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 lц. 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 - ηt).
Термический коэффициент полезного действия – это отношение работы, производимой двигателем за цикл lц, 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.
2. Невозможна периодически действующая тепловая машина, единственным результатом действия которой было бы получение работы за счет отнятия теплоты от некоторого источника. (Формулировка В.Томсона, 1851 г.)
Превращение теплоты в работу - это не самопроизвольный процесс, который требует для своего протекания затрат энергии в виде теплоты, передаваемой холодному источнику.
Все самопроизвольные процессы протекают от более высокого потенциала энергии к более низкому потенциалу, вплоть до состояния равновесия с окружающей средой.
Клаузиус в 1850 г. дал следующую формулировку второго закона термодинамики:
3.Теплота не может переходить сама по себе от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой.
Процессы могут протекать в направлении обратном самопроизвольному процессу только если энергия для этого черпается из окружающей среды. Например – в холодильных установках.
Дата добавления: 2015-09-11; просмотров: 1922;