Изобарный процесс
Изобарным процессом называется процесс, протекающий при неизменном давлении (P=const) и условии m = const и М = const.
Если в некотором процессе не изменяются масса и давление газа, то уравнение Менделеева-Клапейрона для начального и конечного состояний будет:
P1V1 = RT1
и
P2V2 = RT2
При m = const P = const V / T = const или V1 / V2 = T1 / T2 (уравнение называется законом Гей-Люссака).
Таким же способом, как это было сделано для изохорного процесса, можно получить для изобарного процесса уравнение: Р = соnst.
Кривая изобарного процесса называется изобарой.
Изобара, изображенная в прямоугольной системе координат (P – V), по оси ординат которой отсчитывается давление газа, а по оси абсцисс — его объем, является прямой, параллельной оси абсцисс (рис. 9).
Изобара, изображенная в прямоугольной системе координат (V – T), является прямой, проходящей через начало координат (рис. 10).
Изобара, изображенная в прямоугольной системе координат (P – T), является прямой, параллельной оси абсцисс (рис. 11).
Экспериментальное исследование зависимости объема газа от температуры провел в 1802г. французский физик Жозеф Гей-Люссак.
Изобарный процесс происходит, например, при нагревании или охлаждении воздуха в стеклянной колбе, соединенной со стеклянной трубкой, отверстие в которой закрыто небольшим столбом жидкости.
Графики изобарного процесса изображаются так:
Рис. 9
Рис. 10
Рис. 11
Второй закон термодинамики
Второй закон термодинамики устанавливает направление протекания самопроизвольных тепловых процессов в природе и определяет условия превращения теплоты в работу. Закон утверждает, что теплота в природе самопроизвольно переходит только от тел более нагретых к менее нагретым.
Идея ВТОРОГО ЗАКОНА термодинамики связана с именем французского инженера Сади КАРНО, который в 1824 г. разработал ЦИКЛ КАРНО – круговой процесс в тепловой машине, в результате которого тело, совершив работу, затем возвращается в исходное состояние, используя часть этой работы. Он впервые показал, что полезную работу можно получить лишь в случае, когда тепло передаётся от нагретого тела к более холодному.
Развивая идею Карно, английский физик У. Томсон в 1851 г. сформулировал второй закон: «В природе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы механическая работа, полученная за счет охлаждения теплового резервуара».
Эта формулировка показывает, что взаимное превращение тепла и работы не равноценно: работу можно полностью превратить в тепло (путем трения, нагрева электрическим током и другими способами), а тепло полностью превратить в работу нельзя.
Машину, многократно и полностью превращающую тепло в работу, называют ВЕЧНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ВТОРОГО РОДА.
Второй закон отвергает вечный двигатель второго рода.
Немецкий физик Р.Клаузиус в 1850 году независимо от Томсона сформулировал второй закон: «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему».
Эта формулировка подчеркивает односторонность реальных процессов. Действительно, первый закон термодинамики не запрещает указанный переход тепла (лишь бы выполнялся закон сохранения энергии), однако этого никогда не происходит.
Мы знаем много других примеров односторонности процессов: газы перемешиваются в сосуде, но сами не разделяются; кусок сахара растворяется в воде, но не выделяется обратно в виде куска; можно нагреть проволоку от аккумулятора, но нельзя зарядить аккумулятор от нагретой проволоки и т.д.
В соответствии с этим для превращения теплоты в работу в любом тепловом двигателе необходимо иметь два тела с различными температурами. Более нагретое тело будет источником теплоты для получения работы, менее нагретое — теплоприемником. При этом к.п.д. теплового двигателя всегда будет меньше единицы.
Термический к.п.д. теплового двигателя — t = 1 – Q2 / Q1, где Q1 и Q2 соответственно теплота, подведённая в цикле и отведённая теплоприемнику.
Для идеального цикла теплового двигателя, то есть для прямого обратимого цикла Карно — tк = 1 – Т2 / Т1 = 1 – Т мин / Т макс,
где Т1 = Т макс — температура горячего источника теплоты;
Т2 = Т мин — температура холодного источника теплоты или теплоприемника.
Термический к.п.д. любого реального цикла теплового двигателя всегда меньше термического к.п.д. цикла Карно для того же интервала температур.
Клаузиус решил вопрос о направлении самопроизвольных процессов в 1865 году, когда ввел новую функцию — энтропию, установив ее важнейшую особенность: в теплоизолированных системах самопроизвольно процессы идут в сторону увеличения энтропии; в состоянии теплового равновесия энтропия достигает максимума.
Эта функция является мерой беспорядка в системе. Таким образом самопроизвольные процессы идут в сторону увеличения беспорядка.