§ 3.4. Равновесные (обратимые) и неравновесные (необратимые) процессы

Прежде чем перейти к получению уравнения состояния, познакомимся с общей классификацией термодинамических процессов.

Пусть цилиндр с поршнем заполнен газом. Если поршень неподвижен и температура окружающего воздуха неизменна, то газ в цилиндре находится в термодинамическом равновесии: давление газа во всех точках внутри цилиндра одинаково, а температура равна температуре окружающих тел.

Если сжимать газ в цилиндре под поршнем, то состояние его будет меняться: объем уменьшаться, а давление расти. Мы видим, что термодинамические параметры изменяются со временем, происходит, как говорят, термодинамический процесс. Но если сжатие происходит очень медленно, то в любой момент времени будет успевать устанавливаться новое состояние равновесия с новыми значениями давления и объема. Подобные медленные процессы называются равновесными.

Если после медленного сжатия проводить равновесный процесс в обратном направлении, т. е. предоставить газу возможность медленно расширяться, то он пройдет через ту же последовательность равновесных состояний, что и при сжатии. По этой причине равновесные процессы называются обратимыми.

Именно состояние термодинамического равновесия и равновесные процессы в первую очередь являются предметом исследования в термодинамике. Здесь закономерности наиболее просты.

Процесс изменения состояния, сопровождающийся нарушением равновесия в системе, называется неравновесным. Пусть поршень сожмет газ в цилиндре очень быстро. Тогда равновесное состояние будет нарушено, и лишь спустя некоторое время (время релаксации) газ перейдет в новое равновесное состояние. Такой процесс сжатия будет необратимым: при быстром сжатии давление под поршнем в первый момент больше, чем в остальном цилиндре, а при быстром расширении — меньше.

Реальные процессы, конечно, не протекают бесконечно медленно, и фактически все они необратимы. Представление об обратимом процессе такая же идеализация настоящих процессов, как движение абсолютно твердого тела или течение идеальной жидкости в механике. Но изучение обратимых процессов тем не менее может дать нам ценные сведения о возможных изменениях в реальных системах. Кроме того, и реальные процессы могут протекать достаточно медленно, и их можно с хорошим приближением считать равновесными. Для этого надо, чтобы время изменения параметров было много больше времени релаксации.

В дальнейшем, говоря о процессах, мы будем иметь в виду именно равновесные процессы. Только для таких процессов термодинамические параметры могут иметь определенные значения для любого момента времени. При неравновесных процессах, подобных быстрому сжатию или расширению газа, параметры, например давление, не будут иметь определенного значения для всей системы.

В термодинамике преимущественно рассматриваются равновесные (медленные) процессы, при которых в каждый момент времени термодинамические параметры имеют определенные значения.