3. Второй закон термодинамики

3.1 Круговые термодинамические процессы

Ранее нами рассматривались процессы получения работы, как за счет подвода теплоты, так и за счет изменения внутренней энергии рабочего тела. Однако при однократном расширении рабочего тела можно получить ограниченное количество работы. Для непрерывного превращения теплоты в работу необходимо, чтобы процесс совершался непрерывно, т.е. шёл по кругу. Термодинамический процесс, в котором начальное и конечное состояния совпадают, называется круговым процессом или циклом. Для повторного получения работы необходимо возвратить рабочее тело в исходное состояние, то есть сжать рабочее тело. На сжатие рабочего тела должна быть затрачена работа, эта работа подводится к рабочему телу от какого-либо внешнего источника.

Рис. 11. К выбору кругового процесса.

Очевидно, что процесс сжатия рабочего тела нужно осуществлять по пути, отличному от пути процесса расширения. Иначе суммарная работа, полученная в результате кругового процесса, будет равна нулю:

l = l_р – l_сж.

Путь процесса сжатия следует выбирать таким образом, чтобы работа сжатия по абсолютной величине была меньше работы расширения. На рис. pv-диаграмме приведен круговой процесс, в котором рабочее тело расширяется по кривой 1-3-2. При этом работа расширения численно равна пл. 132451. Процесс возвращения рабочего тела из конечного состояния 2 в начальное состояние может осуществляться одним из следующих путей:

1. По кривой сжатия 2-3-1. При этом работа сжатия (пл. 231542) будет равна работе расширения (пл. 132451). В результате суммарная работа в таком круговом процессе равна нулю.

2. По кривой сжатия 2-6-1, расположенной над кривой расширения 1-3-2. При этом работа сжатия (пл. 261542) больше работы расширения (пл. 132451). Суммарная работа в таком круговом процессе будет отрицательной.

3. По кривой сжатия 2-7-1, расположенной ниже кривой расширения. В этом круговом процессе работа расширения (пл. 132451) больше работы сжатия (пл. 271542), а площадь, ограниченная замкнутой кривой 1-3-2-7-1, представляет собой работу цикла. Следовательно, чтобы работа была положительной, нужно, чтобы кривая сжатия 2-7-1 в рv-диаграмме была расположена ниже кривой расширения 1-3-2. Многократно, повторяя такой круговой процесс, можно за счет подвода теплоты получить любое количество работы,

Р ис. 12. Замкнутый круговой процесс (цикл)

а – прямой , б – обратный цикл.

Цикл, в результате которого производится положительная работа, называется прямым. Такой цикл в Рv-диаграмме протекает по часовой стрелке. Все тепловые двигатели работают по прямым циклам (рис. 12 а).

Цикл, в результате которого получается отрицательная работа, называется обратным (рис. 12 б). В нем работа сжатия больше работы расширения. По обратным циклам работают холодильные машины.

Циклы могут быть обратимыми и необратимыми.

Обратимым термодинамическим циклом называется цикл, все процессы в котором обратимы.

Необратимым термодинамическим циклом называется цикл, в котором хотя бы один из составляющих его процессов необратим.

Для отвода и подвода теплоты используются источники теплоты. Если источник отдает рабочему телу теплоту, то его называют теплоотдатчиком, или горячим источником теплоты (нагревателем), если источник получает от рабочего тела теплоту - теплоприемником, или холодным источником теплоты (холодильником).