Квазистатический процесс


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].