2.2.3. Третий закон термодинамики

Третий закон термодинамики был установлен Нернстом (Лауреат Нобелевской премии 1920 г.) на основе обобщения экспериментальных исследований различных веществ при сверхнизких температурах. Он известен как тепловая теорема или принцип Нернста: в любом изотермическом процессе, проведенном при абсолютном нуле температуры, изменение энтропии системы равно нулю, т.е. ΔS_T=0 =0, S=S₀=const. Иначе говоря, при абсолютном нуле температуры изотермический процесс одновременно является изоэнтропийным. Принцип Нернста был развит Планком, который предположил, что при абсолютном нуле температуры энтропия равна нулю.

В соответствии с третьим законом изотерма - изоэнтропа Т=0, S=0, в sT-координатах вырождается в точку (начало координат). В результате этого замкнутый круговой процесс, состоящий, например, из двух изотерм и двух адиабат, в случае теплоотвода при Т=0 изобразился бы в sT-координатах отрезком прямой на оси Т, т.е. его площадь была бы равна нулю. В этой связи третий закон термодинамики нередко формируют как принцип невозможности вечного двигателя третьего рода - воображаемого двигателя, в котором осуществлялся бы замкнутый круговой процесс с отводом теплоты от рабочего тела при абсолютном нуле температуры.

Следствием третьего закона термодинамики является положение о недостижимости абсолютного нуля температуры. Данное следствие, конечно, не запрещает приближаться к нему сколь угодно близко. Равенство нулю энтропии при абсолютном нуле температуры имеет своей причиной квантовый характер процессов, происходящих при низких температурах, и выполняется для обычных систем, которые могут находиться при сверхнизких температурах в состоянии истинного равновесия. Так называемые необычные системы (например, кристаллы LiF) могут находиться в состояниях, как с положительной, так и отрицательной температурой.

§2.3. Термодинамические циклы

2.3.1. Понятие о круговом процессе (цикле). Прямые и

обратные циклы

Циклом называется замкнутый круговой процесс, при осуществлении которого рабочее тело, пройдя ряд последовательных состояний, возвращается в исходное. Если каждое из пройденных состояний равновесно, то цикл обратим, т.е. он может протекать как в одном, так и в противоположном направлениях. Цикл, протекающий в направлении часовой стрелки, называется прямым. Прямые циклы свойственны тепловым машинам - двигателям. Обратные циклы являются циклами трансформаторов теплоты, они характерны для холодильных машин и тепловых насосов.

Рассмотрим произвольный прямой цикл 1а2b1 (рис.2.3.1). Работа цикла l_ц может быть определена по разности работ процессов расширения и сжатия

Работе расширения отвечает площадь 1'1а22', а работе сжатия - площадь 2'2b11′. В прямом цикле работа расширения больше работы сжатия и в результате работа цикла положительна. Она пропорциональна площади, ограниченной процессами, формирующими цикл, т.е. площади 1а2b1. В соответствии с первым законом термодинамики . Так как , где q₁ и q₂ - соответственно количество подведенной и отведенной теплоты, то

l_ц = q₁ - q₂. (2.3.1)

Это уравнение, выражая первый закон термодинамики кругового процесса, является тепловым балансом цикла. Из него, в частности, следует, что о величине работы цикла можно судить по его площади не только pv-, но и Ts-диаграммах.

Рис. 2.3.1. Произвольный обратимый цикл

Термодинамическим КПД называется отношение работы цикла к подведенной теплоте

(2.3.2)

Он показывает, какая часть подведенной теплоты превращена в работу цикла, т.е. является количественной мерой качества теплоиспользования в цикле. Заменив l_ц на q₁ - q₂ приведем выражение (2.3.2) к виду

(2.3.3)

Другим важным показателем, характеризующим цикл в целом, является среднее давление цикла

(2.3.4)

Разность v_max-v_min обозначают v_h и называют рабочим объемом. Таким образом, среднее давление цикла р_t, представляет собой работу, полученную с единицы рабочего объема, т.е. является удельной работой цикла. Из (2.3.2) и (2.3.4) получим

(2.3.5)

где ε = v_max/v_min - степень сжатия.

В теории тепловых двигателей v_min называют объемом камеры сгорания (или сжатия). Отношение q₁/ v_min, имеющее размерность Дж/м³, характеризует тепловую нагрузку единицы объема камеры сгорания.

В обратном цикле 1b2а1 работа сжатия больше работы расширения и работа цикла отрицательна. Это значит, что для осуществления такого цикла необходимо затратить внешнюю работу.

В случае холодильной установки полезным эффектом является теплота, отведенная от объектов охлаждения в холодильной камере q₂. Отношение этой величины к затраченной работе называется холодильным коэффициентом

(2.3.6)

В цикле холодильной установки теплота q₂ подводится к рабочему телу в процессе расширения b21. Индекс 2 у этой теплоты сохраняется для того, чтобы подчеркнуть, что процесс идет на низкотемпературном уровне. В процессе сжатия 2а1 от рабочего тела на высокотемпературном уровне отводится теплота q₁. Установки, в которых теплота q₁ отдаваемая окружающей среде, является полезным эффектом, называются тепловыми насосами. Эффективность цикла теплового насоса оценивается величиной отопительного коэффициента

(2.3.7)

Термический КПД цикла, проведенного в заданном интервале температур, зависит от тех термодинамических процессов, из которых он состоит.