Первое начало термодинамики
•Циклически работающие тепловые машины, запрещаемые первым законом термодинамики: 1 – вечный двигатель 1 рода, совершающий работу без потребления энергии извне; 2 – тепловая машина с коэффициентом полезного действия η > 1
Первое начало термодинамики
•Первое начало термодинамики установило эквивалентность при преобразованиях внутренней энергии, теплоты и работы.
•Это позволяет определить, возможен ли с энергетической точки зрения тот или иной процесс.
•Но первое начало термодинамики ничего не говорит о возможности протекания таких процессов в природе (в частности, самопроизвольных). Так,
например, первое начало термодинамики не запрещает самопроизвольный переход теплоты от тела менее нагретого к более нагретому (от холодного к горячему). Но, как известно, в природе такие процессы не наблюдаются.
Второе начало термодинамики
•Один из вариантов формулировки второго начала термодинамики (по Клаузиусу) как раз и запрещает такой процесс: невозможен круговой процесс,
единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому.
•Также было установлено и неравноправие взаимных переходов теплоты и работы при циклических процессах: полный переход работы в теплоту возможен, а вот обратный – лишь частично.
•Второе начало термодинамики устанавливает:
•1) направление самопроизвольных процессов в природе;
•2) условие осуществление процессов превращения теплоты в работу.
Второе начало термодинамики
•Круговым процессом (или
циклом) называется процесс, при котором система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное. На диаграмме процессов цикл изображается замкнутой кривой.
Круговой процесс (цикл)
•Цикл, совершаемый идеальным газом, можно разбить на процессы расширения (1–2) и сжатия (2–1) газа.
•Работа расширения A1 (определяется площадью фигуры 1 a 2 V1 V2 2) положительна (dV>0)), работа сжатия A2 (определяется площадью фигуры 1 a 2 V1 V2 2) отрицательна (dV<0),
Круговой процесс (цикл)
•Следовательно, работа A= A1+ A1, совершаемая газом за цикл, определяется площадью, охватываемой замкнутой кривой.
•Если за цикл совершается положительная работа A>0 (цикл протекает по часовой стрелке), то он называется
прямым (рис., а), если за цикл совершается отрицательная работа A<0 (цикл протекает против часовой стрелки), то он называется обратным (рис. b).
Круговой процесс (цикл)
•Прямой цикл используется в тепловых двигателях – периодически действующих двигателях, совершающих работу за счет полученной извне теплоты.
•Обратный цикл используется в холодильных машинах -периодически действующих
установках, в которых за счет работы внешних сил теплота переносится к телу с более высокой температурой.
Круговой процесс (цикл)
•В результате кругового процесса система возвращается в исходное состояние и, следовательно, полное изменение внутренней энергии газа равно нулю (Δ U = 0).
•В общем случае при протекании кругового процесса система может теплоту как получать Q1, так и отдавать Q2, поэтому теплота, полученная системой Q равна Q = Q1– Q2
•Поэтому из первого начала термодинамики для
кругового процесса (когда U = 0) получаем, что работа за цикл равна А = Q1– Q2, т. е. работа,
совершаемая за цикл, равна разности количества полученной извне теплоты Q1 и отданной системой Q2.
Круговой процесс (цикл)
•Поэтому коэффициент полезного действия для кругового процесса (к. п. д.)
Обратимые и необратимые процессы
•Термодинамический процесс называется обратимым, если он может происходить как
впрямом, так и в обратном направлении.
•Причем если такой процесс происходит сначала в прямом, а затем в обратном направлении и система возвращается в исходное состояние, то в окружающей среде и
вэтой системе не происходит никаких изменений.
•Всякий процесс, не удовлетворяющий этим условиям, является необратимым.