4.5. Основные формулировки второго закона (начала) термодинамики

Первый закон термодинамики характеризует количественное и качественное преобразование внутренней энергии, но не позволяет определить возможность и направленность химического процесса.

Второй закон термодинамики устанавливает, какие из процессов в системе при данных условиях могут протекать самопроизвольно, то есть, без затраты энергии извне; позволяет определить, каков предел самопроизвольного течения процесса; какая полезная работа при этом может быть получена и каковы должны быть внешние условия, чтобы процесс мог протекать в нужном направлении и требуемой степени.

Основные формулировки второго начала термодинамики:

Постулат Клаузиуса: теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому.

Формулировка Оствальда: вечный двигатель второго рода невозможен, то есть, невозможен процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты в работу.

Формулировка Планка: невозможно построить такую машину, действия которой сводились бы к производству работы только за счет соответствующего охлаждения теплового источника.

Постулат Планка: любая форма энергии может полностью преобразовываться в теплоту, но теплота преобразуется в другие виды энергии лишь частично.

Второй закон термодинамики носит статистический характер, т. е. справедлив лишь для систем, состоящих из большого числа частиц.

4.6. Принцип работы тепловой машины. Кпд системы

Тепловой машиной называется такое устройство, которое преобразует теплоту в работу. Первая тепловая машина была изобретена в конце XVIII века (паровая). Сейчас существуют двигатели внутреннего сгорания, дизельные и т.д.

Любая тепловая машина состоит из трех частей: теплоотдатчика, рабочего тела и теплоприемника. Теплоотдатчик имеет температуру Т₁ и отдает некоторое количество теплоты Q₁ рабочему телу. Рабочее тело (газ, пар, нагретая жидкость) совершает работу. Причем, не вся теплота Q₁ превращается в работу, а только некоторая ее часть

А = Q₁ – Q₂ (4.8)

Другая часть теплоты Q₂ передается телу с более низкой температурой (Т₂) – теплоприемнику. Таким образом, сущность работы тепловой машины заключается не только в получении теплоты Q₁ от теплоотдатчика и совершении работы А, но и передаче некоторого количества теплоты Q₂ теплоприемнику, температура которого ниже чем температура теплоотдатчика (Т₁  Т₂). Вечный двигатель второго рода состоит из первых двух частей, то есть, теплота Q₁ полностью переходит в работу А, а это невозможно. Там, где нет перепада температур (Т₁ = Т₂), невозможно превратить теплоту в работу.

Чтобы получить математическое выражение второго начала термодинамики, рассматривают действие идеальной тепловой машины. Идеальной называют машину, которая работает без трения и потерь тепла. В ней рабочим телом является идеальный газ. Работа машины основана на принципе обратимого термодинамического цикла, называемого циклом Карно.

Цикл Карно состоит из четырех последовательно совершаемых процессов: изотермического расширения, адиабатического расширения, изотермического сжатия, адиабатического сжатия газа. Все процессы проводят обратимо, в результате чего газ возвращается в исходное положение.

В результате математических преобразований получают

(Q₁ – Q₂)/Q₁ = (Т₁ – Т₂)/Т₁ (4.9)

или  = А/Q₁;  = (Т₁ – Т₂)/Т₁ (4.10)

где  – коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины.

Коэффициентом полезного действия тепловой машины  называется отношение количества полученной работы А к количеству поглощенной теплоты Q₁. На основании этого соотношения второму закону термодинамики можно дать следующую формулировку: коэффициент полезного действия тепловой машины не зависит от природы и вида тел, участвующих в процессе, а зависит только от разности температур теплообменника (Т₁) и теплоприемника (Т₂). Современные тепловые машины имеют КПД, не превышающие 33 - 35 %.