Тема 4. Второе начало термодинамики

20. Круговой процесс. Тепловая машина.

Первое начало термодинамики не дает никаких указаний относительно направления, в котором могут происходить процессы в природе. С точки зрения первого начала любой мыслимый процесс, не противоречащий закону сохранения и превращения энергии, может быть реализован в природе. Например, если имеются два тела, температуры которых различны, то по первому началу термодинамики не противоречил бы переход теплоты от тела с более низкой температурой к телу с температурой более высокой. Единственным ограничением, налагаемым первым началом на этот процесс, является требование, чтобы количество теплоты, отданной одним телом, было равно количеству теплоты, полученной вторым.

О направлении процессов, происходящих в действительности, позволяет судить второе начало термодинамики. Оно совместно с первым началом позволяет также установить множество точных количественных соотношений между различными макроскопическими параметрами тел в состоянии термодинамического равновесия. Основоположником второго начала термодинамики считается французский инженер и физик Сади Карно. Он исследовал условия превращения теплоты в работу.

Чтобы прийти к формулировке второго начала термодинамики, рассмотрим схематически работу тепловой машины. В процессе работы она совершает многократный круговой процесс (цикл).

Круговой процесс – это совокупность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние. На диаграммах состояния круговые процессы изображаются замкнутыми линиями.

Изменение внутренней энергии равно 0: . Первое начало для круговых процессов имеет вид: .

Прямым циклом называется круговой процесс, в котором система совершает положительную работу . Замкнутая кривая на диаграмме, изображающая прямой цикл, описывается по часовой стрелке. Для того, чтобы система совершала за цикл положительную работу, надо, чтобы расширение происходило при более высоких давлениях, чем сжатие.

Пусть Q₁ – количество теплоты, которое система получила при расширении (см. рис. 20.1); Q₂ – система отдала при сжатии; U₁– внутренняя энергия при системы в первом состоянии, U₂ – внутренняя энергия системы во втором состоянии.

При расширении рабочее вещество получает от нагревателя теплоту Q₁ и совершает положительную работу a₁. Согласно первому началу термодинамики Q₁=U₂–U₁ + A₁.

При сжатии над рабочим веществом совершается работа А₂ и при этом оно отдает холодильнику количество теплоты Q₂: – Q₂=U₁–U₂ – A₂

В результате: Q₁– Q₂=A₁–A₂

Таким образом, тепловая машина совершила прямой круговой цикл, в результате которого нагреватель отдал теплоту Q₁, холодильник получил теплоту Q₂. Теплота Q= Q₁ – Q₂ пошла на выполнение работы А=A₁–A₂.

В тепловой машине не вся получаемая извне теплота Q₁ используется для совершения полезной работы. Поэтому тепловая машина характеризуется коэффициентом полезного действия. К.п.д.() — это отношение совершаемой за цикл работы А к получаемой за цикл теплоте:

(1)

Е сли при круговом процессе газ, расширяясь, совершает меньшую работу, чем та, которую производят внешние силы при его сжатии, т.е. А₁<A₂, то такой цикл носит название обратного. Он может совершаться в том случае, когда расширение газа происходит при более низкой температуре, чем сжатие. При этом газ отдает больше теплоты, чем получает при расширении. Машины, работающие по обратному циклу, носят название холодильных. В холодильных машинах процесс переноса теплоты от холодного тела к более горячему требует затраты работы внешних сил (А₂–А₁). На диаграмме обратный цикл изображается замкнутой кривой, проходимой против часовой стрелки.

На рис. 20.2. схематически представлены принципы действия теплового двигателя и холодильной машины.