Дәріс№5. Жылудинамикасының екінші заңы.

Жылудинамикасының екінші заңының шығу тарихы француз ғалымы Сади Карноның жылулық машинаның максималды пайдалы әсер коэффициенті туралы сұрақты қарастыруымен байланысты болды. Кейінірек Клаузиус және Томсон түрі бойынша басқаша, бірақ термодинамиканың екінші заңының эквивалентті нұсқасын ұсынды.

Клаузиустің нұсқасына сәйкес, температурасы төмен денеден температурасы жоғары денеге жылу берілу процесі мүмкін емес.

Томсон термодинамиканың екінші заңын келесі түрде ұсынды: бір денеден қандай да бір денеге бірелген жылу есебінен нәтижесінде жұмыстың жасалуы болатын периодты процесс мүмкін емес. 1-суретте Клаузиустың рұқсат етілмеген постулатының, ал екінші суретте Томсонның рұқсат етілмеген постулатының шартты сүлбелері көрсетілген. Томсон ұсынысында термодинамиканың екінші заңында ішкі энергияның механикалық энергияға айналуының шектелуі көрінеді. Томсон ұсынысынан қоршаған ортадан жылуды алу есебінен жұмыс жасайтын машинаны құру мүмкін емес. Мұндай машина екінші текті мәңгі қозғалтқыш атауына ие.

Екінші текті мәңгі қозғалтқыштың бірінші текті мәңгі қозғалтқыштан айырмашылығы термодинамиканың бірінші заңына қарама қайшы келмейді. Клаузис және Томсон ұсынған термодинамиканың екінші заңының эквивалентті ұсыныстарын қарапайым әдіспен көрсетуге болады.

Томсон постулатын шындыққа сәйкес емес деп қарастырайық. Онда Т температуралы жалғыз көзден алынған жылу есебінен жасалынған жұмыс процесі жүру мүмкін. Бұл жұмысты мысалы, температурасы Т денеге қарағанда жоғары температуралы денеге берілген жылуды үйкеліс жолымен алуға болады. Мұндай құрылған процесте температурасы Т денеден температурасы жоғары денеге жылу берілу процесі жүретін еді. Клаузиустің нұсқасына сәйкес, температурасы төмен денеден температурасы жоғары денеге жылу берілу процесі мүмкін емес.

Томсон термодинамиканың екінші заңын келесі түрде ұсынды: бір денеден қандай да бір денеге бірелген жылу есебінен нәтижесінде жұмыстың жасалуы болатын периодты процесс мүмкін емес. Томсон ұсынысында термодинамиканың екінші заңында ішкі энергияның механикалық энергияға айналуының шектелуі көрінеді. Томсон ұсынысынан қоршаған ортадан жылуды алу есебінен жұмыс жасайтын машинаны құру мүмкін емес. Мұндай машина екінші текті мәңгі қозғалтқыш атауына ие.

Екінші текті мәңгі қозғалтқыштың бірінші текті мәңгі қозғалтқыштан айырмашылығы термодинамиканың бірінші заңына қарама қайшы келмейді. Клаузис және Томсон ұсынған термодинамиканың екінші заңының эквивалентті ұсыныстарын қарапайым әдіспен көрсетуге болады.

Томсон постулатын шындыққа сәйкес емес деп қарастырайық. Онда Т температуралы жалғыз көзден алынған жылу есебінен жасалынған жұмыс процесі жүру мүмкін. Бұл жұмысты мысалы, температурасы Т денеге қарағанда жоғары температуралы денеге берілген жылуды үйкеліс жолымен алуға болады. Мұндай құрылған процесте температурасы Т денеден температурасы жоғары денеге жылу берілу процесі жүретін еді. Бірақ бұл Клаузис поспулатына қарама қайшы. Сонымен егер Томсон постулаты дұрыс болмаса Клаузис поспулатының да шындыққа сәйкес болуы мүмкін емес.

3 – сурет. Жылу машинасы.

Енді керісінше Клаузис постулаты шындыққа сәйкес емес деп қарастырамыз және бұл кезде Томсон пастулатының да орындалуы мүмкін емес екендігін көрсетеміз.

Қыздырғыштан жылу мөлшерін ала отырып және мұздатқышқа бере отырып және - айырымын жұмысқа түрлендіретін кәдімгі жылу машинасын құрамыз (3-сурет).

Сондықтан Клаузис постулаты дұрыс ұсынылмаған. Мұнда -ге тең жылу мөлшері мұздатқыштан қыздырғышқа жылу берілу процесі болатыны көрсетілген. Бұл үшінші суреттің оң бөлігінен көрінеді. Нәтижесінде қыздырғыш жұмыс денесіне жылу машинасынан жылуын беріп жылуын Клаузиус пастулатына қарама қайшы келетін процесс кезінде алады, ол толығымен - тең жылу мөлшерін береді. Тура осындай жылу мөлшерін машина жұмысқа айналдырады. Мұздатқышта ешқандай өзгеріс болмайды немесе ол бірдей жылу мөлшерін береді немесе алады. Енді жылу машинасын араластыра отырып және Клаузис пастулатына қарама-қайшы процесстен Томсон пастулатына қарма-қайшы процессті көруге болады.

Сонымен, Клаузис және Томсон постулаттары шындыққа сәйкес немесе шындыққа сәйкес емес, яғни олар эквивалентті олардың шындыққа сәйкестігі макроскопиялық жүйелер үшін барлық жасалған тәжірибелік нақтылыққа негізделген.

Термодинамиканың екінші заңының келтірілген ұсыныстарының негізінде жылулық машинаның пайдалы әсер коэфицентінің максималды мүмкіндігі үшін Карно нәтижесін алуға болады. температуралы қыздырғышпен температуралы мұздатқыш арасындағы жасалатын циклді жылулық машинасы үшін пайдалы әсері келесі мәннен аспайды.

(1)

1. формуламен анықталатын мәні жұмыс денесі ретінде қолданудан тәуелсіз кері циклды жасайтын жылулық машинаға жетеді.

4-сурет. Идеал газдың диаграммасындағы Карно циклы.

Цикл егер кері процестен тұратын болса, онда бұл цикл кері цикл деп аталады. Белгілі температуралы қыздырғышпен мұздатқыш арасында болатын жалғыз кері циклды процесс екі изотермамен екі адиабатадан тұратын Карно циклы болып табылады. Идиал газы үшін мұндай цикл келесі суретте көрсетілген.

1-2 бөлігінде газ қыздырғыш температурасына тең температураға ие

және қыздырғыштан жылуын ала отырып изотермиялық ұлғаяды. Бұл кезде газ алынған жылуға тең оң жұмыс жасайды. 2-3 бөлігінде газ адиабаталық ұлғаяды және бұл кезде температура ден мұздатқыш температурасына тең мәнге дейін төмендейді. Осы бөліктегі газ жасаған жұмыс оның ішкі энергиясының жоғалуына тең. Келесі 3-4 бөлікте газ изотермиялық сығылады. Бұл кезде газ сығу жұмысы кезінде жаслған жылу мөлшерін мұздатқышқа береді. 4-1 бөлікте газ температурасы мәніне жеткенше адиабаталық сығылады. Газдың ішкі эенргиясының ұлғаюы бұл кезде газдың сығылуы бойынша сыртқы күш жұмысына тең.

Карно циклы кері образды құруға мүмкін болатын жалғыз оқшауланған процесс болып табылады. Негізінде адиабаталық процесс егер оны жеткілікті түрде баяу, яғни квазистатикалық түрде жүргізсе ол кері процесс болады. Изотермиялық процесс – бұл кері образ жүргізуге мүмкін болатын жылуалмасу жүретін жалғыз процесс. Кез келген басқа процесс кезінде жұмыс денесінің температурасы термодинамиканың екінші заңына сәйкес өзгеріп отырады. Қыздырғышты және мұздатқышты жылуалмасу кері процесс болуы мүмкін емес: сомға айырым температурасы болған кезде жылу алмасу жылулық тепе теңдікке жақын сипатта болады және тепе теңдік процесс болып табылмайды.

Шындығында, температура айырымы болмаған кездегі жылу алмасу шексіз баяу жүреді. Сондықтан Карно кері циклы шексіз ұзаққа созылады және (1) формуламен анықталатын мүмкін болатын максималды пайдалы әсер коэффицентті кезнде жылулық машина қуаты нольге ұмтылады.

Термодинамиканың екінші заңынан шығатын ішкі энергияның механикалық энергияға түрленуі толығымен жүргізілуі мүмкін емес. Ішкі энергияның мүмкін болатын максималды бөлігін механикалық энергияға түрлендіру үшін кері процессті пайдалану қажет. Ол үшін келесі мысалды қарастырамыз.

Қоршаған ортамен жылулық тепе-теңдік күйде болмаған денені алайық, мысалы поршенді цилиндрдегі қоршаған орта температурасына қарағанда едәуір жоғары температуралы идеал газды алайық (5 - сурет).

5 – сурет. Максималды жұмысты алу.

Қандай жағдайда газ соңғы күйде бастапқы көлемін сақтап қалатындай шарт болған кезде ең жоғарғы жұмысты алуға болады?

Егер газ температурасы қоршаған орта температурасына тең болса, яғни газ қоршаған ортамен жылулық тепе-теңдікте болса, онда ешқандай жұмыс алмаған болар еді. Ішкі энергияның механикалық энергияға айналуы тек қана барлық жүйенің бастапқы күйі тепе-теңдік күйде болмаған жағдайда орындалуы мүмкін. Бірақ, бастапқы тепе-теңсіз күйден тепе-теңдік күйге өткен кезде ішкі энергияның механикалық энергияға айналуы міндетті болмайды. Егер газды қоршаған ортамен жылулық байланысқа түсірсе, онда газ суып, бұл кезде ешқандай жұмыс жүрмейді.