Второе начало термодинамики

Второе начало определяет условия превращения одних видов энергии в другие, а также возможные направления протекания процессов. Не все процессы, разрешённые первым началом, возможны.

Существует несколько формулировок второго начала.

1. Клаузиус: невозможен самопроизвольный переход тепла от менее к более нагретому телу, или невозможны процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от менее к более нагретому телу.

2. У.Томсон (лорд Кельвин): невозможны процессы, единственным конечным результатом которых было бы превращение тепла целиком в работу.

Из второго начала термодинамики вытекает невозможность создания вечного двигателя второго рода, принцип действия которого основан на полном преобразовании теплоты в работу.

Термодинамический цикл Карно

При работе тепловой машины рабочее тело совершает замкнутый термодинамический цикл. При этом не вся произведённая работа становится полезной – часть её теряется, переходя в теплоту в холодильнике.

Максимальным КПД обладает тепловая машина, в которой цикл рабочего тела состоит только из равновесных тепловых процессов – изотерм и адиабат и, следовательно, является обратимым. Простейший равновесный круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, получил название цикла Карно.

П ри первом изотермическом процессе 1–2 происходит передача рабочему телу теплоты Q_H , причём передаётся она бесконечно медленно при практически нулевой разности температур нагревателя и рабочего тела. Далее рабочее тело подвергается адиабатическому расширению без теплообмена с окружающей средой (процесс 2–3). При последующем изотермическом процессе 3–4 холодильник получает от рабочего тела теплоту Q_X . Процесс 4–1 представляет собой адиабатическое сжатие, переводящее рабочее тело в первоначальное состояние.

Рассчитаем КПД цикла Карно для ν молей идеального газа. Для адиабат 2–3 и 4–1 получаем:

и

После деления одного равенства на другое имеем

.

Так как процессы 1 – 2 и 3 – 4 являются изотермическими, то . Следовательно

;

.

Для КПД получаем

или .

Для холодильной машины и теплового насоса, работающих по циклу Карно на идеальном газе, имеем

и .

Тепловую машину, работающую по циклу Карно, называют идеальной тепловой машиной, так как в ней достигается максимально возможный КПД при заданном перепаде температур между нагревателем и холодильником.

На практике построить идеальную тепловую машину невозможно. Если процессы считать строго изотермическими, то при их протекании рабочее тело не должно нагреваться от нагревателя и охлаждаться холодильником.

Теоремы Карно:

1. КПД любой тепловой машины, работающей по обратимому циклу Карно, не зависит от природы рабочего тела и устройства машины, а является функцией только температур нагревателя и холодильника.

2.КПД любой тепловой машины, работающей по необратимому циклу, меньше КПД тепловой машины с обратимым циклом Карно при условии равенства температур их нагревателей и холодильников:

.

Вторую теорему Карно можно обосновать тем, что при необратимом круговом процессе неизбежно произойдёт преобразование части работы в теплоту вследствие происходящих внутри машины диссипативных процессов.