Теоретичні відомості

Термодинаміка – це наука про теплові явища. Її висновки спираються на сукупність дослідних фактів і не залежать від наших знань про внутрішню будову речовини, хоча в цілому ряді випадків термодинаміка використовує молекулярно-кінетичні моделі для ілюстрації своїх висновків.

Систему, яка складається з макроскопічних тіл і полів, які можуть обмінюватися енергією як між собою, так і з зовнішніми тілами і полями (із зовнішнім середовищем) називають термодинамічною системою.

Термодинаміка розглядає ізольовані системи тіл, що знаходяться в стані термодинамічної рівноваги. Ізольованою (замкнутою) системою в термодинаміці вважають систему, яка не обмінюється енергією із зовнішнім середовищем.

Якщо термодинамічна система піддавалася зовнішньому впливу, то в результаті вона перейде в інший рівноважний стан. Такий перехід називається термодинамічним процесом. Процеси, які складаються з послідовності рівноважних станів, називаються квазістатичними.

Термодинамічні процеси поділяють на два види: природні і штучні.

До природних процесів відносять такі, які відбуваються „самі по собі“. Такими, наприклад, є перехід теплоти від тіла з вищою температурою до тіла з нижчою температурою, перетворення механічного руху в тепловий тощо.

До штучних процесів відносять такі процеси, які „самі по собі“ не відбуваються, але для їх здійснення треба використати процеси першого виду. Такими процесами є передача теплоти від тіла з нижчою температурою до тіла з вищою температурою, перетворення теплового руху в механічний тощо.

С

Рисунок 31.1 – Круговий процес

укупність процесів, в результаті яких термодинамічна система повертається у вихідний стан, називається круговим процесом або циклом. Речовину, над якою здійснюється круговий процес називають робочим тілом.

Графічно на діаграмі p, V цикл зображають деякою замкнутою кривою ABCDA (рисунок 31.1). У першій частині циклу, коли речовина розширюється, система виконує роботу, яка чисельно дорівнює площі фігури V₁ABCV₂. У другій частині циклу, коли речовина стискається, робота виконується над системою; чисельно вона дорівнює площі фігури V₂CDAV₁. Механічна робота, виконана системою після завершення циклу, чисельно дорівнює площі фігури ABCDA.

Застосуємо до циклу перший закон термодинаміки:

. (31.1)

Оскільки система приведена у початковий стан, то її внутрішня енергія стала такою самою, якою була спочатку, тобто . Тому робота системи за один цикл виконується за рахунок кількості теплоти, яку вона отримує ззовні.

Загальна властивість усіх кругових процесів полягає в тому, що їх неможливо провести, приводячи робоче тіло в тепловий контакт тільки з одним тепловим резервуаром. Їх потрібно, принаймні, два. Тепловий резервуар із більш високою температурою називають нагрівником, а з більш низькою – холодильником.

Тепловою машиною називається пристрій, який перетворює внутрішню енергію палива в механічну роботу. Будь-яка теплова машина складається з трьох основних частин: робоче тіло (3), нагрівник (1) і холодильник (2) (рисунок 31.2).

Р обоче тіло, одержавши від нагрівника теплоту Q₁, розширюється і виконує роботу А. Частину теплоти Q₂ воно віддає холодильнику, тому в робочих теплових двигунах тільки частина теплоти перетво­рюєть­ся в роботу.

У 1824 році Сааді Карно дослідив, що найбільш ефективним тепловим циклом є цикл, що складається з двох ізотермічних і двох адіабатичних процесів, які чергуються між собою (рисунок 31.3).

Відношення роботи A до кількості теплоти Q₁, яку одержує робоче тіло за цикл від нагрівника, називається коефіцієнтом корисної дії теплової машини:

. (31.2)

Згідно з першим законом термодинаміки для ізотермічного процесу

. (31.3)

Використавши співвідношення (31.2), вираз (31.3) можемо переписати так:

. (31.4)

Для адіабатичних процесів, згідно з рівнянням Пуассона, маємо:

. (31.5)

Поділимо друге рівняння на перше і одержимо рівність

. (31.6)

Використовуючи співвідношення (31.6), вираз (31.2) можна переписати у вигляді

. (31.7)

Для ідеальної теплової машини, яка працює за циклом Карно, ККД (термічний коефіцієнт корисної дії циклу Карно) залежить тільки від температур нагрівника (Т₁) і холодильника (Т₂), але не залежить від властивостей робочого тіла і конструкції двигуна – перша теорема Карно:

. (31.8)

Між даними температурами нагрівника й холодильника не існує іншого теплового циклу, який мав би вищий ККД, ніж цикл Карно – друга теорема Карно.

Машину, яка працює за оберненим циклом Карно 1-4-3-2-1 (рисунок 31.3) називають холодильною.

Пристрій, що працює за зворотним циклом Карно, може мати двояке призначення. Якщо кількість теплоти Q₂ відбирається від охолоджуваних тіл (наприклад, від продуктів у камері холодильника), то такий пристрій є звичайним холодильником. Ефективність роботи холодильника (кількість теплоти, що відбирається від охолоджуваних тіл на 1 Дж витраченої роботи) визначається холодильним коефіцієнтом :

. (31.9)

За такого означення може бути і більшим, і меншим за одиницю.

Якщо кількість теплоти Q₁ передається тілу, що нагрівається, (наприклад, повітря в приміщенні), то такий пристрій називається тепловою помпою. Ефективність теплової помпи визначається співвідношенням

. (31.10)

З першого закону термодинаміки слідує, що , отже, завжди більше за одиницю.

Термодинамічний процес називається оборотним (зворотним), якщо він може проходити як у прямому, так і в протилежному напрямах, і система повертається у вихідний стан, при цьому і у ній, і в навколишньому середовищі не відбувається ніяких залишкових змін. До того ж допускається, що система проходить в оберненому напрямку ті ж самі проміжні стани, що і в прямому процесі.

Будь-який процес, що не відповідає цим умовам, є необоротним.

Оборотні процеси – зазвичай ідеалізовані процеси. В реальних теплових машин завжди мають місце втрати теплоти на теплообмін з навколишнім середовищем і на сили тертя. Тому в реальних машинах процеси є необоротними. В необоротної машини за цикл відводиться від робочого тіла більша кількість теплоти, ніж в оборотної ( >Q₂). Звідси випливає, що

> . (31.11)