Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики устанавливает направление пpoтекания самопроизвольных тепловых процессов в природе и определяет условия превращения теплоты в работу. Он утверждает, что теплота в природе самопроизвольно переходит только от тел более нагретых телам менее нагретым.

В отношении превращения теплоты в механическую работу второй закон термодинамики устанавливает следующее условие. Для превращения теплоты в работу необходимо иметь два тела с различными температурами. Более нагретое тело является источником теплоты для получения работы, менее нагретое - теплоприемником.

В соответствии со вторым законом термодинамики теплота горячего источника может превращаться в работу только частично так как процесс превращения теплоты в работу обязательно сопровождается переходом части теплоты к теплоприемнику. При этом КПД теплового двигателя всегда меньше единицы.

Цикл теплового двигателя

Превращение теплоты в механическую работу в тепловом двигателе происходит в процессе расширения рабочего тела. После совершения процесса расширения запас энергии в рабочем теле уменьшается, а объем его увеличивается. Для непрерывного получения работы после каждого процесса расширения требуется возвращать рабочее тело в исходное состояние.

Совокупность процессов расширения и сжатия, в результате которых получается полезная работа и рабочее тело возвращается в исходное состояние, называется циклом теплового двигателя или прямым циклом.

Подводимая в цикле теплота обозначается Q_l, а отводимая — Q₂. Так как рабочее тело после совершения цикла возвращается в исходное состояние, то изменение внутренней энергии рабочего тела в цикле равно нулю, поэтому разность между подводимой и отводимой теплотой превращается в полезную работу цикла:

Или для 1 кг рабочего тела

Полезная работа цикла в рv-координатах изображается площадью, ограниченной совокупностью кривых, характеризующих цикл.

Основной характеристикой цикла теплового двигателя является термический коэффициент полезного действия (КПД):

Для 1 кг рабочего тела

Идеальный цикл теплового двигателя

Цикл Карно состоит из двух изотерм с подводом и отводом теплоты двух адиабат (расширения и сжатия). Из начального состоящих соответствующего точке а на рис.6, в цикле Карно газ изотермически расширяется с увеличением объема от v_a до v_b.

Рис.6.Прямой цикл Карно

При этом к газу от внешнего источника с температурой Т₁ подводится теплота

В точке b подвод теплоты к рабочему телу прекращается и газ адиабатно расширяется с увеличена объема от v_b до v_c. Для повторения процесса расширения необходимо рабочее тело возвратить в исходное состояние (точка а). Для этого газ сначала сжимается изотермически с отводом теплоты q₂ при более низкой температуре цикла Т₂ с уменьшением объема от v_c до v_d и далее адиабатно, т.е. без теплообмена до возвращения рабочего тела исходное состояние.

Отводимая в цикле теплота по абсолютной величине

q₂ =RT₂ln(v_c/v_d)

Полезная работа цикла

l=q₁-q₂=RT₂ln(v_b/v_a)-RTln(v_c/v_d)

Термический КПД цикла

ηt=1-q₂/q₁=1-(T₂/T₁)[ln(v_c/ v_d)/ln(v_b/v_a)]

Для адиабатных процессов b - с и d - а, в которых Т_с = T_d=T₂ и Т_а = Т_b =Т₁,

тогда

Следовательно,

|При этом