8. Второй закон термодинамики

Если 1-й з-н тд количественно характеризует тд пр-сы, то 2-й закон тд дает качественную их оценку: в каком направлении и до какого предела идет тот или иной процесс, при каких условиях возможно преобразование теплоты в работу, что необходимо для передачи теплоты от холодного тела к горячему, что характеризует реальные процессы и т.п.

Поскольку в природе происходит множество термодинамических процессов, то единой формулировки второго закона термодинамики быть не может. Однако к каждому классу этих процессов можно дать свою трактовку второго закона термодинамики.

СЛАЙД 1

Теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более нагретому телу (Р.Клаузиус). В круговом процессе теплота горячего источника не может быть полностью превращена в работу (В.Томсон – Кельвин). Наи˃ холодное тело си не может служить источником работы (В.Т – К). Все естественные процессы являются переходом системы от менее вероятных состояний к более вероятным состояниям (Л.Больцман). Любой реальный процесс является необратимым (Л.Больцман).

Изучение 2-го з-на тд возможно только на конкретных процессах.

8.1. Замкнутые процессы (циклы)

Процессы, в которых тд состояния рабочего тела в начале и в конце совпадают, называются замкнутыми процессами или циклами.

СЛАЙД 3

В тд диаграммах циклы представляют собой замкнутые линии. Если цикл идет по часовой стрелке, его называют прямым. В результате этого цикла получается «+» работа.

Такие циклы осуществляются в тэ установках (рис.1) для получения работы за счет использования термической неравновесности тд системы. Циклы, идущие против часовой

стрелки - обратные. На осуществление таких циклов затрачивается работа. Эти циклы (рис.2) предназначены для передачи теплоты от тел с низкой Т телам с более высокой Т.

Такие циклы используются в холодильных машинах и тепловых насосах.

8.1.1. Коэффициенты, характеризующие тепловую экономичность обратимых циклов

Процесс 1а2 характеризуется подводом теплоты q₁ к рабочему телу, т.к. здесь увеличивается энтропия. q₁ называют теплотой, подведенной в цикл. Эта теплота берется от горячего источника теплоты. Поскольку процесс передачи теплоты обратимый, то для горячего источника процесс соответствует кривой 2а1. Он совпадает с обратимым процессом получения теплоты рабочим телом, изображать его не принято, но забывать о его наличии не следует.

Процесс 2в1 характеризуется отводом теплоты от рабочего тела к холодному источнику теплоты. Поскольку это тоже обратимые процессы, то для холодного источника процесс соответствует кривой 1в2. Величину отведенной теплоты из цикла принято обозначать как q₂ и брать по модулю, а соответствующий ей отрицательный знак присваивать в расчетах.

Таким образом, для реализации цикла необходимо три тела: горячий источник теплоты, рабочее тело (оно совершает замкнутый процесс) и холодный источник теплоты.

Суммарная теплота прямого цикла 1а2в1 в соответствии с 1-м з-ном тд:

q₁ - q₂ = (u₂ - u₁ + _1a2) + (u₁ - u₂ + _2в1) = _1a2 + _2в1 = _t. (1)

Следовательно, работа цикла _t представляет разность подведенной и отведенной теплоты цикла. В Р,v- и в T,s- координатах она представляет площадь внутри цикла. Индекс t обозначает, что это работа обратимого цикла. Термодинамическая, или тепловая, эффективность прямого обратимого цикла оценивается термическим КПД η_t. Он представляет отношение полученной работы _t (полезный продукт) к подведенной теплоте в цикл q₁ (затраты на получение полезного продукта).

. (2)

Термический КПД цикла всегда меньше единицы, поскольку отвод теплоты из цикла происходит при положительной абсолютной Т и q₂ не м. б. равна нулю.

Основываясь на этом факте, получили еще одну формулировку 2-го з-на тд:

невозможно создать тепловую машину, в которой вся теплота горячего источника преобразуется в работу.

В соответствии с 1-м з-ном тд такой вывод сделать нельзя, поскольку по первому закону термодинамики возможно всю теплоту, подведенную к телу, преобразовать в механическую работу (например, в изотермическом процессе идеального газа q=). Однако о том, что для получения этой теплоты требуется второе тело с большей температурой, первый закон термодинамики ничего не сообщает.

При равенстве подведенной и отведенной теплоты (q₁=q₂) работа цикла и его термический КПД равны нулю. В соответствии с этим утверждением, можно дать следующие формулировки второго закона термодинамики:

невозможно получить работу в тепловой машине при наличии только одного источника теплоты;для работы тепловой машины необходимо наличие горячего и холодного источников теплоты.

Рассмотрим в Т,s диаграмме обратный обратимый цикл (рис.8.4). Обозначим теплоту, отведенную от рабочего тела, q₁ (процесс 1а2), а подведенную к рабочему телу от холодного источника – q₂ (процесс 2в1). Величину q₁ примем с обратным знаком, т.е. положительную. Для совершения этого цикла требуется затратить работу _t = q₁-q₂. Эта работа отрицательная, хотя в расчетах, как и q₁, она будет приниматься по модулю. Эффективность обратных обратимых циклов, в зависимости от их предназначения, характеризуют определенные коэффициенты.

Холодильный коэффициент характеризует холодильный цикл, где нижний уровень температур обычно находится ниже температуры окружающей среды,: , где q₂ – отведенная от холодного тела теплота (полезный продукт – холод);_t – работа, затраченная на осуществление цикла (затраты на получение холода).

Холодильный коэффициент может быть как меньше, так и больше единицы.

Отопительный коэффициент характеризует отопительный цикл, где нижний уровень температур обычно соответствует температуре окружающей среды, а верхний – температуре потребителя теплоты: ,где q₁ – теплота, подведенная к потребителю (полезный продукт);_t – работа, затраченная на осуществление цикла (затраты на получение полезного продукта). Отопительный коэффициент всегда больше единицы.

Эти коэффициенты нельзя называть КПД, поскольку полезного действия в виде работы в обратных циклах нет.

На основании рассмотренных ранее положений для обратных циклов можно сформулировать следующую трактовку второго закона термодинамики:

для передачи теплоты от холодного тела к горячему необходим дополнительный компенсационный процесс (например, совершение работы).