Термодинамические процессы. 
Теплотехника в 2 т. Том 1. Термодинамика и теория теплообмена

Постановка задачи исследования процессов. Равновесные и неравновесные процессы

При изучении равновесных термодинамических процессов с идеальным газом возможно совместное решение уравнений состояния pv = RT и первого закона термодинамики (1.42), (1.43) с учетом (1.25), (1.26):

При анализе процессов необходимо:

• 1) найти уравнение процесса в координатах pv и Ts;
• 2) установить связь между термодинамическими параметрами;
• 3) определить количество теплоты, участвующее в процессе, изменение внутренней энергии и произведенную механическую работу и составить схему преобразования (трансформации) энергии.

В процессах могут изменяться одновременно или все параметры, или только некоторые из них.

К основным термодинамическим процессам относятся:

• • изохорный — процесс при постоянном объеме (v = const);
• • изобарный — процесс при постоянном давлении (р = const);
• • изотермический — процесс при постоянной температуре (Т = const);
• • адиабатный — процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой, с изменением всех параметров рабочего тела (q = 0).

Кроме перечисленных процессов существует большая группа процессов, в которых изменяются все параметры рабочего тела, подводится или отводится теплота, производится или затрачивается механическая работа. Эти процессы являются обобщающими и называются политропными.

Чтобы облегчить изучение термодинамических процессов с идеальным газом, теплоемкости принимают постоянными, не зависящими от температуры.

Как указывалось ранее, состояние рабочего тела (или системы тел), при котором во всех точках занимаемого телом объема соответствующие параметры одинаковы, называется внутренне равновесным состоянием. Если при этом отсутствуют и побудительные причины для энергетических воздействий окружающей среды на тело, то тело находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой.

При наличии каких-либо воздействий в зависимости от их величины термодинамический процесс может происходить равновесно или неравновесно. Равновесным (идеализированным) называют термодинамический процесс, протекающий бесконечно медленно, процесс, в результате которого рабочее тело проходит через последовательный и непрерывный ряд равновесных состояний, бесконечно мало отличающихся друг от друга.

При механическом воздействии равновесный процесс должен протекать при бесконечно малой разнице потенциалов — давлений между рабочим телом и окружающей средой.

При тепловом воздействии термически обратимый процесс должен протекать при бесконечно малой разнице потенциалов — температур между рабочим телом и окружающей средой.

С понятием «равновесный процесс» тесно связано понятие «обратимость процессов». Любой обратимый процесс является равновесным. Это означает, что при прямом и обратном ходе процесса рабочее тело и окружающая среда проходят через одни и те же промежуточные состояния.

В результате проведения обратимого процесса ни в системе тел, ни во внешней среде никаких остаточных изменений не будет.

Если условия протекания равновесного процесса нарушаются, то процесс протекает неравновесно. Все неравновесные процессы являются необратимыми, поскольку протекают при конечных перепадах температур и давлений между рабочим телом и окружающей средой. Отсутствие равновесия в таких процессах приводит к появлению вихревых движений, сопровождающихся потерей энергии на внутреннее трение.

Рассмотрение идеальных процессов позволяет использовать математический аппарат, сложив процессы в идеальные циклы, установить термодинамические пределы совершенства установок, а реальности учесть поправками на необратимость.