16. Второй Закон Термодинамики, его физическая основа.

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.

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.

17. Циклы 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.

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.

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.

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)