13. Основные формулировки второго закона термодинамики

Первый закон термодинамики устанавливает количественное равенство между теплом и работой при их взаимных превращениях в циклических процессах, но ничего не говорит об этих условиях. Поэтому необходимым дополнением к нему является второй закон термодинамики, формулирующий эти условия.

В 1850г. Клаузиус дал классическую формулировку второго закона термодинамики. Теплота не может переходить от холодного тела к более нагретому сама собой, даровым процессом (без компенсации).

Содержание второго закона термодинамики в его наиболее общей форме: Если в заданной системе какие-либо процессы могут протекать самопроизвольно, то обратные по отношению к ним процессы возможны лишь при условии определенных компенсирующих изменений состояния системы, а протекать самопроизвольно они не могут. Иными словами, все самопроизвольные процессы природы необратимы.

Рассмотрим работу циклов с позиции второго закона термодинамики.

1)Прямой цикл – превращение работы в теплоту может протекать самопроизвольно, а обратное превращение теплоты в работу возможно лишь при условии наличия компенсирующего самопроизвольного перехода некоторого количества теплоты от горячего источника к холодному.

Например, в двс теплота выходящих газов около 500 С.

2) Обратимый цикл – переход теплоты от горячего источника к холодному протекает самопроизвольно. Обратный переход от холодного к горячему возможен лишь при наличии компенсирующего самопроизвольного процесса, превращающего некоторое количество работы в теплоту (компрессоры холодильника).

14. Цикл Карно

К арно предложил цикл, в котором тепло подводится и отводится по изотермам при температурах горячего источника тепла и холодного теплоприемника.

Произведем анализ прямого цикла Карно (рис. 5-4), считая рабочее тело идеальным газом. В этом цикле оно сначала расширяется изотермически по линии 1-2, получая от горячего источника тепло q₁ при температуре Т₁ затем отключается от горячего источника и продолжает расширяться адиабатно по линии 2-3 с понижением температуры до Т₂.. После этого рабочее тело подключается к холодному теплоприемнику и сжимается изотермически по линии 3-4, отдавая ему теплоту q₂ при температуре Т₂. Затем оно отключается от теплоприемника и продолжает сжиматься адиабатно по линии 4-1 с повышением температуры до Т₁, чем и завершается цикл.

Согласно определению термического к.п.д. для цикла Карно

где и ,

или, учитывая, что под q₂ имеется ввиду абсолютная величина отводимого

После подстановки q₁ и q₂ получаем:

. (5.4)

полученные выражения показывают, что термический к.п.д. цикла Карно тем больше, чем выше температура горячего источника теплоты и чем ниже температура холодного теплоприемника.

В

Рисунок 5.5

обратном цикле Карно (рис. 5.5) рабочее тело сначала расширяется адиабатно по линии 1-2 с понижением температуры от Т₁ до Т₂ , затем продолжает расширяться изотермически по линии 2-3, получая теплоту от холодного источника в количестве q₂ при температуре Т₂. После этого оно сжимается адиабатно по линии 3-4 с повышением температуры до Т₁ и, наконец, сжимается изотермически по линии 4-1, отдавая теплоту горячему теплоприемнику в количестве q₁ при температуре Т₁, чем и завершается цикл.

Используя те же состояния, что и при анализе прямого цикла Карно, нетрудно получить выражение для холодильного коэффициента обратного цикла Карно

. (5.5)

Обратный цикл Карно используется в качестве эталона, с помощью которого определяется относительная эффективность обратных циклов, находящих практическое применение в холодильной и отопительной технике.