Тепловые двигатели и холодильные машины. Цикл Карно и его КПД для идеального газа
Из формулировки второго начала термодинамики по Кельвину следует, что вечный двигатель второго рода - периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет охлаждения одного источника теплоты, - невозможен. Для иллюстрации этого положения рассмотрим работу теплового двигателя (исторически второе начало термодинамики и возникло из анализа работы тепловых двигателей).
Принцип действия теплового двигателя приведен на рис.85. От термостата с более высокой температурой Т 1,называемого нагревателем,за цикл отнимается количество теплоты Q 1, а термостату с более низкой температурой T 2,называемому холодильником,за цикл передается количество теплоты Q 2, при этом совершается работа A = Q 1 - Q 2.
Чтобы термический коэффициент полезного действия теплового двигателя был h=1, должно быть выполнено условие Q 2=0, т. е. тепловой двигатель должен иметь один источник теплоты, а это невозможно. Так, французский физик и инженер Н.Л.С.Карно (1796-1832) показал, что для работы теплового двигателя необходимо не менее двух источников теплоты с различными температурами, иначе это противоречило бы второму началу термодинамики.
Двигатель второго рода, будь он возможен, был бы практически вечным. Охлаждение, например, воды океанов на 1° дало бы огромную энергию. Масса воды в мировом океане составляет примерно 1018 т, при охлаждении которой на 1° выделилось бы примерно 1024 Дж теплоты, что эквивалентно полному сжиганию 1014 т угля. Железнодорожный состав, нагруженный этим количеством угля, растянулся бы на расстояние 1010 км, что приблизительно совпадает с размерами Солнечной системы! Процесс, обратный происходящему в тепловом двигателе, используется в холодильной машине, принцип действия которой представлен на рис.86. Системой за цикл от термостата с более низкой температурой T 2отнимается количество теплоты Q 2 и отдается термостату с более высокой температурой Т 1количество теплоты Q 1. Для кругового процесса Q=A, но, по условию, Q 1= Q 2 - Q 1<0, поэтому A <0 и Q 2 - Q 1= - А, или Q 1= Q 2+ A, т. е. количество теплоты Q 1, отданное системой источнику теплоты при более высокой температуре Т 1,больше количества теплоты Q 2, полученного от источника теплоты при более низкой температуре T 2, на величину работы, совершенной над системой. Следовательно, без совершения работы нельзя отбирать теплоту от менее нагретого тела и отдавать ее более нагретому. Это утверждение есть не что иное, как второе начало термодинамики в формулировке Клаузиуса. Однако второе начало термодинамики не следует представлять так, что оно совсем запрещает переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. Ведь именно такой переход осуществляется в холодильной машине. Но при этом надо помнить, что внешние силы совершают работу над системой, т. е. этот переход не является единственным результатом процесса.
