2.2.3 Тепловые двигатели. Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики

Устройства, преобразующие часть внутренней энергии тел в механическую энергию, называют тепловыми двигателями.

Самыми распространёнными тепловыми двигателями являются бензиновые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), работа которых представляет собой повторяющийся процесс (цикл), состоящий из четырёх более коротких процессов, или тактов. Во время одного из тактов горючая смесь паров бензина и воздуха, сжатая в цилиндре, воспламеняется электрической искрой, в результате чего температура и давление газовой смеси над поршнем возрастают, поршень начинает двигаться вниз, а газ, расширяясь, совершает работу, раскручивая массивное колесо маховика коленчатого вала. Во время следующего такта вращающийся по инерции маховик через кривошипно-шатунный механизм двигает поршень вверх, выталкивая продукты сгорания через выхлопной клапан. Энергии маховика хватает и на два следующих такта, когда поршень сначала, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр очередную порцию горючей смеси, а потом сжимает её, после чего она воспламеняется, и цикл повторяется вновь.

Работа тепловых двигателей содержит следующие общие для всех них черты:

(1) чтобы двигатель совершил цикл своей работы, ему надо передать некоторое количество теплоты, Q₁,

(2) внутри двигателя расширяется газ, совершающий работу A₁; этот газ называют рабочим телом,

(3) чтобы рабочее тело стало расширяться, его необходимо нагреть до температуры, которую называют температурой нагревателя, Т₁,

(4) рабочее тело, расширяясь, охлаждается до температуры, которую называют температурой холодильника, Т₂ (Т₂<Т₁); охлаждаясь до температуры холодильника, рабочее тело отдаёт ему количество теплоты Q₂ (Q₂<Q₁).

Завершая каждый цикл работы, рабочее тело двигателя возвращается в исходное состояние, получив от нагревателя количество теплоты Q₁, отдав холодильнику - Q₂ и совершив работу A₁. Так как внутренняя энергия рабочего тела в исходных состояниях одна и та же, то согласно первому закону термодинамики (52)

A₁ = Q₁ - Q₂ . (54)

Таким образом, тепловой двигатель преобразует в работу только часть теплоты, полученной от нагревателя. Отношение работы, совершённой двигателем к количеству теплоты, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия (КПД), h. Французский физик С. Карно доказал, что

₍₅₄₎

где в правой части стоит КПД идеального теплового двигателя.

Процессы в природе необратимы, а их направление подчиняется общей закономерности – более упорядоченные состояния замкнутых систем переходят в менее упорядоченные.

Можно утверждать, что, если замкнутая система из макроскопических тел переходит в другое состояние, то этот переход необратим, т.к. он всегда происходит из менее вероятного состояния в более вероятное. Это утверждение называют вторым законом термодинамики, который указывает направление протекания тепловых процессов в природе.