ГЛАВА IV. Неквазистатические процессы. Равновесие

§ 15. Неквазистатические процессы

а. Естественные процессы.

В предыдущих параграфах мы ограничивались ргосыотртш квазистатических процессов. Такой процесс складывается из ряда последовательных очень малых изменений состояния, после каждого из которых система снова приходит в равновесие. Квазистатический процесс можно осуществить рядом очень малых и медленных изменений внешних параметров, описывающих систему.

Общеизвестным типом неквазистатических процессов являются так называемые естественные процессы, т. е. процессы, которые действительно происходят в природе и которые, однажды начавшись, совершаются без дальнейшего внешнего воздейстйия. Рассмотрим два тела с неодинаковыми температурами Мы можем начать естественный процесс, соединив эти два тела теплопроводящей проволокой (фиг. 21,а). Тогда тепло само по себе будет переходить от пока температуры не станут равными. Даже если этот процесс совершается очень медленно (малая теплопроводность проволоки), все равно между этим естественным процессом и квазистатическим процессом остаются принципиальные различия: каждое из промежуточных состояний естественного процесса является неравновесным; кроме того, такой процесс совершается сам по себе (для его осуществления не нужно производить непрерывные малые изменения внешних параметров).

Более того, очевидно, что естественный процесс является необратимым в противоположность квазистатическим процессам. Это можно видеть из различных примеров. Необратимость следует также из второго начала термодинамики.

Предположим, что вышеупомянутые два тела окружены адиабатической стенкой, так что во время естественного процесса тепло может только перетекать из Обратно из это тепло может переноситься квазистатически при помощи цикла Карно, совершаемого некоторым вспомогательным телом Я (фиг. 27,б). Но согласно второму началу термодинамики в формулировке Клаузиуса, невозможно перенести тепло назад без компенсации, например, затраты внешней работы.

Фиг. 27. Естественный процесс выравнивания температуры.

Итак, хотя этот естественный процесс происходит в изолированной системе, для осуществления обратного процесса необходимо совершить внешнюю работу. Поэтому, согласно Клаузиусу, перенос тепла посредством теплопроводности является необратимым процессом.

Вторым примером естественного процесса является рассмотренный в § 4 опыт Джоуля: адиабатическое расширение газа без совершения работы (фиг. 28,а). Мы можем провести этот процесс бесконечно медленно, очень быстро смещая поршень на малое расстояние и повторяя эту операцию очень большое число раз, пока весь верхний объем не заполнится газом. Если скорость поршня во время этих малых смещений гораздо больше

скорости молекул (см. § 4 и 5), то это равносильно последовательному подключению к начальному объему ряда небольших эвакуированных объемов.

При обратном процессе мы должны квазистатически сжать газ обратно в нижнюю часть сосуда (фиг. 28,б). Чтобы пройти в обратном порядке последовательные процессы Джоуля, которые составляют первоначальный процесс, газ должен отдать количество тепла, эквивалентное работе сжатия, поскольку энергии начального и конечного состояний равны.

Фиг. 28. Естественный процесс выравнивания давления.

Если бы мы захотели провести этот обратный процесс адиабатически то мы должны были бы превратить это тепло полностью в работу. Но так как мы имеем в своем распоряжении только один тепловой источник (газ), то это невозможно. Итак, вытекание газа в опыте Джоуля является необратимым процессом в силу второго начала термодинамики в формулировке Кельвина.

Превращение работы в теплоту трения также является естественным процессом, который не может быть обращен. В противном случае тепло, созданное в теле, должно было бы потом полностью превращаться в работу, что снова находится в противоречии со вторым началом термодинамики в формулировке Кельвина.

Естественные процессы, приведенные выше, мы предполагали медленными. Таким путем мы хотели подчеркнуть, насколько существенно естественные процессы отличаются от квазистатических процессов, несмотря на то что все промежуточные состояния могут быть известными функциями времени. Для большинства естественных процессов, не являющихся медленными, различие будет еще больше. В качестве примера можно назвать опыт Джоуля, как он выполняется в действительности, или процесс обмена теплом между двумя телами с различной температурой. В этих примерах невозможно определить промежуточные состояния, и «необратимость» означает невозможность достижения начального состояния, исходя из конечного состояния, посредством квазистатического процесса, проводимого при тех же самых внешних условиях.

В каждом неквазистатическом процессе имеют место один или оба указанных выше типа естественных процессов. Так, когда система нагревается слишком быстро, возникает большая разность температур, которая исчезает сама по себе, т. е. в результате естественных процессов, подобно тому как исчезают турбулентные завихрения, появляющиеся при быстром сжатии. Поэтому мы можем сказать, что в общем случае неквазистатические процессы необратимы в силу второго начала термодинамики.

Прежде чем перейти к дальнейшему обсуждению свойств неквазистатических процессов, мы заметим, что вместо двух формулировок второго начала термодинамики, а именно формулировок Клаузиуса и Кельвина, мы могли бы ввести следующий основной принцип: естественный процесс является необратимым. Тогда формулировка Клаузиуса следует, в частности, из рассмотрения естественного потока тепла от тела с более высокой к телу с более низкой температурой, а формулировка Кельвина вытекает из необратимости непрерывного превращения работы в тепло.