7.16: Теплообмін в оборотних процесах

Last updated
Save as PDF

Page ID: 21970

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Якщо система знаходиться в тепловому контакті зі своїм оточенням, оборотна зміна може включати обмін теплом між системою та навколишнім середовищем. У главі 6 ми зробимо ряд важливих спостережень про природу будь-якої теплопередачі, яка відбувається під час оборотного процесу. Давайте розглянемо ці ідеї.

Система може зазнати змін, при яких вона приймає (або звільняє) тепло, тоді як її температура залишається постійною. Якщо ми кип'ятимо рідину при постійному тиску, термометр, занурений у рідину, продовжує показувати ту ж температуру, хоча ми додаємо все більше і більше теплової енергії. Додане тепло використовується всередині системи для перетворення рідини в її пари. Якщо рідина добре перемішується, будь-які локалізовані температурні відхилення від рівноважної температури невеликі; це гарне наближення сказати, що температура системи є однорідною у всій системі і що вона має постійне значення.

Тим не менш, для кінцевої швидкості кипіння ми визнаємо, що ідея ізотермічного процесу дійсно є наближенням. Щоб передача тепла відбувалася від оточення до системи, оточення повинно бути при більш високій температурі, ніж система. Ділянка системи при безпосередньому контакті зі стінкою судини повинна бути при більш високій температурі, ніж порція у внутрішній частині судини.

Коли ми думаємо про систему з постійною температурою, яка зазнає оборотних змін, перебуваючи в тепловому контакті з її оточенням, ми уявляємо, що тепло може передаватися в будь-якому напрямку з рівним об'єктом. Якщо система забирає тепло в міру протікання процесу, ми уявляємо, що ми можемо змінити напрямок зміни просто змінивши напрямок теплопередачі. Тепло буде надходити від системи до оточення, і процес буде протікати назад. Ми можемо змінити напрямок теплового потоку, змінюючи температуру оточення. Спочатку оточення повинно бути більш гарячим, ніж система. Щоб змінити напрямок теплового потоку, ми повинні зробити температуру оточення меншою, ніж температура системи. Оскільки оборотний процес - це той, напрямок якого можна змінити довільно невеликою зміною якоїсь функції стану, початкові температури повинні бути довільно близькі один до одного.

Для системи, яка обмінюється теплом зі своїм оточенням, процес може бути оборотним лише в тому випадку, якщо температури системи та оточення довільно близькі один до одного. У оборотному процесі чистий теплообмін відбувається між двома суб'єктами - системою та її оточуючими - які довільно близькі до теплової рівноваги. Такий процес є ідеалізацією. Як ми вже кілька разів відзначали, оборотний процес - це істота теорії, яка просто наближена в реальних системах. Оборотний процес не обов'язково повинен бути процесом постійної температури. Якщо температури системи та оточення змінюються одночасно, вони можуть залишатися довільно близькими один до одного протягом усього процесу. Також система, що зазнає оборотних змін, не повинна знаходитися в тепловому контакті з навколишнім середовищем. Система може зазнати оборотних змін адіабатично.

Нарешті, ми відзначили, що термін «ізотермічний процес» часто має на увазі термічно-оборотний процес з постійною температурою. Однак одні і ті ж слова часто покликані вказувати лише на те, що кінцева температура системи така ж, як і початкова температура. Це відбувається всякий раз, коли «ізотермічний процес» є спонтанним процесом. Призначене значення зазвичай зрозуміло з контексту.