2. Второй Закон Термодинамики

2.1. Физическая основа второго закона термодинамики

Первый закон термодинамики устанавливает количественное соотношение между различными видами энергии при их взаимном превращении. Однако он не дает ответа на вопрос о возможном направлении таких превращений и условиях, при которых преобразование энергии может быть реализовано.

В то же время было установлено, что не все процессы, связанные с передачей и преобразованием различных видов энергии, равновозможны. Так например, распространение тепловой энергии от горячих тел или участков системы к холодным протекает самопроизвольно, но обратные процессы в природе никогда не наблюдаются. Для того чтобы охладить тело до температуры ниже окружающей среды, необходимо затратить энергию.

Таким же необратимым является процесс расширения сжатого газа в вакуум. Известно, что газ, сконцентрированный в одной части какого-либо резервуара и изолированный в нем перегородкой, самопроизвольно распространяется по всему объему, если в этой перегородке проделать отверстие. Однако молекулы газа никогда без постороннего вмешательства не соберутся вновь в ограниченной части пространства.

Особое значение для практики имеет необратимость взаимного преобразования теплоты и механической работы.

Опыт показывает, что преобразование механической энергии в тепловую, всегда происходит полностью и самопроизвольно без каких-либо дополнительных условий или процессов.

Так, работа трения или удара целиком преобразуется в теплоту и нагревает систему, в которой эти процессы происходят. Подобным же образом в результате молекулярного трения повышается температура жидкости или газа из-за превращения кинетической энергии потока в теплоту. Однако обратное преобразование тепловой энергии, рассеянной в окружающей среде, в механическую работу самопроизвольно происходить не может. Переход этот возможен не полностью и лишь при соблюдении определенных условий.

Наблюдения характерных особенностей тепловой энергии привели к определению второго закона или второго начала термодинамики. Существует несколько эмпирических формулировок этого закона, каждая из которых описывает определенные внешние проявления рассмотренных особенностей теплоты и устанавливает, так или иначе, необратимость самопроизвольных термодинамических процессов.

Одна из таких формулировок утверждает, что теплота не может самопроизвольно перейти от более холодного тела к более теплому.

По другой формулировке самопроизвольный выход термодинамической системы из равновесного состояния практически невозможен.

Таким образом, можно утверждать следующее:

• теплота только тогда может быть преобразована в механическую работу, когда в термодинамической системе имеется перепад температур;

• совершаемая работа зависит от уровня этих температур;

• полный переход теплоты в работу невозможен.

2.2 Цикл теплового двигателя

Принцип преобразования тепловой энергии в механическую работу состоит в использовании эффекта значительного объемного расширения газообразных рабочих тел при их нагревании.

Чтобы реализовать этот принцип необходимо иметь машину с рабочей полостью переменного объема, который должен быть заполнен рабочим телом. Один их вариантов такой машины — цилиндр с поршнем, перемещение которого позволяет изменять рабочий объем. При подводе теплоты к газу, последний расширяется и, оказывая силовое воздействие на поршень, перемещает его и производит внешнюю работу:

. (1.22)

Из выражения (1.22) видно, что работа будет производиться только при увеличении объема рабочего тела, и как только возможности его расширения будут исчерпаны, преобразование прекратится. Для возобновления полезного действия машины, рабочее тело надо вернуть в исходное состояние, т. е. переместить поршень, уменьшив объем рабочего тела.

Таким образом, для непрерывного получения механической работы необходимо осуществить круговой процесс, т. е. цикл.

Циклом называется совокупность процессов, происходящих в опре­деленной последовательности, в результате осуществления которых рабочее тело возвращается в первоначальное состояние.

На рис. 12 представлены р— v диаграммы циклов работы тепловых машин.

В реальных тепловых двигателях после осуществления каждого цикла происходит смена рабочего тела. Однако возможны и замкнутые циклы, совершаемые с одним и тем же рабочим телом путем изменения параметров его состояния. С точки зрения термодинамики эти две схемы совершенно эквивалентны.

При уменьшении объема рабочего тела будет происходить его сжатие с изменением параметров состояния. При этом, чем больше повышается давление и температура газа, тем выше поднимается кривая сжатия, и тем больше затраты работы на его осуществление. Возможны случаи, когда линия сжатия располагается выше или ниже линии расширения (см. рис. 12).

Очевидно, что при необходимости получения полезной работы имеют смысл только такие циклы, в которых работа сжатия l_сж меньше работы расширения l_p. Эти циклы называются прямыми (рис. 12, а). Они лежат в основе работы тепловых двигателей.

Рис. 12. Прямой (а) и обратный (б) циклы работы тепловых машин

Полезная работа прямого цикла равна разности работ расширения l_р и сжатия l_сж.

.

В обратных циклах

.

Работа обратного цикла отрицательна и используется в холодильных машинах.

Таким образом, в непрерывно действующем тепловом двигателе необходимо периодическое повторение прямых циклов, в которых процесс сжатия должен характеризоваться минимальной затратой работы.

Для выполнения последнего условия требуется, чтобы сжатие происходило при наименьшем повышении текущих значений температуры и давления, что может быть достигнуто только в случае отвода теплоты в период возвращения рабочего тела в состояние минимального объема.

Если теплоту не отводить, то работа затраченная на сжатие будет, по крайней мере, равна работе расширения и эффективность такой машины окажется равна нулю.

Таким образом, в любом случае непременным условием преобразования тепловой энергии в механическую, является прямой или косвенный расход теплоты, подведенной в цикле на возвращение рабочего тела в состояние минимального объема. Основным показателем эффективности циклов тепловых двигателей является их термический или термодинамический коэффициент полезного действия (КПД) η_t.

Термодинамический КПД определяет степень преобразования тепловой энергии в механическую в прямом цикле. Он представляет собой отношение величины тепловой энергии, преобразованной в механическую работу Аl, ко всей подведенной теплоте q₁:

. (1.23)

В соответствии с законом сохранения энергии [формула (1.4)]

,

где q₂ — количество теплоты, отведенной холодильником.

Тогда

. (1.24)