4.3. Второй закон термодинамики

Круговые термодинамические процессы (циклы). Прямой и обратный (обратимый) циклы Карно. Обобщенный (регенеративный) цикл Карно. Сущность второго закона термодинамики и его основные формулировки. Аналитическое выражение второго закона термодинамики. Изменение энтропии изолированной термодинамической системы. Максимальная работа и понятие об эксергии.

Литература: [1], гл. 8; [3], гл. IV; [4], гл. 5.

Методические указания

Непрерывное получение работы за счет подведения теплоты возможно только в замкнутом цикле и невозможно в отдельном термодинамическом процессе. Поэтому следует достаточно полно изучить все вопросы, касающиеся циклов, особенно цикла Карно, который имеет большое значение в термодинамике, так как с его помощью выводятся все аналитические зависимости, относящиеся ко второму закону термодинамики, а формулировка для КПД закона этого цикла по существу является техническим выражением существа термодинамики в применении к тепловым машинам.

Студент должен уяснить, что второй закон термодинамики сводится к двум положениям:

- первое - теплота не может самопроизвольно, без затрат энергии переходить от менее нагретого тела или среды к более нагретому телу или среде;

- второе - для превращения теплоты в работу в периодически действующей машине необходимо наличие не менее двух источников тепла.

Следует запомнить, что все реальные процессы необратимы, поэтому энтропия изолированной системы, в которой протекают такие процессы, всегда возрастает. Возрастание энтропии приводит к уменьшению работоспособности изолированной системы.

Необходимо обратить внимание на то, что для количественной оценки работоспособности системы вводится понятие удельной энергии, под которой понимают максимальную удельную работу, совершаемую системой при ее переходе от данного состояния до равновесия с окружающей средой. Нужно уяснить, почему потеря энергии, ведущая к уменьшению работоспособности системы из-за необратимости процесса, определяется произведением наименьшей температуры системы на приращение энтропии.

Изучая "теорию тепловой смерти" Клаузиуса, следует уяснить, что многие современные исследования в области астрономии, выполняемые во время космических полетов, показали, что эта теория несостоятельна.

Вопросы для самопроверки

1. Объясните, в чем отличие цикла от процесса.

2. Какие термодинамические процессы вам известны?

3. Из каких термодинамических процессов состоит прямой цикл Карно?

4. Из каких термодинамических процессов состоит обратный цикл Карно?

5. Чем оценивается эффективность прямого и обратного циклов Карно?

6. Для чего служат тепловые машины, работающие по прямому и обратному циклам?

7. Что такое термический КПД?

8. Что такое холодильный коэффициент?

9. Чему равно приращение энтропии в прямом и обратном циклах Карно?

10. Покажите на sT-диаграмме, что термический КПД прямого цикла Карно не может быть больше 1.

11. Покажите на sT-диаграмме, для прямого цикла Карно, что не все подведенное тепло превращается в полезную работу.

12. В чем состоит общность разных формулировок второго закона термодинамики?

13. Как изменяется энтропия изолированной системы при протекании в ней обратимых процессов?

14. Что такое энергия?

15. Чем определяется уменьшение работоспособности изолированной системы?