1. Другий закон термодинаміки

За першим законом термодинаміки при перетворенні однієї форми енергії в іншу повна енергія системи не змінюється. Але цей закон не надає жодних обмежень стосовно можливості процесу. Ми не можемо знати, чи цей процес взагалі буде протікати, в якому напрямку та на скільки повно.

1.1. Всі термодинамічні процеси поділяються на самодовільні та несамодовільні

Процеси, що протікають самі собою, тобто без зовнішніх дій, та наближують систему до стану рівноваги, називаються самодовільними.

Несамодовільний процес - це процес, для протікання якого необхідно затратити зовнішню роботу в кількості, яка пропорційна до змін стану системи.

Другий закон термодинаміки визначає можливість, напрямок і межу перебігу самодовільного процесу.

М.В. Ломоносов (1749), а пізніше Р.Клаузіус (1850) сформулювали другий закон термодинаміки :

Теплота не може самодовільно переходити від холодного до теплого тіла.

1.2. Формулювання другого начала термодинаміки

Вічний двигун неможливий, тобто неможливо побудувати механізм, який би весь час виконував роботу за рахунок охолодження будь-якого джерела тепла.

Процес, єдиним результатом якого є перетворення теплоти в роботу, неможливий.

1.3. Математичний вираз другого закону термодинаміки

Ідеальна теплова машина - це машина, яка оборотно працює без тертя та втрат тепла, робочим тілом в якій є ідеальний газ.

Робота ідеальної теплової машини базується на принципі оборотного циклічного процесу, циклу Карно.

Нагрівач надає теплоту Q₁ робочому тілу, яке здійснює роботу розширення А; щоб повернутися в вихідний стан, робоче тіло має віддати певну кількість теплоти Q₂ тілу, яке має більш низьку температуру Т₂ (холодильнику).

А = Q₁ - Q₂

2. Цикл Карно

2.1. Ізотермічне розширення 1-2

Тіло здійснює ізотермічне розширення, забираючи від нагрівача кількість теплоти Q₁ та здійснюючи роботу над зовнішніми силами.

Цикл Карно

2.2. Адіабатичне розширення 2-3

Робоче тіло продовжує розширятися без теплообміну з оточуючим середовищем. Воно здійснює роботу за рахунок внутpішньої енеpгії, тому його темпеpатуpа знижується до Т_2.

Цикл Карно

2.3. Ізотермічне стиснення 3-4

Робоче тіло з температурою T₂ приводиться в контакт з холодильником та починає ізотермічно стискатися, віддаючи холодильнику кількість теплоти Q₂. Над ним (зовнішніми тілами) здійснюється pобота.

Цикл Карно

2.4. Адіабатичне стиснення 4-1

Робоче тіло від’єднується від холодильника та шляхом адіабатичного стискання повертається у вихідний стан. При цьому його температура збільшується до температури нагрівача.

Відношення кількості виконаної роботи А до кількості теплоти, отриманої робочим тілом від нагрівача, називається термодинамічним коефіцієнтом корисної дії (ККД).

Максимальне значення ККД теплової машини не залежить від природи тіла та речовин, які беруть участь в роботі машин, а залежить лише від температури нагрівача і теплоприймача.

Для підвищення ККД теплової машини потрібно збільшити температуру нагрівача та зменшити температуру холодильника;

ККД теплової машини завжди менший від 1.

Без перепаду температур перетворення теплоти в роботу є неможливим

Теплоту, поділену на температуру, при якій її одержано чи віддано системою, називають зведеною теплотою.

Сума зведених теплот циклу Карно дорівнює нулю.