2. Тепловые машины. Цикл Карно.

Каким же образом можно получать работу от макросистем, чтобы использовать ее? Для этого надо заставить систему вернуться в исходное состояние по траектории, которая на графике (р,V) лежит ниже, чем прямой процесс. Этим точкам соответствует более низкая температура.

Система, которая совершает механическую работу за счет использования термодинамических законов, называется тепловой машиной.

Полезная работа, совершенная за 1 цикл,

, т.к. .

Полученное системой за 1 цикл количество теплоты

.

Таким образом, коэффициент полезного действия

В 1824 г. Н.С.Карно опубликовал статью, в которой теоретически проанализировал обратимый цикл, дающий максимально возможный КПД. Этот цикл, как показано, должен состоять из 4 последовательных процессов: поступление теплоты Q₁ в систему при постоянной температуре Т₁ (изотерма), при этом вся теплота идет на совершение работы, затем теплота не поступает, а работа совершается за счет внутренней энергии системы (адиабата), далее теплота Q₂ отнимается у системы «холодильником» при постоянной температуре Т₂ (изотерма), и, наконец, над системой совершают работу за счет увеличения ее внутренней энергии, возвращая ее в исходное состояние (адиабата). Итак, цикл Карно состоит из 2 изотерм и 2 адиабат.

К арно показал, что такой цикл при использовании в качестве рабочего тела идеального газа дает максимальный КПД, т.е. является наиболее экономичным. Расчет дает

.

Карно предположил, что этот результат справедлив для любых термодинамических систем.

3. Деградация энергии. Тепловое загрязнение окружающей среды.

Энергия в любой системе неравноценна. Наиболее «ценные» виды – те, которые способны превратиться в наибольшее число видов энергии. Из энергий, встречающихся в физике и химии, высший ранг имеют механическая и электрическая энергия, промежуточный – химическая энергия. Низший ранг остается теплоте. Ее можно использовать (переводя, например, в механическую форму), только подключая к данной системе еще два тела – нагреватель и холодильник, т.е. опять-таки затрачивая дополнительную энергию.

Совершая работу, система теряет запас своей энергии, часть ее утрачивается в смысле невозможности снова использовать ее для совершения механической работы. Обесценивание энергии, переход ее из более высокого ранга в низший (тепловой) называется деградацией энергии.

Любой естественный процесс сопровождается рассеянием энергии, под которым понимается как перемещение носителя энергии, так и переход ее от одного носителя к другому.

Рассеивается энергия в виде теплоты в окружающее пространство. Таким образом, пространство («Вселенная») оказывается как бы «загрязнена» энергией в ее низшей форме – тепловой, которая не подлежит использованию.

На практике это выражается в неизбежных тепловых выбросах с ТЭЦ, электростанций, АЭС, приводящих к изменению микроклимата в окружающей среде и нарушению жизнедеятельности экосистем. Этой же причиной можно объяснить глобальное потепление на Земле.

4. Традиционные и нетрадиционные источники энергии.

По мере того как в процессе жизнедеятельности нашей планеты все больше энергии теряется, деградируя в низшие формы, все острее встает вопрос о новых источниках полезной энергии. Все мы являемся свидетелями того, как происходит борьба за обладание источниками энергии – нефте- и газоносными районами.

Энергия является главным источником благосостояния общества. Основу современного производства составляет электрическая энергия, которой питается все оборудование, но она является как бы посредником: электрическая энергия вырабатывается генераторами из механической с помощью тепла (в результате сгорания органического топлива на тепловых электростанциях или деления атомных ядер на АЭС).

Традиционные источники энергии практически уже исчерпаны. По некоторым оценкам, запасы нефти и газа при нынешних темпах потребления должны иссякнуть к 30-50-м годам ХХ1 века, т.е. при жизни нынешнего поколения. Строительство АЭС также не является выходом из положения в связи с проблемой захоронения их отходов. Поэтому определенный интерес представляют нетрадиционные, так называемые возобновляемые источники энергии. Это энергия ветра, энергия приливов и отливов, энергия рек, геотермальная энергия и энергия Солнца. Однако КПД этих источников пока очень мал, а потребности промышленности столь велики, что они не в состоянии ее удовлетворить. В конечном итоге, очевидно, человечеству придется пользоваться многими различными источниками энергии.