпростіших систем — однорідних і сталих у часі, масі і складу — достатньо знати дві незалежні змінні з трьох:

p = f_1(v,T); v = f_2(p,T); T = f_3(p,v).

Якщо зовнішні умови, у яких перебуває термодинамічна система змінюються, то змінюється і стан системи.

Під рівноважним станом тіла мають на увазі такий, при якому у всіх точках його об'єму тиск, температура, питомий об'єм і всі інші фізичні властивості є однаковими.

Види термодинамічних процесів[ред.ред. код]

Процес зміни станів системи може бути рівноважним і нерівноважним, круговим оборотним і круговим необоротним.

  • рівноважний (квазістатичний) процес — процес, при якому тіло (система тіл) проходить неперервний ряд рівноважних станів. При рівноважному процесі стани тіла повинні змінюватися нескінченно повільно. Це значить, що тіло проходить через ряд нескінченно близьких станів рівноваги із зовнішнім середовищем;
  • нерівноважний термодинамічний процес — термодинамічний процес, за якого система знаходиться не в рівновазі з оточенням;
  • круговий процес або цикл — процес, при якому фізична система (наприклад, пара), зазнавши ряд змін, повертається у вихідний стан.
  • оборотний/необоротний круговий процес — процес, за якого система може/не може повернутись у початковий стан без того, аби у навколишньому середовищі відбулись які-небудь зміни. Такі кругові процеси, при яких система повертається у початковий стан, а в навколишньому середовищі відбуваються необоротні зміни є необоротним.

Термодинаміка у першу чергу розглядає рівноважні стани і рівноважні процеси зміни стану термодинамічної системи, котрі можуть бути описані кількісно за допомогою рівнянь стану. Найпростішими рівняннями стану є рівняння Менделєєва-Клапейрона, Ван дер Ваальса тощо.

Рівноважний процес можливо здійснити лише при нескінченно повільній зміні зовнішніх умов. Отже, реальні процеси, що зазвичай є нерівноважними, можуть лише з певними допущеннями наближатись до рівноважних, ніколи з ними не збігаючись. Нерівноважність реальних процесів обумовлюється у першу чергу тим, що під впливом зовнішніх умов їх перебіг відбувається з певними швидкостями і у робочому тілі не встигає наступити рівноважний стан.

Графічне представлення[ред.ред. код]

З математичної точки зору рівняння стану у тривимірній системі координат p, V, T описує деяку поверхню, що носить назву «термодинамічна поверхня». Будь-який довільно обраний рівноважний стан зображається на термодинамічній поверхні точкою, а сукупність цих точок при неперервній зміні стану – кривою, що є зображенням рівноважного процесу. Для спрощення сприйняття зображення процесів подають не самими кривими а їх проекціями на площини у прямокутній системі координат.

Якщо термодинамічну поверхню розрізати площинами, паралельними до координатних площин та на них можна отримати наступні криві (діаграми):

  • переріз площиною V = const дає лінію (ізохору), що характеризує залежність p-T за сталого об'єму;
  • переіз площиною p = const дає лінію (ізобару), що характеризує залежність V-T за сталого тиску;
  • переріз площиною T = const дає лінію (ізотерму), що характеризує залежність p-V за сталої температури.

При вивченні термодинамічних процесів великий інтерес викликають так звані замкнуті (колові) процеси, у яких система після проходження низки послідовних станів, повертається до початкового. Такий процес називають термодинамічним циклом

Приклади рівноважних процесів[ред.ред. код]

Діаграми типових термодинамічних процесів у p-V-координатах:

Див. також[ред.ред. код]

Джерела[ред.ред. код]

  • Яворский Б. М., Селезнев Ю. А. Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и для самообразования. — 4-е изд., испр. — М.: Наука. — Гл. ред. физ-мат. лит., 1989 — 576 с. — ISBN 5-02-014031-7
  • Теплотехніка: підручник для студ. вищих техн. навч. закл. / Б. Х. Драганов [та ін.]; За ред. Б. Х. Драганова. — К. : ІНКОС, 2005. — 504 с. — ISBN 966-8347-23-4
  • Буляндра О. Ф. Технічна термодинаміка: Підручн. для студентів енерг. спец. вищ. навч. закладів. — К.: Техніка, 2001. — 320 с. ISBN 966-575-103-4
  • Швець І. Т., Кіраковський Н. Ф. Загальна теплотехніка та теплові двигуни. — К.: Вища школа, 1977. — 269 с.