24. Термодинамические циклы. Цикл Карно. Технические циклы.

Круговой процесс (цикл) - это процесс, при котором система, пройдя ряд состояний, возвращается в исходное.

Рассмотрим газ (рабочее тело ), заключенный в сосуде с подвижным поршнем. Прямым циклом Карно называется обратимый круговой процесс, осуществляемым таким газом (рабочим телом), и цикл Карно состоит из четырех последовательных процессов (рис.11):

1.изотермическое расширение 12: газ находится в тепловом контакте и равновесии с нагревателем, имеющим температуру Т₁, так что от нагревателя газ получает количество теплоты Q₁ и изотермически (T₁=const) расширяется;

2.адиабатическое расширение 23;

3.изотермическое сжатие 34: газ находится в тепловом контакте и равновесии с холодильником, имеющим температуру Т₂ (T₁ > T₂), так что газ отдает холодильнику количество теплоты Q₂ и изотермически (T₂=const) сжимается;

4.адиабатическое сжатие 41: газ сжимается до начального состояния 1.

Работа, которую совершает газ в равновесном прямом цикле Карно A = А₁₂+А₂₃+А₃₄+А₄₁ = Q₁-Q₂,

т.е. работа, совершаемая рабочим телом в цикле Карно, меньше энергии, полученной от нагревателя на величину энергии, переданной холодильнику в форме теплоты . Рассчитав работы А₁₂, А₂₃, А₃₄ и А₄₁, можно показать, что термический КПД прямого равновесного цикла Карно h = A/Q₁ = (T₁-T₂)/T₁,

т.е. для прямого цикла Карно КПД определяется только температурами нагревателя и холодильника. Для повышения КПД необходимо увеличить разность температур нагревателя и холодильника.

25. Энтропия и её физический смысл. 2-ой закон термодинамики. Статическое толкование 2-го закона.

Формулировка 2-го закона: Вечный двигатель второго рода не возможен.

Энтропия порождается всеми процессами, она связана с потерей системы способности совершать работу. Рост энтропии - стихийный процесс. Если объем и энергия системы постоянны, то любое измение в системе увеличивает энтропию. Если же объем или энергия системы меняются, энтропия системы уменьшается. Однако, энтропия вселенной при этом не уменьшается.

Энтропия определяется как :

S = H / T, где S = энтропия (кДж/кг*К), H = энтальпия (кДж/кг), T = абсолютная температура (K)

Энтропия обладает аддитивным свойством - энтропия системы равна сумме энтропий тел, входящих в систему. Свойством аддитивности обладает также внутренняя энергия, масса, объем. Свойством аддитивности не обладают температура и давление.

В статистической физике энтропия связывается с термодинамической вероятностью состояния системы. Термодинамическая вероятность W системы - это число способов, которыми может быть реализовано данное макросостояние макроскопической системы (число микросостояний, осуществляющих данное макросостояние, т.е. W  1 и термодинамическая вероятность не есть вероятность в математическом смысле, т.к. последняя 1). Согласно гипотезе Больцмана S = klnW, т.е. энтропия есть логарифм числа микросостояний, с помощью которых может быть реализовано данное макросостояние (k - постоянная Больцмана).

26. 3-й закон термодинамики. Связь энтропии и вероятности состояния системы. Формула Больцмана.

3-й закон термодинамики гласит: Теорема Нернста: энтропия любой равновесной системы при абсолютном нуле температуры всегда равна нулю.

Формула Больцмана:

S=k*ln(P), k = R/N = 1,38*10^-23 Дж/К,(1)

где k - фундаментальная мировая постоянная Больцмана; R = 8,31 Дж/(моль*К) - молярная газовая постоянная; N = 6,06*10²³ моль^-1 - число Авогадро; Р - статистический вес: число способов осуществления данного состояния.

Параметр S - энтропия - служит мерой рассеяния энергии Вселенной, а Р - характеризует любые самопроизвольные изменения, эта величина относится к миру атомов, определяющих скрытый механизм изменения

Следовательно, энтропия является мерой неупорядоченности системы: чем больше число микросостояний, реализующих данное макросостояние, тем больше энтропия. В состоянии равновесия - наиболее вероятного состояния системы - число микросостояний максимально, при этом максимальна и энтропия.

Энтропия замкнутой системы может либо возрастать (для необратимых процессов), либо оставаться постоянной(для обратимых процессов).