Лекция 6 второй закон термодинамики

Несмотря на эквивалентность теплоты и работы, устанавливаемую первым законом термодинамики, взаимное их превращение неравнозначно. Как показывает опыт, механическая работа может быть полностью превращена в теплоту, например, путем трения, однако теплоту полностью превратить в механическую работу невозможно. Это связано с существованием второго закона термодинамики, в основе которого лежат круговые процессы.

§ 1. Круговые процессы

Замкнутый процесс, в результате которого газ, пройдя ряд различных состояний, возвращается в исходное, называется круговым процессом (циклом).

Поясним данное определение на примере теплового двигателя, то есть двигателя, в котором теплота превращается в механическую работу (рис. 8). Пусть газ, находящийся цилиндре над поршнем, совершает работу расширения ℓ₁ в процессе 1-m-2. При этом совершается работа, равная площади 1-m-2. При этом совершается работа, равная площади 1-m-2-2-1-1. Будем считать процесс 1-m-2 идеальным (обратимым) с подводом т еплоты (q) (в реальных тепловых двигателях теплота сгорания топлива).

Рис. 8. Круговой процесс в  (а)- и Ts (б)-диаграммах.

Так как размеры цилиндра определенные, то для получения работы расширения необходимо вернуть рабочее тело (газ) в исходное положение – в точку 1. Поскольку процесс 1-m-2 – обратимый, при возврате газа в положение 1 (сжатие) он пойдет по кривой 2-m-1 через те же промежуточные точки, что и при расширении 1-m-2. Следовательно, на возврат газа в точку 1 будет затрачена вся работа, полученная при расширении (ℓ_сж = пл. 2-m-1-1-2-2). Таким образом, даже в идеальном случае (при отсутствии всех видов потерь теплоты и трения) вся работа расширения (ℓ_расш) затрачивается на сжатие.

В реальном же случае ℓ_расш будет недостаточна для возврата газа в исходное положение.

Очевидно, для получения полезной работы необходимо процесс сжатия газа (возврат его в исходное положение) вести таким образом, чтобы работа, затрачиваемая на сжатие, была бы меньше работы, полученной при расширении. Это возможно только при условии, когда при сжатии будет отведена от газа теплота q₂ (в реальных тепловых двигателях q₂ – теплота, теряемая в окружающее пространство отработанными газами). С учетом вышесказанного для получения полезной механической работы необходимо, чтобы линия расширения газа в -диаграмме (1-m-2) проходила выше линии сжатия (2-n-1). Такие круговые процессы осуществляются по движению часовой стрелки и называются прямыми.

Прямые круговые процессы являются идеальными циклами тепловых двигателей.

Если круговой процесс (цикл) протекает против движения часовой стрелки (рис. 8, б), то есть когда линия расширения газа лежит ниже линии сжатия (2-m-1), то теплота q₂ подводится к газу при боле низкой температуре, чем отводимая теплота q₁. Такие круговые процессы называются обратными и являются идеальными циклами холодильных машин.

Поскольку в прямом круговом цикле (см. рис. 8, а) все процессы обратимы (идеальны), то уравнение первого закона термодинамики будет иметь такой вид:

q₁ – q₂ = ℓ_расш – ℓ_сж = ℓ₀. (85)

Основной тепловой характеристикой прямых циклов является термический коэффициент полезного действия (КПД), представляющий собой отношение работы ℓ₀, производимой двигателем за цикл, к количеству теплоты, подведенной за этот цикл от горячего источника:

_t = ℓ₀/q₁ = (q₁ – q₂) q₁ = 1 – q₂ / q₁. (86)

Этот коэффициент оценивает степень совершенства теплового двигателя. Так как работа теплового двигателя невозможна без отвода теплоты q₂ к холодному источнику, то _t всегда меньше единицы.

Эффективность холодильных машин, работающих по обратным циклам, оценивается не термическим КПД, а холодильным коэффициентом, который представляет собой отношение количества теплоты q₂, отнятой от холодного источника, к затраченной в цикле работе:

 = q₂ / ℓ₀ = q₂ / (q₁ – q₂).

Из этой формулы видно, что чем меньше разность q₁ – q₂, тем меньше теплоты нужно затратить для передачи q₂ от холодного тела к горячему, то есть тем выше холодильный коэффициент и эффективнее работа холодильной машины. Холодильный коэффициент может быть или больше, или меньше единицы, в большинстве случаев он больше единицы.