Эта статья — о понятии термодинамики. Об аналогичном понятии в других науках см. Квазистационарный процесс.
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 другое[1]), длительность протекания которого намного превышает характерные времена релаксации системы[2][K 1]. При этом система проходит через последовательность бесконечно близких квазиравновесных состояний[4][5], и квазистатический процесс может также называться квазиравновесным. Совокупность бесконечно малых квазистатических процессов есть конечный квазистатический процесс[6][K 2].
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 процессов[6]. 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 синонимы[12][13][14][15][16][17][18][19][20][21][22][23].
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 времени[24] без использования этой физической величины в качестве термодинамической переменной[25][26][27][28][29][30][31][32][33][34][35]. Время, однако, может входить в термостатические соотношения в качестве параметра[36], например, в формулы вычисления мощности.
Опыт показывает, что число переменных, полностью описывающих равновесное состояние, меньше, чем требуется для описания любого неравновесного состояния[37][38]. Поэтому допущение о квазистатичности реального процесса и связанное с этим сокращение числа принимаемых во внимание переменных существенно упрощает термодинамический анализ рассматриваемого процесса[39][40][41][42][43]. 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 задач[44][32]. 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.[45].
Условия квазистатичности процесса
Пусть X — некоторая характеризующая процесс термодинамическая величина. В термостатике для получения количественных зависимостей типа X = … рассматривают только квазистатические процессы[21], 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 термостатики[46].
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 квазистатического изменения значения некоторой термодинамической переменной на величину и время релаксации после мгновенного изменения этого же значения на величину : при квазистатическом изменении переменной [47].
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 поверхности[48][49][50], например на PV-диаграмме Эндрюса[51][K 6]. Изображать графически на термостатических (не содержащих времени термодинамических) диаграммах можно квазиравновесные и только квазиравновесные процессы[56]; нестатические процессы на термостатических диаграммах отобразить нельзя[57][58][55][59]. Встречающееся в литературе графическое изображение на термостатических диаграммах реальных нестатических процессов, протекающих с конечной скоростью, имеет условный характер[60][61][62][63][64], когда нестатический процесс аппроксимируют линией (обычно штриховой или пунктирной[65][66][67][68][69][70]), соединяющей два квазиравновесные состояния[71][67], причём, кроме начальной и конечной, никакая другая точка на этой линии не соответствует промежуточному состоянию термодинамической системы[72][73][74][75].
Виды квазистатических процессов
В термодинамике наиболее часто рассматриваются следующие виды квазистатических процессов:
Адиабатический процесс Пуассона — процесс, который совершается без подвода или отвода тепла, причем медленно. К примеру, адиабатическое расширение в пустоту не является квазистатическим процессом[76][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 лат.quasi — как если бы, подобно + static — статический) был предложен К. Каратеодори в 1909 г.[95]. 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 процессов[96], последователи К. Каратеодори — как теорию квазистатических процессов[95], а последователи Дж. У. Гиббса — как теорию равновесных состояний и процессов[97][98]. 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 синонимы[99]: всякий равновесный (квазистатический процесс) процесс является обратимым, и наоборот, любой обратимый процесс является равновесным (квазистатическим)[100][101][102].
↑Разные термодинамические переменные могут иметь для различных систем и процессов существенно разные времена релаксации. Пусть Z — та переменная, для которой время релаксации τmax имеет наибольшее значение (его и принимают за время релаксации всей системы) и которая в рассматриваемом процессе изменяется на величину ΔZ. Тогда процесс считают квазистатическим, если в каждый момент времени τ его скорость много меньше средней скорости изменения переменной Z при релаксации, то есть dZ/dτ << ΔZ/τmax[3].
↑Может показаться, что к квазистатическому процессу предъявляются взаимоисключающие требования: быть процессом и одновременно быть равновесием, то есть не быть процессом. «Отождествление движения с последовательностью смежных состояний покоя, во время которых движущееся тело находится в равновесии, на первый взгляд кажется абсурдным. Однако движение, составленное из неподвижных состояний, не более и не менее абсурдно, чем длина, составленная из лишенных протяжения точек, или чем время, составленное из не имеющих длительности мгновений» (оригинал[7], перевод[8]).
↑Замена постулата Клаузиуса его антитезой, физически абсурдной предпосылкой противоположного содержания, не отражается ни на существе получаемых с его помощью результатов, ни на способе их получения[9].
↑По вопросу о связи между обратимостью и квазистатичностью (равновесностью) у разных авторов нет единой точки зрения. Вот пример в точности противоположных утверждений двух признанных авторитетов по термодинамике: «квазистатический процесс может быть как обратимым, так и необратимым» (И. Дьярмати) и «любой квазистатический процесс обратим и наоборот» (П. Ландсберг)[10]. С И. Дьярмати солидарен Л. И. Седов: «…в ряде распространенных учебников авторы ”доказывают”, без специальных оговорок, неверное утверждение, что всякий равновесный процесс обратим»[11].
Алабовский А. Н., Недужий И. А. Техническая термодинамика и теплопередача. — 3-е изд., пераб. и доп. — Киев: Выща школа, 1990. — 256 с. — ISBN 5-11-001997-5.
Александров А. А. Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок. — М.: Издательский дом МЭИ, 2016. — 159 с. — ISBN 978-5-383-00961-1.
Александров Н. Е., Богданов А. И., Костин К. И. и др. Основы теории тепловых процессов и машин. Часть I / Под ред. Н. И. Прокопенко. — 5-е изд. (электронное). — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2015. — 561 с. — ISBN 978-5-9963-2612-9.
Алексеев Г. Н. Общая теплотехника. — М.: Высшая школа, 1980. — 552 с.
Алешкевич В. А. Молекулярная физика. — М.: Физматлит, 2016. — 308 с. — (Университетский курс общей физики). — ISBN 978-5-9221-1696-1.
Амерханов Р. А., Драганов Б. Х. Теплотехника. — 2-е изд., перераб и доп.. — М.: Энергоатомиздат, 2006. — 433 с. — ISBN 5-283-03245-0.
Аминов Л. К. Термодинамика и статистическая физика. Конспекты лекций и задачи. — Казань: Казанский университет, 2015. — 180 с.
Ансельм А. И. Основы статистической физики и термодинамики. — 2-е изд., стереотип. — СПб.: Лань, 2007. — 427 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — ISBN 978-5-8114-0756-9.
Арнольд Л. В., Михайловский Г. А., Селиверстов В. М. Техническая термодинамика и теплопередача. — 2-е изд., перераб. — М.: Высшая школа, 1979. — 445 с.
Афанасьев Б. Н., Акулова Ю. П. Физическая химия. — СПб.: Лань, 2012. — 464 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — ISBN 978-5-8114-1402-4.
Базаров И. П. Термодинамика. — 5-е изд. — СПб.: Лань, 2010. — 384 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — ISBN 978-5-8114-1003-3.
Байков В. И., Павлюкевич Н. В. Теплофизика. Термодинамика и статистическая физика. — Минск: Вышэйшая школа, 2018. — 448 с. — ISBN 978-985-06-2785-8.
Барилович B. A., Смирнов Ю. А. Основы технической термодинамики и теории тепло- и массообмена. — М.: Инфра-М, 2014. — 432 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — ISBN 978-5-16-005771-2.
Бармасов А. В., Холмогоров В. Е. Курс общей физики для природопользователей. Молекулярная физика и термодинамика. — СПб.: БХВ-Петербург, 2009. — 500 с. — (Учебная литература для вузов). — ISBN 978-5-94157-731-6.
Бахшиева Л. Т., Кондауров Б. П., Захарова А. А., Салтыкова В. С. Техническая термодинамика и теплотехника / Под ред. проф А. А. Захаровой. — 2-е изд., испр. — М.: Академия, 2008. — 272 с. — (Высшее профессиональное образование). — ISBN 978-5-7695-4999-1.
Белов Г. В. Термодинамика. Часть 2. — М.: Юрайт, 2016. — 249 с. — (Бакалавриат). — ISBN 978-5-9916-7252-8.
Белонучкин В. Е., Заикин Д. А., Ципенюк Ю. М. Основы физики. Том II. Квантовая и статистическая физика. Термодинамика / Под ред. Ю. М. Ципенюка. — 2-е изд, испр. — М.: Физматлит, 2007. — 608 с. — ISBN 978-5-9221-0754-9.
Беляев Н. М.Термодинамика. — Киев: Вища школа, 1987. — 344 с.
Борщевский А. Я. Физическая химия. Том 1 online. Общая и химическая термодинамика. — М.: Инфра-М, 2017. — 868 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — ISBN 978-5-16-104227-4.
Бурдаков В. П., Дзюбенко Б. В., Меснянкин С. Ю., Михайлова Т. В. Термодинамика. Часть 1. Основной курс. — М.: Дрофа, 2009. — 480 с. — (Высшее образование. Современный учебник). — ISBN 978-5-358-06031-9.
Бэр Г. Д. Техническая термодинамика. — М.: Мир, 1977. — 519 с.
Воронин Г. И. Основы термодинамики и теплопередачи. — М.: Оборонгиз, 1958. — 343 с.
Гельфер Я. М. История и методология термодинамики и статистической физики. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1981. — 536 с.
Глаголев К. В., Морозов А. Н. Физическая термодинамика. — 2-е изд., испр. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. — 270 с. — (Физика в техническом университете). — ISBN 978-5-7038-3026-0.
Глазов В. М. Основы физической химии. — М.: Высшая школа, 1981. — 456 с.
Горшков В. И., Кузнецов И. А. Основы физической химии. — 6-е изд. (электронное). — М.: Лаборатория знаний, 2017. — 408 с. — ISBN 978-5-00101-539-0.
Гухман А. А. Об основаниях термодинамики. — 2-е изд., испр. — М.: Изд-во ЛКИ, 2010. — 384 с. — ISBN 978-5-382-01105-9.
Де Бур Я. Введение в молекулярную физику и термодинамику. — М.: ИЛ, 1962. — 278 с.
Еремин В. В., Каргов С. И., Успенская И. А. и др. Основы физической химии. Часть 1. Теория. — 4-е изд. (электронное). — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. — 264 с. — (Учебник для высшей школы). — ISBN 978-5-9963-2919-9.
Ерофеев В. Л., Пряхин А. С., Семенов П. Д. Теплотехника. Том 1. Термодинамика и теория теплообмена / Под ред. В. Л. Ерофеева и А. С. Пряхина. — М.: Юрайт, 2017. — 309 с. — (Бакалавр и магистр. Академический курс). — ISBN 978-5-534-01738-0.
Залевски К. Феноменологическая и статистическая термодинамика: Краткий курс лекций / Пер. с польск. под. ред. Л. А. Серафимова. — М.: Мир, 1973. — 168 с.
Иродов И. Е. Физика макросистем. Основные законы. — 6-е изд. (электронное). — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. — 208 с. — (Технический университет. Общая физика). — ISBN 978-5-9963-2589-4.
Каратеодори К. Об основах термодинамики (рус.) // Развитие современной физики : Сборник статей под ред. Б. Г. Кузнецова. — 1964. — С. 188—222.
Квасников И. А. Молекулярная физика. — М.: Эдиториал УРСС, 2009. — 232 с. — ISBN 978-5-901006-37-2.
Квасников И. А. Термодинамика и статистическая физика. Т. 1: Теория равновесных систем: Термодинамика. — 2-е изд., сущ. перераб. и доп.. — М.: Едиториал УРСС, 2002. — 240 с. — ISBN 5-354-00077-7.
Кричевский И. Р. Понятия и основы термодинамики. — 2-е изд., пересмотр. и доп. — М.: Химия, 1970. — 440 с.
Круглов А. Б., Радовский И. С., Харитонов В. С. Руководство по технической термодинамике с примерами и задачами. — 2-е изд., пересмотр. и доп. — М.: НИЯУ МИФИ, 2012. — 156 с. — ISBN 978-5-7262-1694-2.
Кругляков П. М., Хаскова Т. Н. Физическая и коллоидная химия. — 3-е изд., испр. — М.: Высшая школа, 2010. — 320 с. — ISBN 978-5-06-006227-4.
Кушнырев В. И., Лебедев В. И., Павленко В. А. Техническая термодинамика и теплопередача. — М.: Стройиздат, 1986. — 464 с.
Ляшков В. И. Теоретические основы теплотехники. — М.: Курс; Инфра-М, 2015. — 328 с. — ISBN 978-5-905554-85-8, 978-5-16-0І0639-7.
Мещеряков А. С., Улыбин С. А.Термодинамика. Феноменологическая термомеханика. — М.: Химия, 1994. — 349 с. — (Для высшей школы). — ISBN 5-7245-0941-5.
Морачевский А. Г., Фирсова Е. Г. Физическая химия. Термодинамика химических реакций. — 2-е изд., испр. — СПб.: Лань, 2015. — 101 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — ISBN 978-5-8114-1858-9.
Московский С. Б. Курс статистической физики и термодинамики. — М.: Академический Проект; Фонд «Мир», 2005. — 317 с. — (Gaudeamus). — ISBN 5-8291-0616-7; 5-902357-33-0.
Пригожин И., Дефэй Р. Химическая термодинамика / Пер. с англ. под ред. В. А. Михайлова. — 2-е изд.. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2009. — 533 с. — (Классика и современность. Естествознание). — ISBN 978-5-9963-0201-7.
Рудой Ю. Г. Математическая структура равновесной термодинамики и статистической механики. — М.—Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2013. — 368 с. — ISBN 978-5-4344-0159-3.
Седов Л. И. Механика сплошной среды. Т. I. — 6-е изд., стер. — СПб.: Лань, 2004. — 528 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — ISBN 5-8114-0541-3.
Седов Л. И. Механика сплошной среды. Т. II. — 6-е изд., стер. — СПб.: Лань, 2004. — 560 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — ISBN 5-8114-0542-1.
Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 5-е изд., испр. — М.: Физматлит, 2005. — 544 с. — ISBN 5-9221-0601-5.
Франкфурт У. И. К истории аксиоматики термодинамики (рус.) // Развитие современной физики : Сборник статей под ред. Б. Г. Кузнецова. — 1964. — С. 257—292.
Хрусталев Б.М., Несенчук А.П., Романюк В.Н.Техническая термодинамика. В 2-х частях. Часть 1. — Минск: Технопринт, 2004. — 487 с. — (Бакалавр. Академический курс. Модуль). — ISBN 985-464-547-9.
Шачнева Е. Ю. Термодинамика в современной химии. — М.: Русайнс, 2016. — 210 с. — ISBN 978-54365-1386-7.
Ястржембский А. С. Техническая термодинамика : [Учебник для втузов]. — Москва ; Ленинград: Госэнергоиздат, 1953. — 544 с.