Приклади оборотних та незворотних процесів у фізиці. Другий початок термодинаміки

Оборотний і незворотний процес - це явища, дії, що відбуваються в тій чи іншій сфері, які з давніх-давен вивчаються багатьма фахівцями та вченими, а в деяких теоріях навіть є основними.

Термін «ринок природи»

Основною складовою різних самостійно організованих систем виступає незворотність, яка проявляється у самостійному розвитку систем та їх конкретної спрямованості. Дані дії поділяються на оборотні і якщо процес відбувається внаслідок ходу щаблі з першої на наступну, то така дія називається незворотною. Зразком такої дії виступає самоорганізація – дія розвитку світу, що ґрунтується на принципах «ринку природи».

Учасником цього ринку виступає сукупна природа, яка вигадує нові методи процесів, методи організації, відповідні рівності систем. Однією з основних якостей ринку вважатимуться здатність сформувати таке коло зворотний зв'язок, який визначить тяжіння до рівноправності ринку. З економічної погляду поняття ринок - це дуже частковий факт «ринку природи», є, відповідно, природним засобом порівняння різних форм організації суспільства.

Ринку властиві різні динамічні дії, що виникають у самостійно освічених системах. Його можна вважати винаходом людства.

Класифікація динамічних процесів

Динамічні дії поділяються на 2 види: еволюційні та хвилеподібні. До першого відносяться дії, які не можна повторити, до другого, відповідно, дії, що повторюються. Багато фундаментальні науки, у тому числі хімія і фізика, оборотні і незворотні процеси ставлять в основу.

Еволюційними чи незворотними діями виступають ті суттєві зміни, які навіть за відсутності різних впливів протікають у послідовному напрямку. Наприклад, стала тенденція збільшення населення, зростання загального обсягу виробництва тощо.

Деякі динамічні, а також термодинамічно оборотні та незворотні процеси, дії застосовуються аж ніяк не в порівнянні зі знаменитими ідеографічними та номографічними точками зору, як може здатися.

Вся структуризація їх перебуває у площинах загальної теорії та немає абсолютно нічого спільного з ідеографією. В ідеографічній точці зору відсутня можливість встановлення будь-яких закономірностей. Відповідно, в еволюційній дії така можливість є. Дана дія неповторна тільки тоді, коли вона має певну спрямованість, не має можливості володіти двома і більше ланками, що знаходяться в тому самому стані або що знаходяться на тому самому рівні.

Однак це не означає, що неможливо знайти формулу, що виявляє послідовність ходу від однієї частини до наступної. Так, знамените формулювання строю, що розгортається 1, 2, 4, 8, ..., 2n. Але це не означає, що цей факт сам по собі не можна повторити в зазначеному місці і часі, і він не повториться, з номографічної точки зору, в інший час і в іншому місці, коли спостерігаються оборотні і незворотні процеси. Ентропія як фізична дія в тепловому процесі - яскравий приклад.

Хвильові процеси

Хвилясті (оборотні, повторювані) дії - це дії змін, які в даний відрізок часу мають конкретний напрямок і щоемоментно змінюють його. При оборотності дія, перебуваючи в цю мить в одному стані і через якийсь час змінюючи його, згодом може знову повернутися у вихідний стан. Наприклад, рухи зміни ринкових цін, кількості безробітних, відсотків за капітал та інші. Звичайно, зазначені економічні елементи життя можуть змінюватись у різних напрямках. Розглядаючи дані зміни як суцільні, рух даних коливань можна у вигляді звивистої лінії, спрямованість якої у різні моменти буде різною. На даній кривій з легкістю можна побачити, що, відходячи від точки, що знаходиться на одній висоті, через деякий проміжок часу можна пройти точку, що знаходиться на такому ж рівні. Однак це буде не та сама, а інша точка, що стоїть на такій же висоті, що й початкова. Вона, безсумнівно, відповідатиме зовсім іншій миті та іншій структурі загальних економічних умов у попиті, пропозиції, виробництві, розподілі та ін. або назад, щоб до них не була застосовна категорія часу. Звісно, ​​безперечно, що такої досконалої оборотності у економічному буття немає, у ньому є лише поодинокі явно незворотні події.

Всі дії взаємопов'язані між собою, тому необхідно брати кожен хід у зв'язку з іншими, у тому числі незворотними, тому що кожної миті в тому чи іншому зв'язку, безсумнівно, буде свіжа система умов. Необхідно прийняти, що це рухи економічного існування незворотні. У цьому випадку також необхідно було б визнати, що незворотні та всі дії коливань природи. Отже, вищезазначені зауваження дозволяють відкинути думку про абсолютну оборотність. На перерахованих критеріях грунтуються незворотні і оборотні хімічні процеси, і навіть дії, які у фізиці.

Не можна стверджувати, що насправді ті та інші дії протікають незалежно та окремо. Можна визнати лише їхню відмінність за принципами і підкреслити розмежування у побудові академічного дослідження. Для того щоб виділити цю думку, доцільно говорити не про безумовно, а про порівняно оборотні дії в економічному існуванні. Можна дійти невтішного висновку, що у відносному сенсі слід розмірковувати про оборотні дії змін компонентів економічного буття.

Думки оборотних і незворотних дій, як і думки динаміки і статики, належать природознавству у вузькому значенні слова. Зворотні та незворотні процеси у фізиці, приклади яких досить різноманітні, мають у цій науці істотне значення. Те саме стосується й хімії.

Зв'язок із економічними компонентами

Оборотний і незворотний процес пов'язані з економікою. Існують думки щодо правильності перенесення цих ідей до економічних. А є думки, що переносяться лише терміни та поняття.

Перенесення думок з однієї науки в іншу правомірно, якщо воно науково плідне, отже, інший вихід на вирішення цього завдання відсутня. Факти такого перенесення мають місце. Особливо багато випадків перенесення ідей із сфери суспільного існування та соціології у сферу природних наук. Так, деякі ідеї та терміни – сила, закон, цінність, принцип економії – були науково плідними. Тому не можна заперечувати проти їхньої правомірності. Під час Мілля в економіці йшли на запозичення ідей динаміки та статики, тільки постає питання: «Чому неможливо було б збільшити коло вживання думок оборотних та незворотних дій?»

Придбання визначень з інших наук завжди супроводжується їх поглибленням чи уточненням, і навіть кардинальним зміною. У цьому випадку пересунуто визначення та точки зору, збільшуючи їх, але при цьому не позбавляючи загального сенсу.

Згідно з вищевикладеним, неможливо говорити про повністю оборотні дії в природі та в економічному існуванні. Тут йдеться лише про порівняно оборотні дії. Оборотний хід у чистому вигляді, в умовному сенсі, практично дано лише у більшому чи меншому рівні наближення. З ідеєю, на яку спираються оборотні та незворотні процеси, цикли, поєднано уявлення про ймовірність або нездійсненність відновлення колишнього стану елементів та тіл або їх системи. Вся різниця в обох випадках зводиться до наступного. Зворотні та незворотні процеси в хімії та фізиці мають діяння із засобом одного й того самого суб'єкта в предметному сенсі, в економіці цього немає. Коли стверджують, що хитання маятника є дією оборотною, то в такому випадку йдеться про одне і те ж у предметному значенні маятника, проте це і не зовсім правильно. Такої рівності немає в економіці.

Тезу «оборотний і незворотний процес» в економіці слід розглядати як одиничний випадок загального поняття.

Схильності

Коли ми розглядаємо економічну дійсність ринкового капіталістичного суспільства та її компоненти, у нас виникає закономірне питання: до яких із зазначених дій змін, які її компоненти схильні? Практично всі економічні елементи, взяті як окремо, і цілком, схильні кількісним і якісним змін. Але в той час як для одних елементів, наприклад для організації господарства, техніки виробництва, потреб та ін, якісні зміни матимуть так само велике значення, як і кількісні, для інших елементів, таких як ціна, обліковий відсоток, рента тощо. д., основне значення матимуть кількісні зміни. Значення якісних змін тут виступає переважно лише тоді, коли змінюється сама природа цих елементів, наприклад, коли ціна із вільної стає встановленою або із ринкової — монопольною.

З'ясовуючи згодом взаємовідносини економічних компонентів, їх сукупності та оборотні та незворотні процеси, круговий процес, цикл, необхідно мати на увазі наступне. Взята цілком економічна реальність є хіба що цілий потік різноманітних і безперервних кількісних і якісних змін.

Процеси у народному господарстві

У цілісному уявленні хід економічного становлення бачиться незворотним виходячи з того, що в ньому присутні якісь компоненти, що описують криву незворотної течії зміни, тому можна аргументувати, що хід розвитку народного господарства, що протікає в часі, не буває набагато більше одного разу на одного й того ж ступеня.

У цілому нині дію народного господарства представляється незворотним процесом ходу з одного щаблі в іншу. І тому дилема змін народного господарства — це насамперед дилема стадій розвитку. Отже, рух розвитку народного господарства вважається незворотнім, звідси випливає, що без перерви та без повернення змінюються спільні народногосподарські умови для ходу змін та всякого одиничного компонента народного господарства. У абсолютному значенні жоден народно-господарський елемент, аналізований у зв'язку з усім комплексом господарських критеріїв, неспроможна розкривати оборотного ходу.

Без зусиль можна побачити й усвідомити, що найпростіші події змін економічної сфери значно відрізняються, і що доцільно розбити елементи хоча б кілька груп. Розглянуті аналітично окремо, елементи не можуть бути визначені до здатних тільки до незворотних змін. Значна сукупність економічних складових, передусім ціннісних, наприклад вести, товарні ціни, і натуральних, як-от кількість банкрутств, відсоток безробітних, виявляють оборотні події змін.

Розмежування процесів

Зворотні та незворотні процеси, приклади яких легко знайти в економіці, є неоднозначними. Зміни таких елементів, як обсяги виробництва, кількість населення, рівень потреб, техніки, обсягу товарообігу, резерви капіталів тощо. буд., складаються з кількох компонентів, мають складну будову. Один компонент — це їхнє загальне зростання, інший — темпи зростання. Розглядаючи існуючий фактичний матеріал, по суті, можна відзначити, що схильність спільного збільшення і становлення їх є незворотним рухом, який може припинитися тільки під впливом форс-мажору. З іншого боку, темп цього зростання є зигзагом і наочно є оборотною дією.

Відмінність природних змін самостійних складових господарського життя очевидна й безперечно, й те водночас лише за обліку можна зрозуміти вид динаміки фінансового життя. Присутність складових, які схильні до незворотних тенденцій, пояснює причини неповторності народногосподарського руху і дає стрічку безперервного розвитку. Також встановлення елементів та їх компонентів, схильних до оборотних хвилеподібних змін, дає шанс зрозуміти гойдання, яким піддається загальнонародне господарство в цілому та дії його розвитку. У конкретному вигляді народно-господарська дія розвитку, звісно, ​​єдина. Однак відмова від розмежування елементарних дій класифікації та зміни компонентів у зв'язку з їх зв'язком до цих дій означала б, відповідно, і відмову від наукового дослідження певної дійсності. Зазначене підтверджує термодинамічно оборотні та незворотні процеси, що трапляються в природі.

Специфіка розвитку систем

Значною рисою розвитку довільної системи вважається незворотність, що виявляється у певній спрямованості її змін. Ці зміни мають на увазі облік обставини часу у відповідній теорії. Формули можуть застосовуватися для відображення дій, що трапляються як зараз, так і в майбутній, і в минулий.

Д. С. Мілль сформулював уявлення про статику та динаміку дій у явному вигляді. Воно базувалося і вказувало на оборотні та незворотні процеси, круговий процес. Неповторність чи незворотність означає лише нереальність зміни спрямованості процесів у конкретний час, що притаманно оборотних действий.

Труднощі певної економічної дійсності змушує спрощувати її, відриватися від більшості її зв'язків та особливостей. З цього погляду, кожна економічна концепція надає лише умовно вірне відбиток відповідної частини економічної реальності.

Як основу аналізу економічного розвитку має бути взята саме ціла система формування фінансової складової діяльності суспільства. Але інтегративна загальна теорія може бути побудована тільки на основі проведення дослідження розвитку окремих конкретних історичних видів організації економічної діяльності.

Рівновість систем

Оборотний і незворотний процес з економічного погляду розглядали багато вчених. розвинув ідею, що рівновага над ринком зводиться до взаємного пристосування персональних планів і виконується на кшталт, який би за природничими науками почали називати «негативною зворотним зв'язком».

Визначення застосовна до складних економічних процесів, які М. Кондратьєв називає оборотними. Коливання в економіці, що включають періодичні зміни, це вартості, відсотки, заробітна плата, протягом багатьох років мають характер, що повторюється. Коливання поділяються на довгі, середні та короткострокові.

Принцип негативного зворотного зв'язку показує тільки, як підтримується несподіваний режим у системі, але не дозволяє виявити конструкцію походження встановленого порядку, а також переходу від одного ступеня розвитку до іншого. Для цих цілей необхідно спрямувати принцип В ньому передові зміни, що утворюються в системі, посилюються і накопичуються. Будь-яка теорія схильна до несподіваним ухил від балансу, але, якщо вона перебуває в мінливому стані, через взаємодію з навколишнім середовищем ці похитування загострюються і в результаті призводять до розгону минулого розпорядку та пристрою. З іншого боку, в результаті взаємодії компоненти старої системи приходять до злагодженої поведінки, завдяки чому в системі виникають спільні події і формуються новий порядок і нове співвідношення.

Виникнення сукупних процесів, як і освіту і прогрес нових структур, пов'язані з фактами випадковості, які послідовно призводять до хиткість системи.

Ринок - це відкрита система, в якій відбувається безперервна взаємодія між покупцями та споживачами, продавцями та виробниками. На ринку панує як випадковий, і спонтанний порядок. Так, при закупівлі та реалізації продуктів кожен індивід невимушено керується спершу корисністю та необхідністю, а не їх вартістю. У діях ринкових відносин дві сторони приходять до загального виходу, а це згодом призводить до появи несподіваного порядку, що виявляється у балансі між попитом та пропозицією.

Заключний акорд

Отже, всі рухи самостійної організації мають певну спрямованість, що є їх важливою рисою, зокрема і ринок економічному сенсі. Першим вивчав ці питання Д., який дав визначення оборотних та незворотних дій в економіці. Доцільно продовжувати вивчати ці дії, у тому числі оборотні та незворотні процеси в природі. У хімії та фізиці цей напрямок, як уже згадувалося, вважається фундаментальним, визначаючи, наприклад, такі дії, як теплові процеси. Зворотні, чи незворотні дії та процеси, що відбуваються в тій чи іншій сфері життя, вважається важливим фактором, який необхідно знати.

Якщо на рівноважну систему надати якесь нескінченно мале зовнішнє вплив, то системі відбудуться нескінченно малі зміни, які приводять її у новий стан рівноваги. При таких безперервних впливах у системі протікатиме рівноважний процес, при якому система безперервно проходить послідовний ряд станів, нескінченно близьких до рівноважних. Характерними особливостями рівноважного процесу є:

• 1. Двосторонність, оскільки напрямок процесу визначається нескінченно малим впливом на систему.
• 2. Відсутність будь-яких втрат - при цьому система здійснює максимальну роботу.
• 3. Рівність сил, які діють систему і протидіють із боку системи, чи точніше, нескінченно мала їх різниця.
• 4. Рівність температур (точніше, нескінченно мала їх різниця) системи та зовнішнього середовища, якщо система не ізольована адіабатною оболонкою.
• 5. Нескінченно велика тривалість процесу для будь-якої кінцевої зміни стану системи через нескінченно малу швидкість процесу.

Процес є нерівноважним, коли він протікає внаслідок кінцевого на рівноважну систему. Якось виникнувши, він проходитиме у системі до того часу, поки у ній знову настане нове становище рівноваги, тобто. він є одностороннім, а внаслідок кінцевої його швидкості та наявності втрат робота нерівноважного процесу менше роботи рівноважного процесу, що протікає між тими ж початковим і кінцевим станами.

Відмінності між рівноважним та нерівноважним процесами можна показати на прикладі наступного уявного експерименту.

Мал. 1.1.

У циліндрі з поршнем, що рухається без тертя, знаходиться газ. На поршні знаходиться кілька гирь певної маси, наприклад, по 100 г кожна. У вихідному стані температура та тиск газу однакові із зовнішніми температурою та тиском (точка ана рис. 1.1); система перебуває у рівноважному стані. Якщо зняти одну з гир, тиск миттєво зменшиться, рівновага порушується, газ розширюється до досягнення нової рівноваги (точка b). Ці зміни умовно можна зобразити ламаною кривою а1b. При подальшому знятті гир ці процеси повторюються, а загальний шлях зображується кривою a1b2c3d4e. Як видно з малюнка, система знаходиться в рівновазі тільки в окремі моменти – у точках а, b, c, d, e. Взагалі робота визначається як добуток чинної сили на переміщення. Робота розширення газу, тобто. на графіку вона дорівнюватиме площі під кривою.

Якщо знову навантажувати гирі на поршень, шлях процесу зобразиться ламаною лінією e5d6c7b8a, а робота зовнішніх сил, витрачена стиск газу, дорівнює площі під цією кривою, тобто. вона більша за роботу розширення. Таким чином, хоча система і повернулася у вихідний стан, у довкіллі відбулися зміни за рахунок відмінності робіт розширення та стиснення газу.

Описані процеси можна повторити, зменшивши вагу кожної гирі (наприклад, 50 г кожна), але зберігши загальну масу незмінною. Шлях прямого процесу (розширення газу) тоді можна умовно зобразити ламаною a1"b"2"b3"c"4"c5"d"6"d7"e"8"e. Робота розширення (площа під кривою) буде більшою, ніж у попередньому випадку. Шлях зворотного процесу зображується лінією e9"e"10"d11"d"12"c13"c"14"b15"b"16"a, а витрачена робота менше попередньої, тобто. роботи розширення та стиску зближуються.

Нарешті, гирі можна замінити піском з тією самою масою і знімати чи навантажувати піщинку за піщинкою. У цьому випадку відхилення системи від рівноважного стану в будь-який момент будуть нескінченно малими, а шлях процесу в прямому та зворотному напрямках описуватиметься однією і тією ж плавною кривою. ab"bc"cd"de"e. Такий процес є рівноважним, його робота максимальна та однакова за абсолютною величиною в тому та іншому напрямках.

Таким чином, система, що здійснила рівноважний процес, може повернутися у вихідне положення, пройшовши у зворотному напрямку ті ж рівноважні стани, що й у прямому процесі. Ця властивість рівноважного процесу називається його оборотністю. Оборотнимназивається процес, у якому система може повернутися у початковий стан без будь-яких змін як у самій системі, і у зовнішньому середовищі.

Прикладами практично оборотних процесів можуть служити агрегатні перетворення речовин (випаровування та конденсація, плавлення та кристалізація тощо) при відповідних температурах, кристалізація з насичених розчинів.

Якщо ж у результаті протікання процесу в прямому та зворотному напрямках у навколишньому середовищі або в самій системі залишаться будь-які зміни, то процес називається незворотнім. Причиною незворотності процесів є їхня нерівноважність.

У реальних умовах у переважній більшості випадків протікають незворотні процеси, так як вони йдуть з кінцевою швидкістю при кінцевих різницях між силами, що діють на систему та протидіють їм, і супроводжуються непереборними втратами (тертя, теплопередача і т.д.). Однак, використання в термодинаміці поняття про оборотні процеси є доцільним з ряду міркувань.

По-перше, будь-який реальний процес завжди можна уявити протікає в умовах, скільки завгодно близьких до умов протікання оборотного процесу, тобто. оборотний процес можна як граничний випадок реального процесу. Цим пояснюється використання таких понять як ізольована система, ідеальний газ тощо.

По-друге, порівнюючи будь-який реальний процес із оборотним, можна в кожному конкретному випадку встановити можливість підвищення ефективності процесу.

По-третє, тільки при оборотному процесі термодинамічні параметри набувають однозначності і стають можливими термодинамічні розрахунки, що визначають зміни різних властивостей системи в оборотному процесі. Знайдені зміни через незалежність зміни властивостей системи від шляху процесу збігатимуться зі змінами властивостей у незворотному процесі при збігу вихідного та кінцевого станів.

Основи термодинаміки

Зворотні та незворотні теплові процеси.

Термодинамічний процес називається оборотним,якщо він може відбуватися як у прямому, так і у зворотному напрямку, причому якщо такий процес відбувається спочатку у прямому, а потім у зворотному напрямку та система повертається у вихідний стан, то в навколишньому середовищі і в цій системі не відбувається жодних змін.

Будь-який процес, що не задовольняє цим умовам, є незворотнім.

Будь-який рівноважний процес є оборотним. Оборотність рівноважного процесу, що відбувається в системі, випливає з того, що її будь-який проміжний стан є стан термодинамічної рівноваги; незалежно від того чи йде процес у прямому чи зворотному напрямку. Реальні процеси супроводжуються розсіюванням енергії (через тертя, теплопровідність тощо), яка нами не розглядається. Оборотні процеси – це ідеалізація реальних процесів.Їх розгляд важливий за 2-м причин: 1) багато процесів у природі та техніці практично оборотні; 2) оборотні процеси є найбільш економічними; мають максимальний термічний коефіцієнт корисної дії, що дозволяє зазначити шляхи підвищення ККД реальних теплових двигунів.

Робота газу за зміни його обсягу.

Робота відбувається лише тоді, коли змінюється обсяг.

Знайдемо у вигляді зовнішню роботу, здійснювану газом за зміни його обсягу. Розглянемо, наприклад, газ, що знаходиться під поршнем у циліндричній посудині. Якщо газ, розширюючись, пересуває поршень на нескінченно малу відстань dl, то виконує над ним роботу

A=Fdl=pSdl=pdV, де S-площа поршня, Sdl=dV-зміна об'єму системи. Отже,A=pdV.(1)

Повну роботу А, яку виконує газ при зміні його обсягу від V1 до V2, знайдемо інтегруванням формули (1):A=pdV(відV1 доV2).(2)

Результат інтегрування визначається характером залежності між тиском та обсягом газу. Знайдений для роботи вираз (2) справедливий за будь-яких змін обсягу твердих, рідких і газоподібних тіл.

П

Повна робота газу дорівнюватиме площі фігури, обмеженою віссю абсцис, кривою і значеннями V1, V2.

Графічно можна зображати лише рівноважні процеси – процеси, які з послідовності рівноважних станів. Вони протікають отже зміна термодинамічних параметрів за кінцевий проміжок часу нескінченно мало. Всі реальні процеси нерівноважні (вони протікають з кінцевою швидкістю), але в ряді випадків їх нерівноважністю можна знехтувати (що повільніше протікає процес, тим він ближче до рівноважного).

Перший початок термодинаміки.

Існує 2 способи обміну енергією між тілами:

передача енергії через перенесення тепла (за допомогою теплопередачі);

через виконання роботи.

Таким чином, можна говорити про 2 форми передачі енергії від одних тіл до інших: роботи і теплоті. Енергія механічного руху може перетворюватися на енергію теплового руху, і навпаки. При цих перетвореннях дотримується закон збереження та перетворення енергії; стосовно термодинамічних процесів цим законом і є перший початок термодинаміки:

∆U=Q-A або Q=∆U+A .(1)

Тобто, теплота, яку повідомляє система, витрачається на зміну її внутрішньої енергії і на здійснення нею роботи проти зовнішніх сил. Цей вираз у диференційній формі матиме вигляд Q=dU+A (2) , де dU - нескінченно мала зміна внутрішньої енергії системи,  A - елементарна робота,  Q - нескінченно мала кількість теплоти.

З формули (1) випливає, що у СІ кількість теплоти виявляється у тих самих одиницях, що і енергія, тобто. у джоулях(Дж).

Якщо система періодично повертається в початковий стан, зміна її внутрішньої енергії ∆U=0. Тоді, згідно 1-му початку термодинаміки, A = Q,

Тобто вічний двигун першого роду - періодично діючий двигун, який робив би більшу роботу, ніж повідомлена йому ззовні енергія, - неможливий (одна з формулювань 1-го початку термодинаміки).

Застосування 1-го початку термодинаміки до ізопроцесів та адіабатичного процесу.

Серед рівноважних процесів, що відбуваються з термодинамічних систем, виділяються ізопроцеси, при яких один з основних параметрів стану зберігається постійним.

Ізохорний процес (V= const)

За такого процесу газ не виконує роботи над зовнішніми тілами, тобто A=pdV=0.

Тоді, з першого початку термодинаміки слід, що вся теплота, передана тілу, йде збільшення його внутрішньої енергії: Q=dU. Знаючи, що dU m = C v dT.

Тоді для довільної маси газу отримаємо Q = dU = m \ M * C v dT.

Ізобарний процес (p= const).

При цьому процесі робота газу при збільшенні обсягу від V1 до V2 дорівнює A = pdV (від V1 до V2) = p (V2-V1) і визначається площею фігури, обмеженою віссю абсцис, кривою p = f (V) і значеннями V1, V2. Якщо згадати ур-е Менделєєва-Клапейрон для обраних нами 2-х станів, то

pV 1 =m\M*RT 1 , pV 2 =m\M*RT 2 , звідки V 1 - V 2 = m\M*R\p(T 2 - T 1). Тоді вираз для роботи ізобарного розширення набуде вигляду A=m\M*R(T 2 -T 1) (1.1).

При ізобарному процесі при повідомленні газу масою mкількості теплоти

Q=m\M*C p dTего внутрішня енергія зростає на величину dU=m\M*C v dT. При цьому газ здійснює роботу, що визначається виразом (1.1).

Ізотермічний процес (T= const).

Цей процес описується законом Бойля-Маріотта: pV = const.

Знайдемо роботу ізотермічного розширення газу: A=pdV(від V1 до V2)=m/M*RTln(V2/V1)=m/M*RTln(p1/p2).

Оскільки при Т=constвнутрішня енергія ідеального газу не змінюється: dU=m/M*C v dT=0, то з 1-го початку термодинаміки (Q=dU+A) слід, що для ізотермічного процесу Q= A, тобто вся кількість теплоти, що повідомляється газу, витрачається на здійснення ним роботи проти зовнішніх сил: Q=A=m/M*RTln(p1/p2)=m/M*RTln(V2

Отже, щоб при розширенні газу температура не знижувалася, газу протягом ізотермічного процесу необхідно підводити кількість теплоти, еквівалентне зовнішньої роботі розширення.

Адіабатичний процес.

АП - це процес, при якому відсутній теплообмін (Q=0) між системою та навколишнім середовищем. До адіабатичних можна віднести всі швидкоплинні процеси. З початку термодинаміки (Q=dU+A) для адіабатичного процесу випливає, чтоA= -dU, тобто зовнішня робота відбувається з допомогою зміни внутрішньої енергії системи. Т.о, pdV = -m / M * C v dT (1).

Продиференціювавши ур-е стану ідеального газу,pV=m/M*RT, отримаємо

PdV + Vdp=m/M*RdT .(2)

Виключимо з ур-я (1) і (2) температуру T: (pdV+Vdp)/(pdV)= -R/C v = -(C p -C v)/C v .

Розділивши змінні та враховуючи, що C p /C v =, знайдемо dp/p= -dV/V.

Інтегруючи це ур-е в межах від p1 до p2 і відповідно від V1 до V2, а потім, потенціюючи, прийдемо до виразу p2/p1=(V1/V2)  , або p1(V1)  =p2(V2)  2 обрані довільно, можна записати

pV  = const (ур-е адіабатичного процесу або ур-е Пуассона).

Обчислимо роботу, яку виконує газ в адіабатичному процесі: A= -m/M*C v dT.

Якщо газ адіабатично розширюється від обсягу V1 до V2, його температура зменшується від T1 до T2 і робота розширення ідеального газу

A= - m/M*Cv dT=m/M*Cv (T1-T2).

Ізохорний, ізобарний, ізотермічний та адіабатичний процеси мають одну особливість – вони відбуваються при постійній теплоємності.

Еквіваленти теплоти та роботи.

Обмін енергією між термодинамічною системою та зовнішніми тілами може здійснюватися двома якісно різними способами: шляхом виконання роботи та шляхом теплообміну. У відсутності зовнішніх полів робота відбувається за зміни обсягу чи форми системи. Робота A", що здійснюється зовнішніми тілами над системою чисельно дорівнює і протилежна за знаком роботи, що здійснюється самою системою.

Ентропія.

Крім внутрішньої енергії, яка є лише функціональною складовою термодинамічної системи, у термодинаміці використовується ще низка інших функцій, що описують стан термодинамічної системи. Особливе місце у тому числі займає ентропія. Нехай Q - теплота, отримана термодинамічної системою в ізотермічному процесі, а T - температура, за якої відбулася ця передача теплоти. Величина Q/T називається наведеною теплотою. Наведена кількість теплоти, що повідомляється термодинамічній системі на нескінченно малій ділянці процесу дорівнюватиме dQ/T. У термодинаміці доводиться, що в будь-якому оборотному процесі сума наведених кількостей теплоти, що передається системі на нескінченно малих ділянках процесу дорівнює нулю. Математично це означає, що dQ/T - є повний диференціал деякої функції, що визначається лише станом системи і залежить від цього, яким шляхом перейшла система у такий стан. Функція, отриманий диференціал якої дорівнює dS = dQ / T називається ентропією. Ентропія визначається лише станом термодинамічної системи і залежить від способу переходу системи у цей стан. S – ентропія. Для оборотних процесів delta S = 0. Для незворотних delta S > 0 – нерівність Клаудіо. Нерівність Клаудіо справедлива лише для замкнутої системи. Тільки замкнутої системи процеси йдуть отже ентропія зростає. Якщо система незамкнена і може обмінюватися теплотою з довкіллям, її ентропія може поводитися будь-яким чином; dQ = T dS; При рівновісному переході системи з одного стану в інший dQ = dU + dA; delta S = (інтеграл 1 - 2) dQ / T = (інтеграл) (dU + dA) / T. Фізичний зміст має не сама ентропія, а різницю ентропій при переході системи з одного стану в інший.

Зв'язок ентропії з ймовірністю стану системи.

Глибокіший сенс ентропії ховається у статичній фізиці. Ентропія пов'язується з термодинамічною ймовірністю стану системи. Термодинамічна ймовірність стану системи - це число способів, якими може бути реалізований стан макроскопічної системи. Іншими словами W – це число мікростанів, які реалізовують дані макростану.

Больцман методами статистичної фізики показав, що ентропія системи S і термодинамічна ймовірність пов'язані співвідношенням: S = k ln (W) ; де k – постійна Больцмана. Термодинамічна ймовірність W немає з математичною ймовірністю нічого спільного. З цього співвідношення видно, що ентропія може розглядатися як міра ймовірності стану термодинамічної системи, ентропія є мірою невпорядкованої системи. Чим більша кількість мікростанів, що реалізують цей макростан, тим більша її ентропія.

Другий закон термодинаміки.

Кількість теплоти, отримана від нагрівача, не може бути повністю перетворена на механічну роботу тепловою машиною, що циклічно діє. Це і є другий закон: у циклічно діючій тепловій машині неможливий процес, єдиним результатом якого було б перетворення в механічну роботу всієї кількості теплоти, отриманої від джерела енергії - нагрівача. (by Кельвін Copyright 1851). Другий закон пов'язані з незворотністю процесів у природі. Можливе інше формулювання: неможливий процес, єдиним результатом якого була передача енергії шляхом теплообміну від холодного тіла до гарячого. Другий закон має можливий характер. На відміну від закону збереження енергії, другий закон застосовний лише до систем, що складаються з дуже великої кількості частинок. Для таких систем незворотність процесів пояснюється тим, що зворотний перехід мав би привести систему в стан мізерно малою ймовірністю, що практично не відрізняється від неможливості.

Мимовільні процеси в ізольованій системі завжди проходять у напрямку переходу від малоймовірного стану до більш ймовірного.

Цикл Карно.

Для створення теплової машини недостатньо просто мати нагріте тіло (нагрівач), потрібно ще 2 тіло - холодильник. В.о., робоче тіло передає теплоту від нагрівача до холодильника і попутно робить корисну роботу.

В якості робочого тіла Саді Карно вибрав ідеальний газ. Він розглянув такий процес:

Криві 1-2, 3-4 – ізотерми, криві 2-3,4-1 – адіабати.

На ділянці 1-2газ отримує теплотуQ1 від нагрівача і, розширюючись, здійснює роботу (тобто витрачає отриманеQ1 на виконання роботи).Q1=∆U+A1, ∆U=0, т.к. T = const. Q1 = A1.

На ділянці 2-3:газ здійснює роботу А2, яка дорівнює спаду внутрішньої енергії; температура знижується. А2= - ∆U2 (температура знижується від Т1 до Т2).

На ділянці 3-4:Vзменшується, Т2 = const. Зовнішні сили здійснюють роботу зі стиснення газу A3: Q2 = -A3, Q2 = A '. Від системи відводиться кількість теплоти Q2: | Q2 | = A3.

На ділянці 4-1:Vзменшується,Tзбільшується.A'4=∆U,Q=∆U+A, 0= ∆U4 +A4 =∆U4-A'4,A'4=∆U(зовнішні сили зробили роботу, яка пішла на збільшення внутрішньої енергії.

Для ізотерм A=A1+A3=Q4-|Q2|.

Площа під ізотермою 3-4 менша, ніж під ізотермою 1-2 |A’3|<|A1|,Q1>Q2газ отримує від нагрівача більше теплоти, ніж віддає холодильнику.

За повний цикл: ∆U=0, А=А1 – А'3 - ∆U2(=A2) +A'4, ∆U2=3/2*m/M*R(T2-T1).

A = Q1- | Q2 | - 3/2*m/M*R(T2-T1) + (-3/2*m/M*R(T1-T2))=Q1-|Q2|.

Коефіцієнтом корисної дії теплової машини називається відношення корисної роботи, яка здійснюється за цикл, до кількості теплоти, отриманої системою. Виражається у відсотках. =(Q1-|Q2|)/Q1 * 100% (1), або =A/Q1 *100% (2). Ці формули можна використовувати для будь-якої теплової машини.

Теорема Карно: Q1/T1=|Q2|/T2 (для машини Карно).=(T1-T2)/T1 *100%.

ККД, що визначається формулами (1) та (2) – найбільший можливий. У реальних теплових машинах ККД менше.

2.5. Фазові рівноваги та фазові перетворення.

Фаза- це рівноважний стан речовини, що відрізняється за своїми фізичними властивостями від інших станів тієї ж речовини.

Перехід речовини з однієї фази до іншої називається фазовим переходом. При таких переходах змінюються механічні, теплові, електричні та магнітні властивості речовини.

Потрійна точка.

Криві плавлення і пароутворення перетинаються в точці A. Цю точку називають потрійною точкою, т.к. якщо за тиску p тр. і температурі Tтр деякі кількості речовини в твердому, рідкому та газоподібному станах знаходяться в контакті, то без підведення або відведення тепла кількість речовини, що знаходиться в кожному з 3х станів, не змінюється

З діаграми станів видно, що перехід речовини при нагріванні з твердого стану газоподібне може відбутися, минаючи рідкий стан. Перехід кристал-рідина-газ при нормальному атмосферному тиску відбувається лише у тих речовин, у яких тиск у потрійній точці нижче цього тиску. Ті ж речовини, яких тиск у потрійній точці перевищує атмосферний, внаслідок нагрівання при атмосферному тиску не плавляться, а переходять у газоподібний стан.

Оскільки потрійної точки відповідає цілком певна температура, вона може служити опорною точкою термодинамічної шкали.

Реальні гази.

При русі молекули далеко від стінок судини, у якому укладено газ, неї діють сили тяжіння сусідніх молекул, але рівнодіюча всіх цих сил у середньому дорівнює нулю, т.к. молекулу з усіх боків оточує в середньому однакове число сусідів. При наближенні деякої молекули до стінки судини всі інші молекули газу виявляються по одну сторону від неї і рівнодіюча всіх сил тяжіння виявляється спрямованою від стінки судини всередину газу. Це призводить до того, що зменшується імпульс, який передається молекулою стінці судини. В результаті тиск газу на стінки судини зменшується в порівнянні з тим, яким воно було б за відсутності сил тяжіння між молекулами: p = p ідеального + delta p. Замість рівняння ідеального газу отримуємо p + delta p = nkT; delta p = a / V (ст.2);

Де a - постійна, що залежить від виду газу. Для одного моля газу отримуємо p+a/V(ст.2) = R T / V; Поправка: при будь-яких тисках обсяг газу не може стати рівним нулю.

Рівняння Ван-дер-Ваальса:

(p + a / V (ст.2)) (V - b) = RT, де b - так званий "заборонений обсяг"

Критична температура.

Було встановлено, що з газоподібного стану рідке можна перевести будь-яку речовину. Однак кожна речовина може випробувати таке перетворення лише за температур нижче певної, так званої критичної температури Tк. При температурі вище критичної речовини не перетворюється на рідину або тверде тіло за жодних тисків. При критичній температурі середня кінетична енергія теплового руху молекул речовини приблизно дорівнює модулю потенційної енергії їхнього зв'язку в рідині або твердому тілі. сили тяжіння, що діють між молекулами різних речовин, різні, неоднакова і потенційна енергія їх зв'язку, звідси різними виявляються критичні температури для різних речовин.

Діаграма станів речовини.

Чим вище температура рідини, тим більша щільність і тиск її пари. Геометричним місцем точок, що відзначають на діаграмі p, T рівноважні стани між рідким і газоподібним станами речовини, є крива AK (рисунок - графік, права частина параболи - CB виходить не з нуля, а трохи вище і правіше; з точки A цієї кривої, трохи далі виходить ще більш широка частина параболи - AK, весь простір ділиться на 3 частини таким чином - тверде тіло, рідина і газ, осі - T і p).

Процес випаровування твердих тіл називається сублімацією.

Зворотні та незворотні в термодинамічному сенсі процеси. Процеси життєдіяльності як приклад незворотних процесів.

Зворотні та незворотні процеси, шляхи зміни стану термодинамічної системи

Процес називають оборотнимякщо він допускає повернення аналізованої системи з кінцевого стану у вихідне через ту ж послідовність проміжних станів, що і в прямому процесі, але прохідну у зворотному порядку. При цьому у вихідний стан повертається як система, а й середовище. Оборотний процес можливий, якщо і в системі, і в навколишньому середовищі він протікає рівноважно. При цьому передбачається, що рівновага існує між окремими частинами системи, що розглядається, і на кордоні з навколишнім середовищем. Оборотний процес - ідеалізований випадок, досяжний лише за нескінченно повільному зміні термодинамічних параметрів. Швидкість встановлення рівноваги повинна бути більшою, ніж швидкість процесу, що розглядається.

Якщо неможливо знайти спосіб повернути і систему, і тіла у навколишньому середовищі у вихідний стан, процес зміни стану системи називають незворотнім.

Необоротні процесиможуть протікати спонтанно тільки в одному напрямку; такі дифузія, теплопровідність, в'язкий перебіг та інше. Для хімічної реакції застосовують поняття термодинамічної і кінетичної оборотності, які збігаються лише у безпосередній близькості до стану рівноваги Насправді нерідко зустрічаються системи, що у частковому рівновазі, тобто. у рівновазі стосовно певного роду процесів, тоді як загалом система нерівноважна. Наприклад, зразок загартованої сталі має просторову неоднорідність і є системою, нерівноважною по відношенню до дифузійних процесів, проте в цьому зразку можуть відбуватися рівноважні цикли механічної деформації, оскільки часи релаксації дифузії та деформації в твердих тілах відрізняються на десятки порядків. Отже, процеси з відносно великим часом релаксації є кінетично загальмованими і можуть не братися до уваги при термодинаміч. аналіз більш швидких процесів.

Загальний висновок про незворотність процесів у природі. Перехід тепла від гарячого тіла до холодної та механічної енергії у внутрішню – це приклади найбільш типових незворотних процесів. Число подібних прикладів можна збільшувати практично необмежено. Всі вони говорять про те, що процеси в природі мають певну спрямованість, ніяк не відображену в першому законі термодинаміки. Усі макроскопічні процеси у природі протікають лише одному визначеному напрямі. У зворотному напрямку вони спонтанно протікати не можуть. Всі процеси в природі незворотні, і найтрагічніші з них - старіння та смерть організмів.
Важливість цього закону в тому, що з нього можна вивести висновок про незворотність як процесу теплопередачі, а й інших процесів у природі. Якби тепло в будь-яких випадках могло самовільно передаватися від холодних тіл до гарячих, це дозволило б зробити оборотними й інші процеси. Усі процеси мимоволі протікають щодо одного певному напрямі. Вони незворотні. Тепло завжди переходить від гарячого тіла до холодного, а механічна енергія макроскопічних тіл – у внутрішню.
Напрям процесів у природі вказується другим законом термодинаміки.

Будь ласка, її ще хоча б декількома пропозиціями та приберіть це повідомлення. Якщо стаття залишиться недописаною, вона може бути виставлена ​​для видалення. Для вказівки на роботу над статтею використовуйте шаблон ((subst: )) .

Оборотний процес(Тобто рівноважний) - термодинамічний процес, який може проходити як у прямому, так і в зворотному напрямку, проходячи через однакові проміжні стани, причому система повертається у вихідний стан без витрат енергії, і в навколишньому середовищі не залишається макроскопічних змін.

Оборотний процес можна будь-якої миті змусити протікати у напрямі, змінивши якусь незалежну змінну на нескінченно малу величину.

Оборотні процеси дають найбільшу роботу. Велику роботу від системи взагалі отримати неможливо. Це надає оборотним процесам теоретичну важливість. Насправді оборотний процес реалізувати неможливо. Він протікає нескінченно повільно, і можна лише наблизитись до нього.

Слід зазначити, що термодинамічна оборотність процесу відрізняється від хімічної оборотності. Хімічна оборотність характеризує напрямок процесу, а термодинамічна - спосіб його проведення.

Поняття рівноважного стану та оборотного процесу грають велику роль у термодинаміці. Всі кількісні висновки термодинаміки застосовні лише до рівноважних станів та оборотних процесів. У стані хімічної рівноваги швидкість прямої реакції дорівнює швидкості зворотної реакції!

Приклади

Випікання пирога - незворотний процес. Гідроліз солей – оборотний процес.

Див. також

Напишіть відгук про статтю "Зворотний процес"

Посилання

• socrates.berkeley.edu/~ashvinv/Phy211/lecture3.pdf
• www.britannica.com/EBchecked/topic/500473/reversibility

Уривок, що характеризує Зворотний процес