14. Второе начало термодинамики

Второе начало термодинамики задаёт ограничения на направление процессов, которые могут происходить в изолированной системе, и исключает возможность создания вечного двигателя второго рода. Этот результат фактически содержится уже в работе Карно «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», вышедшей в 1824 году. Однако в связи с тем, что Карно использовал понятия теории теплорода, он не дал ясной формулировки второго начала термодинамики, и это было сделано в 1850—1851 годах независимо Клаузиусом и Кельвином. Имеется несколько различных, но в то же время эквивалентных формулировок этого закона.

Постулат Кельвина: «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара»[20]. Такой круговой процесс называется процессом Томсона-Планка, и постулируется, что такой процесс невозможен.

Постулат Клаузиуса: «Теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к телу более нагретому»[21]. Процесс, при котором не происходит никаких других изменений, кроме передачи теплоты от холодного тела к горячему, называется процессом Клаузиуса. Постулат утверждает, что такой процесс невозможен. Теплота может переходить самопроизвольно только в одном направлении, от более нагретого тела к менее нагретому, и такой процесс является необратимым.

Приняв за постулат невозможность процесса Томсона-Планка, можно доказать, что процесс Клаузиуса невозможен, и наоборот, из невозможности процесса Клаузиуса следует, что процесс Томсона-Планка также невозможен.

В ещё одной формулировке Клаузиуса (1865) второе начало формулируется следующим образом: для любой квазиравновесной термодинамической системы существует однозначная функция термодинамического состояния S=S(T,x,N), называемая энтропией, такая, что её полный дифференциал dS=δQ/T

15. Циклы псу

ПСУ предназначена для выработки пара и электрической энергии. Рабочим телом яв-ся вода. В процессе изменяется агрегатное состояние рабочего тела. Парогенератор предназначен для выработки водяного пара. Топливо – каменный уголь, газ, мазут. Перегретый водяной пар из парового котла направляется в турбину, где, расширяясь, производит полезную работу – вращает ротор турбины и электрического генератора, который предназначен для выработки электроэнергии.

Цикл Ренкина был предложен в 50х годах 19 века У. Ренкиным и Р. Клаузиусом.

Цикл:

1. Нагревание воды до кипения в котле

2. Испарение воды в парообразующих трубах котла

3. Расширение пара в турбине

4. Конденсация отработавшего пара

5. Сжатие конденсата питательным насосом.

Процессы нагревания воды до кипения происходят при p=const, парообразование при T=const.

Процесс расширения пара адиабатический. В конденсаторе отработавший пар яв-ся влажным, насыщенным, конденсируется при p=const (T=const). Вода сжимается адиабатно.

Термодинамические исследования цикла Ренкина показывают, что его эффективность в большей степени зависит от величин начальных и конечных параметров (давления и температуры) пара.

Цикл Ренкина состоит из следующих процессов:

изобара линия 4-5-6-1. Происходит нагрев и испарение воды, а затем перегрев пара. В процессе затрачивается теплота .

адиабата линия 1-2. Процесс расширения пара в турбине, то есть её вращение паром ().

изобара линия 2-3 Конденсация отработанного пара с отводом теплоты охлаждающей водой.

адиабата линия 3-4. Сжатие сконденсировавшейся воды до первоначального давления в парогенераторе с затратой работы.

При прохождении цикла Ренкина в обратном направлении (1—6—5—4—3—2—1) он описывает рабочий процесс холодильной машины с двухфазным рабочим телом (то есть претерпевающим в ходе процесса фазовые переходы от газа к жидкости и наоборот). Холодильные машины, работающие по этому циклу, с фреоном в качестве рабочего тела широко используются на практике в качестве бытовых холодильников, кондиционеров и промышленных рефрижераторов с температурой морозильника до −40 °C.