Второе начало термодинамики

Не все не противоречащие закону сохранения энергии процессы, могут происходить в реальности. Причины, по которым процесс может идти в одном направлении и не может в другом, объясняет II начало термодинамики, для которого есть несколько формулировок.

1. Клаузиус (1850): невозможен самопроизвольный переход тепла от менее к более нагретому телу, или невозможны процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от менее нагретого тела к более нагретому.

Работа обычного холодильника не противоречит этому утверждению, так как для его работы требуется еще энергия извне (электрическая). Поэтому понижение температуры внутри холодильника и повышение её снаружи не является единственным результатом работы холодильника. Не включенный в сеть холодильник, как известно, не работает.

2. Кельвин (1851): невозможны процессы, единственным конечным результатом которых было бы превращение тепла целиком в работу.

Пример. Пусть газ изотермически расширился. Внутренняя энергия не изменилась, так как температура осталось прежней, а все полученное тепло перешло в работу. Однако это не единственный результат: в частности, изменился объем. М ожно показать, что формулировки 1. и 2. эквивалентны: из первой следует вторая и наоборот. Если бы не второе начало, можно было бы легко решить энергетические проблемы – построить двигатель, который отнимал бы тепло из океанов и целиком превращал его в работу (перпетуум-мобиле II-го рода). Это позволяет перефразировать формулировку Кельвина так: перпетуум-мобиле II-го рода невозможен, или невозможно создать тепловой двигатель с КПД =1.

Коэффициент полезного действия тепловой машины (КПД). Любой тепловой двигатель работает по замкнутому циклу (рис.14). Если процесс совершается по часовой стрелке, то работа за цикл положительна. Если на каких-то этапах рабочему телу (газу) сообщается тепло Q₁ , то, чтобы вернуться в исходное состояние газ должен на других участках цикла отдать холодильнику тепло Q₂. По I началу термодинамики приращение внутренней энергии за цикл = 0, так как система вернулась в исходное состояние, а внутренняя энергия есть функция состояния. Поэтому, работа за цикл А= Q₁- Q₂. КПД теплового двигателя определяется как отношение полезной работы А к полученному теплу Q₁, 

 = . (51)

 =1 запрещено II-м началом термодинамики. Опыт также показывает, что  <1.

Билет №8

Адиабата - линия на термодинамической диаграмме, изображающая процесс, при котором система не получает и не отдаёт тепловой энергии

Постоянная адиабаты – это = = . Молярные теплоемкости и можно выразить через : ; . Можно также получить удобное выражение для внутренней энергии: , где число молей , а U_=C_VT,  = . Выражение в скобках – это правая часть уравнения Клапейрона-Менделеева (2), 

. (16)

Адиабатический процесс – это процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой. Поэтому первое начало (7) будет выглядеть так: . Подставим U из (16):

, или ,  ,  . Разделим на , , и преобразуем  . Левая часть – это сумма дифференциалов логарифмов,  ,  , 

. (17)

Э то и есть уравнение адиабаты, называемое еще уравнением Пуассона. Пользуясь уравнением состояния, уравнение адиабаты можно представить в другом виде: . В адиабатическом процессе молярная теплоемкость равна нулю, т.к. нет теплообмена. Из уравнения видно, что >1, поэтому адиабата (кривая 2 на рис.6) идет круче изотермы (pV=const, кривая 1).

Изопроцессы — термодинамические процессы, во время которых масса и ещё одна из физических величин — параметров состояния: давление, объём или температура — остаётся неизменной. Так , неизменному давлению соответствует изобарный процесс, объёму — изохорный, температуре — изотермический, энтропии — адиабатический.

Изобарный процесс — процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении (P = const)

Изохорный процесс— процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объёме (V = const). Для идеальных газов изохорический процесс описывается законом Шарля: для данной массы газа при постоянном объеме, давление прямопропорционально температуре. Линия, изображающая изохорный процесс на диаграмме, называется изохорой.

Изотермический процесс — процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре (T = const). Изотермический процесс описывается законом Бойля — Мариотта:

PV = const

Цикл Карно — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно.

Цикл в термодинамике - процесс, при котором физическая система (например, пар), претерпев ряд изменений, возвращается в исходное состояние. Термодинамические параметры и характеристические функции состояния системы (температура Т, давление р, объём V, внутренняя энергия U, энтропия S и др.) в конце кругового процесса вновь принимают первоначальное значение и, следовательно, их изменения при круговом процессе равны нулю (DU = 0 и т. д.