Напомним, что в случае равновесного процесса система проходит через непрерывную последовательность равновесных состояний. При этом имеется возможность изменять состояние системы (за счет внешнего воздействия) в любом направлении, в том числе в обратном. Через ту же самую последовательность состояний можно вернуться и в исходное состояние. Поэтому говорят, что равновесный процесс обратим.
Напротив, неравновесные процессы невозможно провести в обратном направлении через прежнюю последовательность состояний. Например, процесс горения спички завершается окислением углеводородов до воды и углекислого газа. Выделяющееся при этом тепло рассеивается в окружающее пространство. Ясно, что в обратном направлении этот процесс невозможно провести, начиная со сбора рассеянной энергии и кончая восстановлением волокон древесины. Горение – типичный неравновесный и необратимый процесс. В дальнейшем мы всегда будем обращать внимание на равновесность/неравновесность или обратимость/необратимость процессов.
Частным случаем обратимых процессов являются такие, при которых система возвращается в исходное состояние. Подобные процессы будем называть круговыми процессами (или циклами). Соответственно, некруговым назовем такой равновесный процесс, при котором не происходит возвращение к исходным параметрам состояния.
Все реальные процессы неравновесные и необратимые, и рассмотрение равновесных (обратимых) процессов является необходимой для физического анализа идеализацией физической ситуации.
Круговым процессом (или циклом) называется процесс, при котором система, проходя через ряд состояний, возвращается в первоначальное. На диаграмме цикл изображается замкнутой кривой (рис. 1). Цикл, который совершает идеальный газ, можно разбить на процессы расширения (1—2) и сжатия (2—1) газа. Работа расширения (равна площади фигуры 1a2V2V11) положительна (dV>0), работа сжатия (равна площади фигуры 2b1V1V22) отрицательна (dV<0). Следовательно, работа, которую совершает газ за цикл, равен площади, охватываемой замкнутой кривой. Если за цикл совершается положительная работа A=∫pdV>0 (цикл идет по часовой стрелке), то он называется прямым (рис. 1, а), если за цикл осуществляется отрицательная работа A=∫pdV<0 (цикл идет против часовой стрелки), то он называется обратным (рис. 1, б).
Рис.1
Прямой цикл применяется в тепловых двигателях — периодически действующих двигателях, которые совершают работу за счет полученной извне теплоты. Обратный цикл применяется в холодильных машинах — периодически действующих установках, в которых за счет работы внешних сил теплота переходит к телу с более высокой температурой.
В результате кругового процесса система возвращается в исходное состояние и, значит, полное изменение внутренней энергии газа есть нуль. Поэтому первое начало термодинамики для кругового процесса 
(1)
т. е. работа, которая совершается за цикл, равна количеству теплоты, полученной извне. Однако в результате кругового процесса система может теплоту как получать, так и отдавать, поэтому 
где Q1 — количество теплоты, которая получила система, Q2 — количество теплоты, которое отдала система. Поэтому термический коэффициент полезного действия для кругового процесса 
(2)
Термодинамический процесс называется обратимым, если он может осуществляться как в прямом, так и в обратном направлении, причем если такой процесс осуществляется сначала в прямом, а затем в обратном направлении и система возвращается в первоначальное состояние, то в окружающей среда и в этой системе не происходит никаких изменений. Всякий процесс, не удовлетворяющий этим условиям, является необратимым.
Любой равновесный процесс является обратимым. Обратимость равновесного процесса, который происходит в системе, следует из того, что любое промежуточное состояние является состоянием термодинамического равновесия; для него не имеет значения, идет процесс в прямом или обратном направлении. Реальные процессы также сопровождаются диссипацией энергии (из-за трения, теплопроводности и т. д.), которая здесь нами не обсуждается. Обратимые процессы — это идеализация реальных процессов. Их исследование важно по двум причинам: 1) многие процессы в природе и технике практически обратимы; 2) обратимые процессы являются наиболее экономичными; имеют максимальный термический коэффициент полезного действия (КПД), что позволяет указать пути повышения КПД реальных тепловых двигателей.
13.1. Обратимые и необратимые процессы
Обратимым процессом называется такой процесс, который
может быть проведен в обратном направлении таким образом, чтосистема будет проходить через те же промежуточные состояния, чтои при прямом ходе. Таким образом, при возвращении системы в ис-ходное состояние в окружающих телах не происходит каких-либоизменений. При наличии изменений процесс называется необрати-мым. Всякий равновесный процесс обратим, так как он состоит изнепрерывной последовательности равновесных состояний, которыемогут следовать друг за другом, как в прямом, так и в обратном на-правлении. Все реальные процессы, происходящие в природе, необ-ратимы. Поэтому понятие об обратимом процессе является лишьудобной идеализацией реальных процессов, что позволяет в рядеслучаев упростить решение той или иной конкретной задачи. Круговым процессом (или циклом) называется такой про-цесс, при котором система после ряда изменений возвращается висходное состояние. Рассмотрим обратимый круговой процесс 1a2b1, изобра-женный на рис. 13.1. Работа, совершаемая идеальным газом научастке 1a2, положительна и численно равна площади криволи-нейной трапеции 1а234 (она выведена на рисунке левой штри- аховкой). Работа на участке 2b1 отрицательна и равна 1b234 (пра-вая штриховка на рисунке). Поэтому работа за цикл численноравна площади, охватываемой кривой 1a2b1, и будет положи-тельной при прямом обходе (по часовой стрелке) и отрицатель- бной при обратном переходе. 36 Рис.13.1 После совершения цикла система возвращается в исходноесостояние. Поэтому всякая функция состояния, в частности,внутренняя энергия, имеет в начале и конце цикла одинаковыезначения (ΔU = 0) . Следовательно, работа в цикле может совер-шаться только за счет внешних источников, подводящих рабоче-му телу теплоту. Круговые процессы лежат в основе всех тепловых машин:двигателей внутреннего сгорания, турбин, холодильников и т.д. 13.2. Тепловые и холодильные машины Периодически действующий двигатель, совершающий работуза счет получаемого извне тепла, называется тепловой машиной. Различают прямой цикл тепловой машины и обратный цикл(холодильная машина). При прямом цикле идеальный газ на уча-стке расширения 1a2 (рис.13.1) совершает работу А1 за счет под-водимой к нему извне теплоты Q1 от внешнего источника, назы-ваемого нагревателем. На участке 2b1 над газом совершается ра-бота сжатия A2 и от него отбирается количество теплоты Q2 , ко-торое сообщается холодильнику. Полная работа А за цикл со-гласно первому началу термодинамики имеет вид: A = A1 − A2 = Q1 − Q2 . (13.1) Чем большая часть полученного извне тепла Q1 переходит вработу А, тем эта машина выгоднее. Поэтому тепловую машинупринято характеризовать при помощи КПД – коэффициента по- 37лезного действия η . С учетом (13.1): A Q1 − Q2 η= = . (13.2) Q1 Q1КПД тепловой машины равен отношению количества теплоты,превращенного в работу, к количеству теплоты, полученному отнагревателя. Из определения следует, что η < 1 . При обратном цикле идеальный газ отбирает от холодиль-ника некоторое количество теплоты Q2 и отдает нагревателюбольшее количество теплоты Q1 за счет работы внешних сил,производящих сжатие газа. В заключение отметим, что изолированная система в целомне может совершить круговой процесс, так как для этого требует-ся участие внешних сил и источников теплоты. Круговой процессможет проходить в части изолированной системы. При этом дру-гие части системы будут являться источниками теплоты. 13.3. Цикл Карно. КПД для идеального газа Любой тепловой двигатель состоит из трех основных эле-ментов: рабочего тела, нагревателя и холодильника. Рабочим те-лом служит обычно какой –либо газ, за счет расширения которо-го совершается работа. Цикл, состоящий из двух изотермических и двух адиабати-ческих процессов, называется циклом Карно. Определим егоКПД, пользуясь формулой (13.2), считая полезную работу А рав-ной сумме всех работ, выполненных на различных участках цик-ла. На участке 1-2 (рис. 13.2) рабочее тело соединено с нагревате-лем, и происходит изотермическое расширение идеального газаот объема V1 до объема V2 при температуре T1 нагревателя. Попервому началу термодинамики для изотермического процесса(12.11) работа A12 = Q1 - количеству теплоты, сообщенного газунагревателем. На участке 2-3 рабочее тело отсоединяется от на-гревателя и совершает адиабатическое расширение от объема V2до объема V3 . На участке 3 - 4 рабочее тело подключается к холо-дильнику с температурой T2 < T1 и осуществляется процесс изо-термического сжатия за счет работы внешних сил A34 , равных 38Q2 - теплоте, передаваемой холодильнику. Рис.13.2 Наконец, на участке 4 –1 рабочее тело отключается от холо-дильника и, в процессе адиабатического сжатия, нагревается доисходной температуры T1 . Пользуясь выражением (12.21) для ра-боты при адиабатическом процессе можно показать,что A23 = − A41. Тогда работа, совершаемая за цикл: A = A12 + A23 + A34 + A41 = A12 + A34 .Подставляя в (13.2) выражения для работы идеального газа приизотермическом процессе (11.8) на участках 1 – 2 и 3 – 4, имеемдля КПД цикла Карно: m V m V RT1 ln 2 + RT2 ln 4 μ V1 μ V3 η= . m V2 RT1 ln μ V1Из уравнений адиабаты для участков 2–3 и 4–1 следует, чтоV2 V1 = V3 V4 , поэтому после сокращения: T −T η= 1 2. (13.3) T1 У реальных тепловых машин существуют потери теплоты,которые связаны с наличием трения (Qтрения ) и с теплообменом сокружающей средой (Qтепл. ) . Поэтому полная работа А реальнойтепловой машины меньше, чем в случае обратимого процесса.КПД реальной машины по этой причине всегда меньше КПДидеальной тепловой машины: 39 Q1 − Q2 T1 − T2 η= < . (13.4) Q1 T1