Квазистатический процесс

Материал из testwiki
Перейти к навигации Перейти к поиску

Шаблон:О

Образующие цикл Карно квазистатические изотермы (1—2 и 3—4) и адиабаты (2—3 и 4—1) на диаграмме Эндрюса в координатах давление — объём

Квазистатический процесс в термодинамике — относительно медленный (в пределе — бесконечно медленный) процесс (то есть переход термодинамической системы из одного состояния в другоеШаблон:Sfn), длительность протекания которого намного превышает характерные времена релаксации системыШаблон:Sfn[K 1]. При этом система проходит через последовательность бесконечно близких квазиравновесных состоянийШаблон:SfnШаблон:Sfn, и квазистатический процесс может также называться квазиравновесным. Совокупность бесконечно малых квазистатических процессов есть конечный квазистатический процессШаблон:Sfn[K 2].

Значение квазистатических процессов

Т. А. Афанасьева-Эренфест показала (1925), что понятие об обратимости и необратимости процессов имеет лишь косвенное отношение к термодинамике, то есть классическая термодинамика должна, по её мнению, строиться как теория равновесных состояний и квазистатических процессовШаблон:Sfn. Квазистатические процессы по сию пору иногда называют обратимыми лишь в силу восходящей ко временам Клаузиуса традиции[K 3], хотя не всякий квазистатический процесс является обратимым или равновесным[K 4]. Однако в классической термодинамике состояний и идеальных процессов (термостатике)[K 5], термины обратимые процессы и квазистатические процессы часто рассматривают как синонимыШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Sfn.

Медленность квазистатических процессов служит основанием для того, чтобы не учитывать полагаемые равными нулю скорости протекания таких процессов, то есть использование представления о квазистатичности процессов есть способ исключить время из числа переменных, учитываемых классической термодинамикой состояний и идеальных процессов (термостатикой) и рассматривать процесс, то есть изменение состояния системы во времениШаблон:Sfn без использования этой физической величины в качестве термодинамической переменнойШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Sfn. Время, однако, может входить в термостатические соотношения в качестве параметраШаблон:Sfn, например, в формулы вычисления мощности.

Опыт показывает, что число переменных, полностью описывающих равновесное состояние, меньше, чем требуется для описания любого неравновесного состоянияШаблон:SfnШаблон:Sfn. Поэтому допущение о квазистатичности реального процесса и связанное с этим сокращение числа принимаемых во внимание переменных существенно упрощает термодинамический анализ рассматриваемого процессаШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Sfn. При этом оказывается, что аппроксимация идущего с конечной скоростью реального нестатического процесса его идеализированной бесконечно медленной квазистатической моделью позволяет проводить вычисления с достаточной точностью для большого класса практических задачШаблон:SfnШаблон:Sfn. С другой стороны, выводы, получаемые термодинамикой для квазистатических процессов, носят характер своего рода теорем о предельных значениях термодинамических величин — полезной работы, КПД тепловой машины и т. п.Шаблон:Sfn.

Условия квазистатичности процесса

Пусть X — некоторая характеризующая процесс термодинамическая величина. В термостатике для получения количественных зависимостей типа X = … рассматривают только квазистатические процессыШаблон:Sfn, тогда как для нестатических процессов термостатика даёт качественные результаты вида X < … или X > … Иными словами, термодинамический процесс является квазистатическим, если характеризующие его величины могут быть найдены методами термостатикиШаблон:Sfn.

Квазистатические процессы не реализуются в природе, но являются хорошей моделью для процессов, протекающих достаточно медленно по сравнению с процессами установления термодинамического равновесия в системе. Условие «медленности» относительно, а именно, сравнивают время t квазистатического изменения значения некоторой термодинамической переменной x на величину Δx и время релаксации τ после мгновенного изменения этого же значения x на величину Δx: при квазистатическом изменении переменной t≫τШаблон:Sfn.

Графическое изображение квазистатических процессов

Поскольку для квазистатических процессов время исключено из числа учитываемых переменных, то такой процесс можно геометрически представить в виде непрерывной кривой на термодинамической поверхностиШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Sfn, например на PV-диаграмме ЭндрюсаШаблон:Sfn[K 6]. Изображать графически на термостатических (не содержащих времени термодинамических) диаграммах можно квазиравновесные и только квазиравновесные процессыШаблон:Sfn; нестатические процессы на термостатических диаграммах отобразить нельзяШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Sfn. Встречающееся в литературе графическое изображение на термостатических диаграммах реальных нестатических процессов, протекающих с конечной скоростью, имеет условный характерШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Sfn, когда нестатический процесс аппроксимируют линией (обычно штриховой или пунктирнойШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Sfn), соединяющей два квазиравновесные состоянияШаблон:SfnШаблон:Sfn, причём, кроме начальной и конечной, никакая другая точка на этой линии не соответствует промежуточному состоянию термодинамической системыШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Sfn.

Виды квазистатических процессов

В термодинамике наиболее часто рассматриваются следующие виды квазистатических процессов:

  • Изохорный процесс — процесс, происходящий при постоянном объёме;
  • Изобарный процесс — процесс, происходящий при постоянном давлении;
  • Изотермический процесс — процесс, в котором температура остается постоянной;
  • Адиабатический процесс Пуассона — процесс, который совершается без подвода или отвода тепла, причем медленно. К примеру, адиабатическое расширение в пустоту не является квазистатическим процессом[1][K 7]. Как и все квазистатические процессы, указанные изменения можно графически изобразить непрерывными линиями, названия которых практически соответствуют названиям самих описываемых процессов — изобарой, изохорой, изотермой и адиабатой.

Терминологические замечания

Термин "квазистатический" (от Шаблон:Lang-lat — как если бы, подобно + static — статический) был предложен К. Каратеодори в 1909 г.Шаблон:Sfn. Понятийный аппарат, используемый в том или ином руководстве по классической термодинамике, существенным образом зависит от системы построения/изложения данной дисциплины, используемой автором конкретного пособия. Последователи Р. Клаузиуса строят/излагают термодинамику как теорию обратимых процессовШаблон:Sfn, последователи К. Каратеодори — как теорию квазистатических процессовШаблон:Sfn, а последователи Дж. У. Гиббса — как теорию равновесных состояний и процессовШаблон:SfnШаблон:Sfn. Ясно, что, несмотря на применение различных описательных дефиниций идеальных термодинамических процессов — обратимых, квазистатических и равновесных, — которыми оперируют упомянутые выше термодинамические аксиоматики, в любой из них все построения классической термодинамики имеют своим итогом один и тот же математический аппарат. Де-факто это означает, что за пределами чисто теоретических рассуждений, то есть в прикладной термодинамике, термины «обратимый процесс», «равновесный процесс» и «квазистатический процесс» рассматривают как синонимыШаблон:Sfn: всякий равновесный (квазистатический процесс) процесс является обратимым, и наоборот, любой обратимый процесс является равновесным (квазистатическим)[2][3][4].

См. также

Комментарии

Шаблон:Примечания

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература


Ошибка цитирования Для существующих тегов <ref> группы «K» не найдено соответствующего тега <references group="K"/>

  1. ↑ Адиабатическое расширение газа в пустоту Шаблон:Wayback // Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии.
  2. ↑ Шаблон:Cite web
  3. ↑ Шаблон:Cite web
  4. ↑ Шаблон:Cite web
Источник — https://ru.wiki.beta.math.wmflabs.org/w/index.php?title=Квазистатический_процесс&oldid=2969