Второй закон термодинамики
I закон термодинамики является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым процессам. I закон термодинамики утверждает, что теплота может превращаться в работу, а работа в теплоту; однако I закон не устанавливает условий, при которых возможны эти превращения. Повседневные наблюдения и опыты показывают, что теплота сама собой (самопроизвольно) может переходить только от нагретых тел к более холодным. Такой переход теплоты будет, осуществляться до полного температурного равновесия. Только за счет затраты работы можно изменить направление теплопереноса. Это свойство теплоты резко отличает ее от работы. Работа может полностью превращаться в теплоту. Процессы перехода работы в теплоту в природе происходят непрерывно, вследствие трения, удара, торможения и т.п. Совершенно иначе ведет себя теплота, например, в тепловых машинах. Превращение теплоты в работу происходит только при наличии разности температур между горячим и холодным источниками теплоты. При этом не вся теплота может быть превращена в работу. Следовательно, между преобразованиями теплоты в работу и обратно – работы в теплоту, существует глубокое различие. Закон, позволяющий указать направления теплового потока, устанавливающий условия, при которых возможно превращение теплоты в работу в тепловых машинах, представляет собой новый закон, полученный из опыта. Этот закон получил название второго закона термодинамики. II закон термодинамики нашел применение в физике, химии, астрономии и других науках. Рассмотрим процесс взаимного преобразования тепла в механическую энергию. Каждый термодинамический процесс следует рассматривать, как процесс трансформации тепловой энергии в механическую и обратно – механической в тепловую. Тепловая машина должна иметь конечные размеры и работать длительно и непрерывно.
Конечные размеры машины требуют ограничения процесса расширения. В процессе расширения l-4-2, за счет подведенного к рабочему телу тепла по I закону термодинамики, получена работа l 1, определяемая площадью 1-4-2-в-а. Для того, чтобы тепловая машина работала длительно и непрерывно, необходимо рабочее тело вернуть в исходное состояние с помощь процесса, противоположного процессу расширения, т.е. с помощью процесса сжатия – таким образом осуществлен цикл. Следовательно, тепловая машина должна работать циклично. Для анализа можно выбрать один из бесчисленного числа циклов, которые могут совершаться в тепловой машине. Процесс возвращения рабочего тела в исходное состояние может быть осуществлен тремя путями (рис. 14): 1) Кривая сжатия 2-4-1 совпадает с кривой расширения. 2) Кривая сжатая 2-5-1 располагается ниже кривой расширения. 3) Кривая сжатия 2-3-1 располагается выше кривой расширения В результате сжатия по кривой 2-4-1 затрачивается работа, равная работе расширения – суммарный эффект равен нуля. Рассмотрение этого случая не представляет интереса. Рассмотрим вначале случая, при котором кривая сжатия расположена ниже кривой расширения. При сжатии затрачивается работа l 2, определяемая площадью 2-5-1-а-в, при этом в соответствии с I законом термодинамики отводится тепло q 2. В результате осуществления такого цикла получена положительная работа l = l 1 – l 2, определяемая площадью цикла 1-4-2-5-1, следовательно: q1 – q 2 = D U + l. Изменение внутренней энергии рабочего тела в цикле равно нулю. В работу можно превратить теплоту, равную q 1 – q 2 = l.
Из рассмотрения цикла следует: 1) Для осуществления цикла необходимо иметь два источника теплоты: горячий и холодный. Следовательно, цикл может быть осуществлен только при наличии разности температур источников теплоты. 2) Невозможно всю подведенную теплоту q 1 превратить в работу, часть ее, равную q 2 необходимо отвести холодному источнику тепла. 3) В результате осуществления цикла по часовой стрелке получим положительную работу, равную площади цикла. Такие циклы являются циклами тепловых двигателей и называются прямыми. 4) Степень использования теплоты в прямом цикле может быть оценена термическим коэффициентом полезного действия, предоставляющим отношение полезно использованной теплоты к затраченной
Рассмотрим третий случая (рис. 17) – кривая сжатия лежит выше кривой расширения. В результате осуществления процесса расширения 1-4-2 произведена рабочим телом работа, выражаемая площадью 1-4-2-в-а. Эта работа в соответствии с I законом термодинамики получена за счет подведенного к рабочему телу тепла q 2 от холодного источника теплоты. В результате осуществления процесса сжатия 2-3-1 затрачена работа на сжатие рабочего тела, выражаемая площадью 2-3-1-а-в, при этом от рабочего тела к горячему источнику отвести тепло q 1.
Из рассмотрения цикла следует. 1) Для осуществления цикла необходимо иметь 2 источника теплоты: горячий и холодный. Цикл может быть осуществлен при наличии разности температур источников теплоты. 2) В результате выполнения такого цикла осуществляется переход теплоты от холодного источника к горячему. Такой переход теплоты возможен только при затрате работы. 3) Для осуществления цикла следует затратить работу, равную площади цикла 1-4-2-3. Циклы, осуществляемые против часовой стрелки, являются циклами холодильных машин и называются обратными. 4) Характеристикой обратного цикла служит холодильный коэффициент, представляющий собой отношение количества тепла, заимствованного из холодного источника теплоты (холодопроизводительность) q 2 к работе цикла:
Рассмотренные циклы по сути выражают содержание II закона термодинамики, который сообщает особенности теплоты, проявляющиеся при ее передаче и превращении Рассмотрим некоторые формулировки II закона термодинамики: 1) Формулировка Кельвина Невозможно превращать длительно в работу теплоту, не производя никакого другого действия, кроме охлаждения тела. 2) Формулировка Освальда Невозможно создание вечного двигателя II рода. Вечный двигатель II рода – это тепловой двигатель, использующий только один источник теплоты. 3) Формулировка Клаузиуса Невозможен перевод теплоты от холодного источника к горячему самопроизвольно, без компенсации. Где под компенсацией понимают работу, затраченную на осуществление цикла.
|
.
.
