6. Второй закон термодинамики.

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

Все тепловые двигатели должны иметь:

• источник теплоты;

• рабочее тело, которое совершает замкнутый (круговой) процесс – цикл;

В существующих двигателях горячими источниками служат химические реакции сжигания топлива или внутриядерные реакции, а в качестве холодного источника используется окружающая среда (атмосфера).

Р

Холодный источник теплоты, T₂

исунок 1.6 - Принципиальная схема теплового двигателя

Второй же закон термодинамики гласит, что вечный двигатель второго рода невозможен.

Используя равенство

dq = cvdT + pdv,

с учетом того, что р/Т = R/v, получим

(1.49)

Выражение dq/T при равновесном состоянии газа – полный дифференциал некоторой функции состояния, называемой энтропией – s, Дж/(кг×К)

Уравнение (1.49) принято считать аналитическим выражением второго закона термодинамики для равновесных процессов. Это уравнение справедливо как для идеальных газов, так и для реальных тел.

6. Энтропия.

(1.49)

-аналитическое выражение второго закона термодинамики для равновесных процессов.

Выражение dq/T при равновесном состоянии газа – полный дифференциал некоторой функции состояния, называемой энтропией – s, Дж/(кг×К)

Исходя из уравнения (1.49), можно сказать, что энтропия изменяется в равновесных процессах только вследствие подвода или отвода тепла.

Проинтегрируем (1.48) с учетом (1.49) и, приняв cv = const,

где s1, s2 – значения энтропии в начале и в конце термодинамического процесса.

В технической термодинамике приходится иметь дело не с абсолютными значениями энтропии, а с ее изменениями.

Для любого состояния идеального газа с параметрами T и v

значение энтропии

Понятие энтропии позволяет ввести очень удобную для тер­модинамических расчетов Ts-диаграмму (рисунок 1.7).

Графическое изображение теплоты - площадь, ограниченная линией процесса, крайними ординатами и осью абсцисс (площадь

1 -2-S2-S1-1)

8. 9. Понятие о термодинамическом процессе, его виды. Характеристичечкое уравнение состояния идеальных газов

При подводе (отводе) тепла к газу (рабочему телу), а также при приложении к газу внешней работы газ проходит ряд состояний. Причем, как было сказано выше, эти состояния определяются параметрами P, v, T, а связь между ними – характеристическим уравнением Pv = RT. Такой переход газа из начального состояния в конечное называют термодинамическим процессом изменения состояния газа.

В общем случае, если к газу (рабочему телу) подводится тепло, то изменяются все его основные параметры: P, v, T. Характеристическое уравнение, описывающее связь между параметрами состояния идеального газа, относится к такому его состоянию, при котором по всей массе газа имеют место одни и те же давление и температура, а значит, и удельный объем. Такое состояние газа называется равновесным состоянием.

Термодинамика изучает в первую очередь равновесные состояния и процессы, представляющие собой цепь последовательных и непрерывных переходов от одного состояния к другому.

Такие процессы, в которых изменения давления и температуры успевали бы распространяться по всему объему газа, должны протекать бесконечно медленно.

При соблюдении перечисленных условий процесс изменения состояния газа обладает тем свойством, что его можно провести в обратном направлении. Такие процессы получили название обратимых процессов. Причем, параметры состояния процессов, проходящих в прямом и обратном направлениях, должны совпадать.

Все процессы, протекающие в тепловых двигателях, происходят при конечных значениях скоростей и разности температур, поэтому обладают всеми признаками необратимости.

Ввиду сложности явлений, происходящих в необратимых процессах, термодинамика в первую очередь изучает обратимые процессы, а перенесение результатов их изучения на необратимые процессы, как правило, осуществляется при помощи опытных коэффициентов.

Процессы в термодинамике изучаются двумя методами:

• аналитическим;

• графическим.

Последний метод ценен своей простотой и наглядностью. В нем в основном используют две системы координат - pv (рису­нок 1.1) и Ts (рисунок 1.2).

Координаты pv применяют для вычисления работы газа. В процессе 1-2 (рисунок 1.1) давление все время меняется, поэтому используют следующий прием. Весь процесс разбивают на n очень малых элементов Av, в каждом из которых давление p_i счи­тают постоянным. Поршень в одном из этих элементов процесса проходит отрезок Ah. Если площадь поршня обозначим через f, то сила, действующая по нормали, будет равна p_if, а элементар­ная работа Al на Ah составит Al = p_ifAh. Произведение fAh - есть объем, описанный поршнем на пути Ah, так что А/ = piAv. Стоя­щее справа произведение соответствует площади заштрихованно­го на рисунке 1.1 прямоугольника, следовательно, этой площа­дью измеряется работа.

В термодинамике в зависимости от характера протекания процесса различают следующие процессы:

• изохорный – процесс при постоянном объеме (v = const);

• изобарный – процесс при постоянном давлении (p = const);

• изотермический – процесс при постоянной температуре (T = const);

• адиабатный – процесс без теплообмена с внешней средой (q = 0);

• политропный – процесс обобщенный, в котором параметры изменяются согласно уравнению pvn = const, где (– ∞ ≤ n ≤ + ∞).

Рисунок 1.2 - Произвольный процесс изменения состояния газа в Ts- координатах

Рассмотрев произвольный процесс в Ts-координатах, анало­гично предыдущему анализу получим, что площадь 1-2-3-4-1 (рисунок 1.2) измеряет количество тепла в процессе.