Питання для самоконтролю

1. Які умови рівноважності стану термодинамічної системи?

2. Наведіть приклад нерівноважного процесу.

3. Що являють собою оборотні та необоротні процеси? Назвіть приклади цих процесів?

4. Які процеси найбільш близькі до оборотних при виробництві холоду?

5. Суть кругових процесів та значення калоричних параметрів у цих процесах?

6. У чому полягає фізичний зміст ентальпії і ентропії?

Лекція 4. Другий закон термодинаміки. Цикл карно

4.1 Другий початок термодинаміки

По першому закону неможливі термодинамічні процеси, у яких вироблялася б або знищувалася енергія. Можливі тільки перетворення одних форм енергії в інші при дотриманні кількісної сторони процесу. Для цих енергетичних перетворень завжди справедливі балансові рівняння першого закону. Однак з таких рівнянь не слідчить, чи можливо взагалі те або інше перетворення енергії. Це визначає другий закон, що узагальнює досвідчені дані про напрямок протікання термодинамічних процесів.

Другий закон термодинаміки був сформульований у вигляді принципу необоротності: всі природні процеси необоротні. Це означає, що в природі немає процесів, які можна було б повністю звернути. Зокрема, було встановлено, що деякі процеси й пов’язані з ними перетворення енергії можливі тільки в одному напрямку. Так, з життєвого досвіду ви знаєте, що мимовільно теплота може передаватися тільки від речовини більш нагрітої до речовини менш нагрітої, зворотний перехід теплоти неможливий.

Накладаючи обмеження на всі процеси, другий закон лімітує також і пов’язані з ними перетворення енергії: не всяка енергія може бути повністю перетворена в будь-яку іншу форму енергії.

Умови, за яких може відбуватися перетворення теплоти в роботу, і фактори, що впливають на ефективність теплової машини, уперше встановив Саді Карно. Міркуючи про рушійну силу вогню й про машини, здатні розвивати цю силу, він виклав теорію, яку згодом стали називати другим початком термодинаміки або “принципом Карно”[19].

О сновна ідея Карно полягає в тому, що теплова (холодильна) машина виконує роботу не за рахунок поглинання тепла, а завдяки передачі тепла від гарячого тіла до холодного, тому неможливо використати тепло, не маючи холодного тіла, подібно тому, як вода повинна падати з високого резервуара в низький. Отже, для виробництва роботи тепловою машиною необхідні принаймні два джерела теплоти з різними температурами. Вустами Карно це звучить так: “Для одержання з теплоти роботи необхідно мати різницю температур”.

Ґрунтуючись на роботі Карно, Томсон і Клаузіус сформулювали другий закон термодинаміки, що в узагальненому виді звучить так: “Для того, щоб працювала періодично діюча машина, необхідно мати як мінімум два джерела теплоти різної температури. Причому в роботу перетворюється лише частина тепла, що забирається з високо температурного джерела, інша частина тепла повинна бути передана низькотемпературному джерелу”[20].

Н аочно суть другого закону термоди- q₁

н аміки можна проілюструвати наступним дослідом (рис. 4.1) На нагріту піщану основу А ставить- ся хімічна склянка В із шаром аніліну С на В Д дні та з невеликим шаром води зверху. Внаслідок значного теплового розширен- С ня, анілін (одержавши теплоту q₁) стає лег- ше води й спливає на її поверхню у вигля- А ді великої краплі. Стикаючись із повітрям, анілін охолоджується, гублячи теплоту q₂. q₂ Питома вага аніліну збільшується і він Рис.4.1. До другого закону

опускається на дно склянки, де знову наг- термодинаміки. рівається, після чого спливає на поверхню

і так далі.

Цей дослід демонструє роботу своєрідного теплового двигуна. З досліду видно, що в будь якій ділянці кругового (замкненого) процесу до тіла повинне бути підведене тепло q₁, частина якого q₂ має бути відведена в зовнішнє середовище до певного холодильника.

Таким чином, тепловий двигун може безупинно працювати за умови безповоротного поглинання тепла холодильником. Необхідно створити умови, при яких робоче тіло щоразу, зробивши певну роботу, поверталося б у вихідний стан, щоб потім знову виконувати таку ж роботу.

Другий початок термодинаміки поклав кінець мріям про вічний двигун другого роду.

Тепловий двигун, за допомогою якого можна було б повністю перетворювати в роботу теплоту, отриману від будь якого тіла, і таким шляхом, щоб тілам з меншою температурою, що беруть участь у процесі, не передавалася частина теплоти, називають, за пропозицією Освальда, вічним двигуном другого роду.

За допомогою вічного двигуна другого роду можна було б одержувати роботу за рахунок охолодження одного тіла (тобто єдиного джерела теплоти) без того, щоб частина відданої джерелом теплоти переходила до інших тіл. Та частина теплоти, що передається від джерела теплоти іншим тілам у процесі перетворення теплоти в роботу, являє собою, так званий, компенсаційний ефект або просто компенсацію. У цьому розумінні вічний двигун другого роду можна розглядати як безкомпенсаційний.

У зв’язку з введенням поняття про вічний двигун другого роду, другий початок термодинаміки можна, згідно Томсону, сформулювати в такий спосіб: не можна створити тепловий двигун, єдиним результатом дії якого було б перетворення теплоти будь якого тіла в роботу, без того, щоб частина цієї теплоти передавалася іншим тілам; інакше кажучи, вічний двигун другого роду неможливий.

З вище сказаного зрозуміло, що для того, щоб безупинно виконувати роботу за рахунок перетворення тепла, потрібно мати щонайменше два тіла з різними температурами й щоразу повертати робоче тіло у вихідний стан.