Сущность второго закона термодинамики

Сади Карно в 1824 г., изучая работу паровой машины, установил, что только при наличии температурного перепада теплота может быть использована для получения механической работы.

Термин «использовано» вместо «преобразовано» не случаен. В пе­риод жизни Карно первый закон термодинамики еще не был установ­лен, и физики того времени считали, что пар, совершив работу и сни­зив при этом температуру, содержит то же количество теплоты, кото­рое было в нем в начале процесса.

С развитием понятия теплоты как вида энергии был установлен первый закон термодинамики, показывающий связь между теплотой и механической работой. Первый закон дает возможность судить о мгновенном состоянии тела и вычислять мгновенные параметры, ха­рактеризующие это состояние. Однако знания уравнения состояния идеального газа p = RT и первого закона термодинамики не позво­ляют судить о протекании процесса и об отношении превращенной в работу теплоты ко всей участвующей в процессе теплоте.

Второй закон термодинамики изучает условия, при которых про­исходят преобразования одного вида энергии в другой. Он устанав­ливает определенные количественные соотношения для процессов са­мопроизвольного распространения теплоты в физических телах.

Второй закон термодинамики имеет много формулировок, но его сущность сводится к следующим трем:

I.Для превращения теплоты в механическую работу необходимо иметь источник теплоты и холодильник с температурой ниже темпе­ратуры источника, т. Е. Необходим температурный перепад.

II.Вся теплота, подведенная к двигателю, не может быть пол­ностью превращена в работу. Часть этой теплоты переходит к внеш­ним телам, имеющим более низкую температуру.

III. Теплота не может сама собой переходить от менее нагретого шла к более нагретому без затраты внешней работы.

Первые две формулировки относятся к двигателям, в которых теп­лота превращается в работу. Так, например, в паросиловой установке горячим источником являются продукты сгорания топлива, отдающие теплоту рабочему телу (воде). Полученный в паровом котле пар по­ступает на рабочие лопатки турбины. Здесь он, расширяясь, произво­дит работу и охлаждается. Отработавший пар направляется в конден­сатор, где отдает оставшуюся в нем теплоту охлаждающей воде (хо­лодильнику). В двигателях внутреннего сгорания теплота сжигаемого топлива сообщается продуктам сгорания (рабочему телу). Отработав­ший газ сообщается продуктам сгорания (рабочему телу). Отработав­ший газ при более низкой температуре отводится в атмосферу.

Третья формулировка второго закона имеет непосредственное от­ношение к холодильным установкам. Чтобы иметь внутри холодильникa температуру ниже температуры окружающей среды, необходимо затратить определенное количество энергии.

Водяной пар Ненасыщенные и насыщенные пары

Над свободной поверхностью жидкости всегда имеются пары этой жидкости, образующиеся за счет испарения. Если пространство над свободной поверхностью жидкости не ограничено какими – либо стенками, молекулы или атомы испарившегося вещества, совершая хаотическое тепловое движение, удаляется от поверхности жидкости. Удалению частиц пара от поверхности жидкости способствуют явление диффузии, а также естественная или искусственная конвекция слоев воздуха. Концентрация частиц пара при постоянной температуре в этих условиях может изменяться в широких пределах как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения. Такие пары называются ненасыщенными.

Иная картина наблюдается, если над свободной поверхностью жидкости имеется ограниченное пространство. Заполнено оно какими – либо другими газообразными веществами, кроме паров испаряющейся жидкости, или нет – значения не имеет. Важно заметить, что процесс испарения в замкнутое пространство может происходить только до определенного предела. Чем большей становится концентрация молекул или атомов испаряющегося вещества в парообразном состоянии, тем большим будет давление этих паров при постоянной температуре. При этом все большее число молекул или атомов может возвращаться через свободную поверхность обратно в жидкость. Если объем пространства , предоставленного парам, достаточно мал, а жидкости много, может наступить динамическое равновесие: число частиц, покидающих жидкость за единицу времени, уравняется с числом частиц, возвращающихся в жидкость за тот же промежуток времени. При этом над жидкостью будет находиться постоянная масса пара и большей концентрации его частиц в данных условиях достичь не удается. Такой пар называется насыщенным.

Давление насыщенного пара какого-то вещества при заданной температуре может иметь одно – единственное определенное значение.

Уменьшение объема пространства, предоставленного насыщенному пару данного вещества при постоянной температуре, приводит к конденсации части пара в жидкость, так как концентрация его частиц не может превысить определенного значения. Этим изотермическое сжатие насыщенных паров отличается от сжатия паров ненасыщенных, которые ведут себя как обычные идеальные газы. Закон Бойля – Мариотта , следовательно, для насыщенных паров не выполняется.

Закон Гей – Люссака также не применим к насыщенным парам, так как объем , предоставленный им, не зависит от температуры.

Неприменим к насыщенным парам и закон Шарля. При увеличении температуры идеальных газов или ненасыщенных паров в изохорическом процессе возрастает средняя кинетическая энергия их частиц, что приводит к их более частым соударениям между собой и со стенками сосуда, т.е. к повышению давления.

Говорить с уверенностью о том, что в данном закрытом сосуде содержится именно насыщенный пар какого-то вещества, можно только в том случае, если в сосуде имеется это вещество в жидком состоянии и масса его жидкой фазы не изменяется.

Например, перед нами поставили закрытый стеклянный сосуд и просят без всяких измерений определить, насыщенный или ненасыщенный водяной пар в нем содержится.

Для ответа на этот вопрос нужно подождать несколько минут, чтобы содержимое сосуда успело прийти в термодинамическое равновесие с окружающим воздухом. Это вызывается тем, что мы не знаем, из помещения с какой температурой принесен сосуд, а изменение температуры пара при неизменном объеме может привести пар из ненасыщенного состояния в насыщенное и обратно. Если после установления равновесия не обнаруживается конденсации воды на внутренних стенках сосуда, мы должны сказать, что при той температуре , при которой проводится наблюдение, в сосуде содержится ненасыщенны пар. Если же на стенках сосуда появляются капельки воды – пар насыщенный.