Второй закон термодинамики. Тепловой двигатель

Первый закон термодинамики устанавливает эквивалентность количества теплоты и работы. Но процессы взаимного превращения этих видов энергии не равнозначны. Механическая энергия, т.е. работа может быть полностью превращена в теплоту, например трением, однако теплоту полностью преобразовать в работу нельзя. Это связано с существованием фундаментального закона природы – второго закона термодинамики.

Превращать теплоту в работу возможно с помощью теплового двигателя.

Всякий тепловой двигатель должен иметь:

1. Горячий источник теплоты с температурой ;

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

3. Холодный источник теплоты с температурой .

Рисунок 1.11 – Термодинамическая схема теплового двигателя

Рисунок 1.11 – Круговой процесс теплового двигателя в координатах

Рисунок 1.12 - Работа теплового двигателя в T-s координатах

Используем первый закон термодинамики применительно к циклу, который совершает 1 кг рабочего тела (знак означает интегрирование по замкнутому контуру):

;

.

В этом выражении теплота q и работа l – функции процесса, а внутренняя энергия u - функция состояния, при возвращении тела в исходное состояние внутренняя энергия u принимает исходное значение, и, следовательно:

.

Тогда

или

.

Это выражение устанавливает эквивалентность теплоты и работы, а =q₁-q₂ - это часть подведенной к рабочему телу теплоты , которая преобразуется в работу l_ц. Это теплота, полезно использованная в цикле, она эквивалентна площади внутри цикла в координатах T-s.

Работу любого двигателя характеризует термический коэффициент полезного действия (КПД, обозначается - η_t).

Термический коэффициент полезного действия – это отношение работы, производимой двигателем за цикл l_ц, к количеству теплоты, полученной от горячего источника .

Для КПД справедливы следующие соотношения:

.

Термический коэффициент полезного действия оценивает совершенство теплового двигателя. Чем меньше отдается теплоты холодному источнику, тем большая часть подведенной к рабочему телу теплоты будет превращаться в работу и тем выше КПД двигателя.

Вечный двигатель второго рода – это двигатель, у которого КПД равен единице, то есть теплота , отдаваемая холодильнику, равна нулю. Вечный двигатель первого рода – это двигатель, производящий роботу без энергетических затрат.

Второй закон термодинамики имеет несколько формулировок:

1. Вечный двигатель второго рода невозможен.