Термодинамиканың екінші бастамасы

Термодинамиканың екінші бастамасы жылу машиналарының жұмыс істеу принциптерін байқаудан қалыптасты. Сондықтан осы жылу машинасының схемасын қарастырайық.

 

Сонда температурасы жоғары жылу көзінен бір циклде алынатын жылу мөлшері жұмыстық денеге беріліп, А жұмыс өндіріледі. Ал жылу мөлшерінің бір бөлігі суытқышқа беріліп отырады: Сөйтіп, жылу двигателінде өндірілген жұмыс: . Практикалық тұрғыдан қарағанда өндірілген А жұмыс қыздырғыштан алынған жылу мөлшерінің қандай бөлігі екенінің үлкен маңызы бар.

Жылу машинасының термиялық п.ә.к. болуы үшін = 0 шарты орындалуы керек, яғни берілген жылу мөлшерінің көп бөлігі жұмысқа айналса, машинаның соғұрлым тиімді болатыны анық. Сөйтіп, жылу машинасы тек қыздырғыштан алынған жылу мөлшері арқылы жұмыс өндірер еді, ал бұл мүмкін емес. Француз инженері с. Карно (1796 - 1832) 1824 жылы жылу машинасының жұмыс істеуі үшін міндетті түрде температурасы әр түрлі екі жылу көзі болуы керек екеніні дәлелдеді.

Осы пікірді кейінірек 1851 ж. Клаузиус пен Томсон дамытып, мынадай принцип түрінде тұжырымдады: нәтижесі бір жылу көзінен алынған жылу мөлшері есебінен тек жұмыс өндіру ғана болып табылатын периодты процесті жүзеге асыруға болмайды, яғни жылу көзінен жұмыстың денеге берілген жылу мөлшері толық А жұмысқа айналатын () машина жасау мүмкін емес. Бұл принцип термодинамиканың екінші бастамасы деп аталады. Осыдан туындайтын қорытынды екінші түрдегі перпетуум мобиле жасау мүмкін емес.

Термодинамиканың екінші бастамасы өтіп жатқан процестің бағытын анықтайтындықтан, термодинамиканың екінші бастамасы процесс энергиясының бір түрден екінші түрге ауыспайтынын көрсетеді. Қайтымсыз процесс – кері процестің ықтималдығы өте аз процесі. Тұйықталған жүйеде процестердің барлығы да жүйе күйінің ықтималдығы артатын жаққа қарай бағытталып өтеді.

Термодинамиканың екінші бастамасын білдіретін заңдылықтың статистикалық сипаты бар екен. Процестердің қайтымсыздығы жөніндегі ұғымды тек макроскопиялық денелерге ғана, яғни көп молекулалардан құралған денелерге ғана қолдануға болады.

Карно циклі. Жылу машинасының пайдалы әсер коэффициенті (п.ә.к.)

Термодинамиканың екінші бастамасына сүйене отырып, Карно мынадай теорема қортып шығарды: барлық периодты түрде жұмыс істейтін жылу машиналарының ішіндегі ең тиімдісі – қыздырғыш пен суытқыштың температуралары бірдей және п.ә.к. жоғары қайтымды машиналар. Олардың п.ә.к. машинаның конструкциясына тәуелді емес. Карно зерттеген циклдер өте тиімді, әрі үнемді тқйық процесс болып есептеледі. Бұл цикл екі изотерма мен екі адиабатадан құралатын қайтымды тұйық процесс. Циклді жүзеге асыру үшін, жұмыстық дене термиялық түрде ұлғайғанда оған тиісті мөлшерде жылу беріп тұратын қыздырғыш және жұмыстық дене изотермалық түрде сығылғанда онан тиісті мөлшерде жылу алатын суытқыш болу қажет. Жұмыстық заттың ұлғайғанда өндіретін жұмысы оң (A > 0), ал сығылғанда өндіретін жұмысы теріс (A < 0) болады.

Карноның тура циклін қарастырайық: жұмысшы дене орнына идеал газ қолданады. Карно циклындағы термодинамикалық процестер: 1 – изотерма – 2 – адиабата – 3 – изотерма – 4 – адиабата – 1:

 

Изотермиялық ұлғаю 1 – 2 T = const;	ln
Адиабаталық ұлғаю 2 – 3
Изотермиялық қысылу 3 – 4 T = const;	ln
Адиабаталық қысылу

 

Айналым процесіндегі жұмыс:

2 -3 және 4 – 1 адиабат үшін Пуассон теңдеуі: бұдан, .

Осыны пайдалана отырып, Карно циклындағы термодинамикалық ПӘК – ты табамыз:

Сонымен, идеал газға арналған Карно циклінің п.ә.к. тек қыздырғыш пен суытқыш температурасына байланысты. Карноның бұл қарастырған тура циклі идеал түрдегі жылу машинасы болып табылады. Толық бір цикл өткенде газдың өндіретін жұмысы:

(6.22)

Әдетте қыздырғыштың температурасы суытқыштың температурасы - ден әлдеқайда көбірек болса ғана, >> , п.ә.к. мәні көп болады. Егер = 0 болса, онда .

 

 

 

Карно циклі қайтымды болғандықтан, оны керісінше жүргізуге де болады (3 -сурет). Карноның мұндай кері циклі идеал түрдегі суытқыш машина болып табылады. Оның беретін жылу мөлшерін мына формула арқылы есептеп табуға болады:

(6.23)

 

Сөйтіп, Карноның тұжырымдауынша термодинамиканың екінші бастамасына былайша анықтама беруге болады: еш уақытта суығырақ денеден ыстығырақ денеге жұмыс өндірілмей жылу мөлшерінің берілуі мүмкін емес.