Что такое термодинамический процесс? Физика FAQ

Система подвергается термодинамическому процессу, когда в системе происходят какие-то энергетические изменения, обычно связанные с изменениями давления, объема, внутренняя энергия, температура или любой другой вид теплопередача.

Существует несколько конкретных типов термодинамических процессов, которые происходят достаточно часто (и в практических ситуациях), и их обычно рассматривают при изучении термодинамики. У каждого есть уникальная черта, которая его идентифицирует, и которая полезна при анализе энергетических и рабочих изменений, связанных с процессом.

• Адиабатический процесс - процесс без передачи тепла внутрь или наружу системы.
• Изохорический процесс - процесс без изменения объема, в этом случае система не работает.
• Изобарный процесс - процесс без изменения давления.
• Изотермический процесс - процесс без изменения температуры.

Можно иметь несколько процессов в одном процессе. Наиболее очевидным примером может служить случай, когда изменение объема и давления не приводит к изменению температуры или теплопередачи - такой процесс будет как адиабатическим, так и изотермическим.

В математическом плане первый закон термодинамики можно записать как:

дельта- U = Q - W или Q = дельта- U + W
где

• дельта-U = изменение системы во внутренней энергии
• Q = тепло передается или выходит из системы.
• W = работа, выполненная или в системе.

Анализируя один из специальных термодинамических процессов, описанных выше, мы часто (хотя и не всегда) находим очень удачный результат - одну из этих величин сводится к нулю!

Например, в адиабатическом процессе нет передачи тепла, поэтому Q = 0, что приводит к очень прямой взаимосвязи между внутренней энергией и работой:Q = -W. Посмотрите отдельные определения этих процессов для более подробной информации об их уникальных свойствах.

Большинство термодинамических процессов протекают естественным образом от одного направления к другому. Другими словами, у них есть предпочтительное направление.

Тепло течет от более горячего объекта к более холодному. Газы расширяются, чтобы заполнить комнату, но не будут спонтанно сокращаться, чтобы заполнить меньшее пространство. Механическая энергия может быть полностью преобразована в тепло, но практически невозможно полностью преобразовать тепло в механическую энергию.

Однако некоторые системы проходят обратимый процесс. Как правило, это происходит, когда система всегда близка к тепловому равновесию, как внутри самой системы, так и с любым окружением. В этом случае бесконечно малые изменения условий системы могут привести к тому, что процесс пойдет другим путем. Как таковой, обратимый процесс также известен как процесс равновесия.

Пример 1: Два металла (А и В) находятся в тепловом контакте и тепловое равновесие. Металл A нагревается до бесконечности, поэтому тепло от него течет к металлу B. Этот процесс можно повернуть вспять, охладив А до бесконечно малого количества, и в этот момент тепло начнет течь от В к А, пока они снова не окажутся в тепловом равновесии.

Пример 2: Газ расширяется медленно и адиабатически в обратимом процессе. Увеличивая давление на бесконечно малую величину, тот же газ может медленно и адиабатически сжиматься обратно в исходное состояние.

Следует отметить, что это несколько идеализированные примеры. Для практических целей система, которая находится в тепловом равновесии, перестает быть в тепловом равновесии, как только одно из этих изменений вводится... таким образом, этот процесс не является полностью обратимым. Это идеализированная модель о том, как такая ситуация будет иметь место, хотя при тщательном контроле экспериментальных условий может быть выполнен процесс, который очень близок к тому, чтобы быть полностью обратимым.

Большинство процессов, конечно, необратимые процессы (или неравновесные процессы). Использование трения ваших тормозов делает работу на вашем автомобиле необратимым процессом. Выпуск воздуха из воздушного шара в помещение является необратимым процессом. Размещение блока льда на дорожке из горячего цемента является необратимым процессом.

В целом, эти необратимые процессы являются следствием второго закона термодинамики, который часто определяется в терминах энтропияили расстройство системы.

Есть несколько способов сформулировать второй закон термодинамики, но в основном он накладывает ограничение на эффективность любой передачи тепла. Согласно второму закону термодинамики в процессе всегда будет теряться некоторое тепло, поэтому в реальном мире невозможно иметь полностью обратимый процесс.

Мы называем любое устройство, которое частично превращает тепло в рабочую или механическую энергию, Тепловой двигатель. Тепловой двигатель делает это, передавая тепло из одного места в другое, выполняя некоторую работу по пути.

Используя термодинамику, можно проанализировать тепловая эффективность теплового двигателя, и эта тема рассматривается в большинстве вводных курсов физики. Вот некоторые тепловые двигатели, которые часто анализируются на курсах физики:

• Двигатель внутреннего сгорания - Двигатель на топливе, такой как те, которые используются в автомобилях. «Цикл Отто» определяет термодинамический процесс обычного бензинового двигателя. «Дизельный цикл» относится к дизельным двигателям.
• Холодильник - Тепловой двигатель в обратном направлении, холодильник забирает тепло из холодного места (внутри холодильника) и передает его в теплое место (вне холодильника).
• Тепловой насос - Тепловой насос - это тип теплового двигателя, похожий на холодильник, который используется для отопления зданий путем охлаждения наружного воздуха.

В 1924 году французский инженер Сади Карно создал идеализированный гипотетический двигатель, который имел максимально возможную эффективность, соответствующую второму закону термодинамики. Он пришел к следующему уравнению для его эффективности, е_Карно:

е_Карно = ( T_ЧАС - T_С) / T_ЧАС

T_ЧАС и T_С температуры горячего и холодного резервуаров соответственно. При очень большой разнице температур вы получаете высокую эффективность. Низкая эффективность возникает, если разница температур низкая. Вы получаете эффективность только 1 (эффективность 100%), если T_С = 0 (т.е. абсолютная величина) что невозможно.