Второй закон термодинамики

Рис. 1.7. Термодинамическая схема теплового

двигателя

Все тепловые двигатели должны иметь следующие составляющие:

1. Горячий источник теплоты (химические реакции сжигания топлива или внутриядерные реакции);

2. Рабочее тело, совершающее замкнутый процесс – цикл (газ или пар);

3. Холодный источник теплоты (окружающая среда – атмосфера).

Рис. 1.8. Круговой процесс (цикл)

в p,v – и T,s – координатах

Работа двигателя осуществляется следующим образом. Расширяясь по линии 1В2, рабочее тело совершает работу, равную площади 1В22^l1^l. В непрерывно действующей тепловой машине этот процесс должен повторятся многократно. Для этого нужно уметь возвращать рабочее тело в исходное состояние. Такой переход можно осуществить в процессе 2В1. При этом потребуется совершить над рабочим телом ту же самую работу. Соответственно работа цикла окажется равной нулю.

Для того чтобы двигатель непрерывно производил механическую энергию, работа расширения должна быть больше работы сжатия. Поэтому кривая сжатия 2А1 должна лежать ниже кривой расширения. Затраченная в процессе 2А1 работа изображается площадью 2А11^l2^l. В результате каждый килограмм рабочего тела совершает за цикл полезную работу l_ц, эквивалентную площади 1В2А1, ограниченной контуром цикла. Цикл можно разбить на два участка: А1В, на котором происходит подвод теплоты q₁, и В2А, на котором происходит отвод теплоты q₂. В T,s-диаграмме теплота q₁ эквивалентна площади А^lА1ВВ^l, а q₂ – площади А^lА2ВВ^l.

Применим первый закон термодинамики к циклу, который совершает 1 кг рабочего тела:

. (1.13)

Внутренняя энергия системы является функцией состояния. При возвращении рабочего тела в исходное состояние она также приобретает исходное значение. Поэтому , и предыдущее выражение превращается в равенство

,

где представляет собой ту часть теплоты горячего источника, которая превращена в работу.

Это – теплота, полезно использованная в цикле. Она равна разности теплот и эквивалентна площади, ограниченной контуром цикла в T,s-диаграмме.

Цикл, состоящий из равновесных обратимых процессов, называют обратимым. Рабочее тело в таком цикле не должно подвергаться химическим изменениям. Если хоть один из процессов, входящих в состав цикла, является необратимым, то весь цикл будет необратимым. Результаты исследования идеальных циклов могут быть перенесены на действительные, необратимые процессы реальных машин путем введения опытных поправочных коэффициентов.

Отношение работы, производимой двигателем за цикл, к количеству теплоты, подведенной за этот цикл от горячего источника, называется термическим КПД цикла:

. (1.14)

КПД оценивает степень совершенства цикла теплового двигателя. Чем больше КПД, тем большая часть подведенной теплоты превращается в работу.

Если исключить из схемы теплового двигателя холодный источник, то формально принцип эквивалентности не будет нарушен. Однако, как показывает опыт и как следует из проведенного выше анализа работы двигателя, такой двигатель работать не будет.

Исходя из вышесказанного Второй закон термодинамики можно сформулировать в виде следующего утверждения (В.Томсон, 1851 г.): «Невозможна периодически действующая тепловая машина, единственным результатом действия которой было бы получение работы за счет отнятия теплоты от некоторого источника».

Таким образом, для полного анализа явления и процессов необходимо иметь кроме первого закона термодинамики еще дополнительную закономерность. Этим законом является второй закон термодинамики.Он устанавливает, возможен или невозможен тот или иной процесс, в каком направлении протекает процесс, когда достигается термодинамическое равновесие и при каких условиях можно получить максимальную работу.

1-я формулировка (Оствальда): «Вечный двигатель 2-го рода невозможен».

2-я формулировка (Клаузиуса):«Теплота не может самопроизвольно переходит от более холодного тела к более нагретому».

3-я формулировка (Карно): «Там где есть разница температур, возможно совершение
работы».