Физика

за сваког по нешто

Повратни и неповратни процеси

Преузми Word документ

Претварање механичког рада у топлоту било је познато од давнина. Међутим, тек су у 19. веку Џул и Мајер утврдили везу између утрошеног рада и добијене количине топлоте. Исто тако, људи су приметили да се и обрнуто топлота може претворити у механички рад. Дошло се до закључка да се механички рад може потпуно претворити у топлоту док је, претварање топлоте у механички рад могуће само делимично.

Познато је да постоје природне појаве код којих се процес (због узајамног деловања између тела) одвија сам од себе у једном одређеном смеру, а никад се не врши сам од себе у супротном смеру.

Примери:

  • кретање тела низ стрму раван,
  • слободан пад,
  • кретање течности (увек са вишег на нижи ниво),
  • прелаз топлоте са топлијих на хладнија тела,
  • изједначавање притиска гаса.

Тело које слободно пада или се креће низ стрму раван тежи да заузме положај у коме ће његово тежиште бити најниже, а потенцијална енергија најмања. Гас својим кретањем тежи да изједначи притиске и да наступи равнотежа у његовој унутрашњости. Топлота прелази са топлијег на хладније тело све док се температуре не изједначе и наступи топлотна равнотежа.

Значи: Карактеристика природних процеса је у томе што се они врше у смеру равнотежног стања.

Из искуства знамо да се тело неће само од себе кретати уз стрму раван, а течност не може да се подигне сама са нижег на виши ниво. Топлота може да пређе са тела ниже температуре на тело са вишом температуром само уз утрошак рада.

Сви процеси у природи могу да се поделе на повратне (реверзибилне) и неповратне (иреверзибилне). Повратан процес је такав процес који може да се врши у два супротна смера без икаквих измена код околиних тела.

На графику је приказан изоловани процес. Почетно стање посматраног процеса је означено словом А, а крајње стање словом Б. Претпоставимо да је процес прво извршен у смеру АБ, а затим у супротном смеру БА, тако да се процес поново налази у почетном стању.

procesi 1

Ако овакав процес може да се изврши и у једном и у другом смеру, тако да после завршетка целог процеса у природи не остану никакве промене, већ је стање исто као и пре почетка процеса, онда се такви процеси или појаве називају повратни процеси.

Повратни процеси могу да се одвијају у два смера равноправно. При одвијању процеса у супротном смеру систем пролази кроз иста међустања. Систем се враћа у почетно стање. Након завршетка процеса у супротном смеру нема промена на околини.

Из искуства знамо да да у природи нема повратних процеса. Међутим, постоје природне појаве код којих се повратни процес може остварити у великој мери. На пример, претварање потенцијалне у кинетичку енергију код еластичних осцилација, кретање клатна и слични могу да се сматрају повратним процесима.

Иако повратни процеси не могу да се остваре у потпуности, него само идеализовани, они имају велики значај у проучавању термодинамичких појава.

Појаве у природи су неповратне, јер тело изведено из једног стања не може да се врати у то првобитно стање, а да при томе негде у природи не остану неке промене или последице.

Неповратан је такав процес који се спонтано врши само у једном смеру. На пример, трење, зрачење топлоте, мешање гасова различитих притисака, растварање неког тела у течности … представљају неповратне процесе.

Посматрамо цилиндар на чијем се једном крају налази клип. Цилиндар је је преграђен преградом на два једнака дела. У левом делу цилиндра се налази гас, а десни део је празан.

procesi 2

Када се уклони преграда, гас се шири по целом клипу све док се притисак у целом цилиндру не уједначи.

procesi 3

То је природан процес. Гас се никада сам од себе неће вратити у првобитно стање, тј. заузети само леви део цилиндра (заузети првобитну запремину, под првобитним притиском) , a да десни део остане празан. Али ако се клипом изврши сабијање гаса на првобитну запремину и првобитни притисак, температура гаса ће се повисити и због тога загрејати цилиндар и околину.

procesi 4

Према томе процес којим је гас сабијен (враћен у првобитно стање) оставио је промене у природи. Посматрани процес је неповратан.

Неповратан процес у термодинамичком смислу не значи да се један систем, који је подвргнут таквом процесу, не може преко низа међустања поново превести у почетно стање.

Посебну важност у термодинамици имају кружни процеси или циклуси.  Кружни процес у општем случају можемо да представимо једном кружном линијом.

Један изоловани систем врши кружни процес ако полазећи из свог поченог стања А, прође кроз низ других стања Б, В… и поново се врати у своје првобитно стање.

Пример:

procesi 5

Почетно стање А – комад леда одређене запремине, температуре и притиска. Топљењем леда добијамо воду (стање Б), а загревањем вода прелази у водену пару (стање Ц). Водену пару сабијањем претварамо поново у воду (стање Д). На крају замрзавамо воду и добијамо лед под истим условима као на почетку. На тај начин се враћамо у почетно стање А.

Пример: прелазак система (машине)

Ако се прелази из стања А у стање Б и из стања Б у стање А одвијају по истим путањама, то је повратни процес.

procesi 6

Пракса показује да само део топлоте може да се претвори у рад. То значи да систем у почетно стање може да се врати само по некој другој путањи. При томе се првобитно ширење  (процес 1), када он врши рад на рачун топлоте, мора заменити спољашњим радом и повећањем унутрашње енергије система (процес 2). На тај начин је добијен кружни процес.

Са енергетског становишта сви термодинамички процеси су неповратни, јер непостаји машина који би радила без губитака. Код мотора аутомобила, губици се надокнађују потрошњом горива.

Адијабатски процес II принцип термодинамике