Лекция 15 Второе начало термодинамики. Сущность второго начала термодинамики.

1. Введение

Первое начало утверждает, что невозможно построить периодическую машину, которая производила бы работу больше, чем она получает теплоты. (закон сохранения энергии). Выражая всеобщий закон сохранения и превращения энергии, 1 начало не позволяет определить направление процесса. Так не противоречит 1 началу термодинамики самопроизвольная передача тепла от менее нагретого тела к более нагретому. Но на практике такого процесса нет. Второе начало указывает на направление процесса. Есть много формулировок 2-ого начала. Одна из них: самопроизвольно, то есть без совершения работы, тепло переходит от более нагретого тела к менее нагретому.

2-ое начало устанавливает какое количество теплоты можно превратить в работу. Оно дает максимальный к.п.д. для тепловых машин, меньший единицы., то есть все тепло нельзя превратить в работу. Для того, чтобы создать периодически действующую машину, производящую работу нужно иметь источник тепла, холодильник и рабочее тело.

2. Обратимые и необратимые процессы.

Процесс называется обратимым, если он может быть проведен в обратном направлении через те же состояния, что и при прямом ходе и при этом в окружающих систему телах не происходит никаких изменений.

Всякий процесс, не удовлетворяющий этим требования, называется необратимым.

Все реальные тепловые явления необратимы. Чтобы изобары, изохоры, изотермы, адиабаты были обратимы нужно, чтобы они протекали бесконечно медленно, через равновесные состояния. Если система идеально изолирована, то адиабатический процесс тоже будет обратимым, его можно провести бесконечно медленно.

Явления переноса, переход тепла к более холодным телам, расширение газа в пустоту – все это необратимые процессы. Необратимые процессы имеют конечную скорость протекания.

3. Круговые процессы (циклы).

Процесс, в результате которого система возвращается в первоначальное состояние, называется круговым процессом (циклом). Если процесс идет по часовой стрелке, то он называется прямым, если против – обратным.

Цикл является обратимым, если он обратим на всех участках. Если он на каком либо участке необратим, то он необратим полностью.

4. Прямой цикл (тепловая машина).

	В процессе 1а2 – при прямом цикле теплота превращается в работу. В них линия расширения лежит выше линии сжатия. Теплота .- площадь под кривой. Прямые циклы совершают все тепловые машины. В процессе 2в1:.
Рис. 1.

Рис. 2.

Прямой цикл (рис.1) используется в тепловом двигателе, совершающем работу за счет получения извне тепла (рис.2).

,

,

.

5. Обратный цикл (холодильник).

Обратный цикл (рис.3) используется в холодильниках – периодически действующих установках , в которых за счет работы внешних сил теплота переносится к телу с более

Рис. 3.	Рис. 4.

высокой температурой (рис.4). Работа, совершаемая за цикл равна

.

К.п.д. цикла

.

.

В холодильной машине рабочее тело отнимает тепло от продуктов за счет работы внешних сил и отдает через заднюю стенку в окружающую среду (охладитель).

.

Холодильный коэффициент

.

6. Цикл Карно. Произвольный обратимый цикл.

	Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат. Рабочим телом является идеальный газ. При расчете применяются законы идеального газа. 1-2: - изотермическое расширение, 2-3: - адиабатическое расширение, 3-4: - изотермическое сжатие, 4-1: - адиабатическое сжатие.
Рис.5.

1-2: ,

2-3:

3-4:

4-1:

Работа в результате цикла

К.п.д. цикла равен

.

Используем уравнения для адиабатического процесса

,,

,.

Теперь

- к.п.д. идеального цикла Карно.

К.п.д. цикла Карно максимален, не зависит от рабочего тела и конструкции двигателя и определяется только температурой нагревателя и холодильника.

Теорема Карно.

Из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей и холодильников, наибольший к.п.д. имеют обратимые машины.

К.п.д. всякого реального теплового двигателя ввиду трения и тепловых потерь гораздо меньше к.п.д. цикла Карно.