Раніше ми розглянули рівноважні, оборотні процеси, при здійсненні яких в прямому і зворотному напрямку не відбувається залишкових змін ні в самій системі, ні в навколишньому середовищі. Будь-який реальний процес є в більшій чи меншій мірі нерівновагим. (Якщо, наприклад, швидко збільшити температуру навколишнього середовища, то газ в циліндрі буде поступово прогріватися, релаксуючи до стану рівноваги, відповідному новим параметрам навколишнього середовища. В процесі релаксації газ не знаходиться в рівновазі з навколишнім середовищем, і його не можна характеризувати рівнянням стану.) нерівноважні процеси незворотні. При проведенні таких процесів в прямому і зворотному напрямках або система, або навколишнє середовище не повертається в початковий стан.
Розглянемо принципові відмінності незворотних процесів від оборотних на прикладі розширення газу в циліндрі під поршнем (рис. 11).
Розширення буде оборотним (рівноважним) тільки в тому випадку, якщо: температура газу дорівнює температурі джерела тепла T = T1. зовнішня сила врівноважена тиском газу на поршень P = pF. і при розширення газу немає ні зовнішнього, ні внутрішнього тертя.
Робота розширення газу в цьому випадку а зміна ентропії dsобр = / T.
Невиконання хоча б однієї із зазначених умов робить розширення газу незворотнім.
- Якщо незворотність викликати тертям поршня об стінки циліндра, то робота виявляється менше ніж pd # 965 ;, т. К. Частина її в результаті тертя переходить в теплоту Qтр. Вона сприймається газом разом з підводиться теплотою. в результаті чого зростання ентропії в необоротний процес виявляється більше, ніж в оборотному.
- Якщо незворотність викликана відсутністю механічного рівноваги (P Робота знову виходить менше, а зростання ентропії більше, ніж в оборотному процесі. -Якщо незворотність викликана теплообміном при кінцевій різниці температур (температура газу T Отже, незворотність завжди призводить до збільшення ентропії робочого тіла при тій же кількості підведеної теплоти і до втрати частини роботи. Для ізольованих систем ці вирази приймають вид: ds ≥0. Якщо в адіабатно-ізольованій системі здійснюються рівноважні процеси, то ентропія системи залишається постійною. Мимовільні (а значить незворотні) процеси в ізольованій системі завжди призводять до збільшення ентропії. Це і є формулювання другого закону термодинаміки для нерівноважних процесів, відома під назвою принципу зростання ентропії. Він сформулював умови, при яких можливо перетворення теплоти в роботу. Розглянемо запропонований ним цикл, який вирішує питання про те, яка максимальна частка тепла при заданих умовах може бути перетворена в механічну роботу. Нехай робоче тіло знаходиться в непроводящем тепло циліндрі, маючи однак можливість в необхідних випадках приходити в зіткнення з двома джерелами тепла з температурами T1 і T2 (рис. 12). Вважаємо, що теплоємності джерел настільки великі, що відбір робочим тілом теплоти від одного джерела і передача її іншій практично не змінює їх температури. Початковий стан характеризується точкою A. Наводимо циліндр в зіткнення з гарячим джерелом теплоти. Від цього стану починається ізотермічний процес розширення АВ. Кількість підводиться теплоти визначається як: q1 = T1 (s2 -s1) Потім в точці В усувається тепловий контакт між газом і джерелом, і подальше розширення газу відбувається адіабатно (без теплообміну з навколишнім середовищем) за рахунок зміни внутрішньої енергії газу. При цьому температура газу зменшується. У точці C газ приводиться в тепловий контакт з холодним теплоприемником T2 і подальший стан робочого тіла пов'язано з необхідністю повернення поршня в початкове положення, а газу в початковий стан. Це здійснюється шляхом ізотермічного стиснення з передачею теплоти q2 від газу до теплоприймачу: q2 = T2 (s2 -s1). У точці D робоче тіло ізолюється від теплоприемника і подальше стиснення відбувається без теплообміну, т. Е. Адиабатически. Температура газу зростає, поки не досягне значення T1, а газ не приходить в початковий стан, відповідне точці A. На p-v і T-s діаграмах цикл виглядає наступним чином (рис. 13):Схожі статті