Принцип работы тепловой машины. КПД теплового двигателя. Второе начало термодинамики. Цикл Карно. Энтропия. Закон возрастания энтропии Основные положения молекулярно-кинетической теории. Масса и размер молекул

§6 Энтропия

Обычно всякий процесс, при котором система переходит из одного состояния в другое, протекает таким образом, что нельзя провести этот процесс в обратном направлении так, чтобы система проходила через те же промежуточные состояния, и при этом в окружающих телах не произошли какие-либо изменения. Это связано с тем, что в процессе часть энергии рассеивается, например, за счет трения, излучения и т. п. Т. о. практически все процессы в природе необратимы. В любом процессе часть энергии теряется. Для характеристики рассеяния энергии вводится понятие энтропии. (Величина энтропии характеризует тепловое состояние системы и определяет вероятность осуществления данного состояния тела. Чем более вероятно данное состояния, тем больше энтропия.) Все естественные процессы сопровождаются ростом энтропии. Энтропия остается постоянной только в случае идеализированного обратимого процесса, происходящего в замкнутой системе, то есть в системе, в которой не происходит обмен энергией с внешними по отношению к этой системе телами.

Энтропия и ее термодинамический смысл:

Энтропия - это такая функция состояния системы, бесконечно малое изменение которой в обратимом процессе равно отношению бесконечно малого количества теплоты, введенного в этом процессе, к температуре, при которой оно вводилось.

В конечном обратимом процессе изменения энтропии может быть подсчитано по формуле:

где интеграл берется от начального состояния 1 системы до конечного состояния 2.

Поскольку энтропия есть функция состояния, то свойством интеграла является его независимость от формы контура (пути), по которому он вычисляется, следовательно, интеграл определяется только начальным и конечным состояниям системы.

• В любом обратимом процессе изменения энтропии равно 0

(1)

• В термодинамике доказывается, что S системы совершающей необратимой цикл возрастает

Δ S > 0 (2)

Выражения (1) и (2) относятся только к замкнутым системам, если же система обменивается теплотой с внешней средой, то её S может вести себя любым образом.

Соотношения (1) и(2) можно представить в виде неравенства Клаузиуса

Δ S ≥ 0

т.е. энтропия замкнутой системы может либо возрастать (в случае необратимых процессов) либо оставаться постоянной (в случае обратимых процессов).

Если система совершает равновесный переход из состояния 1 в состояния 2, то изменения энтропии

где dU и δA записывается для конкретного процесса. По этой формуле Δ S определяется с точностью до аддитивной постоянной. Физический смысл имеет не сама энтропия, а разность энтропий. Найдем изменение энтропии в процессах идеального газа.

т.е. изменения энтропии S Δ S 1→2 идеального газа при переходе его из состояния 1 в состояния 2 не зависит от вида процесса.

Т.к. для адиабатического процесса δ Q = 0, то Δ S = 0 => S = const , то есть адиабатический обратимый процесс протекает при постоянной энтропии. Поэтому его называют изоэнтропийным.

При изотермическом процессе (T = const ; T 1 = T 2 : )

При изохорном процессе (V = const ; V 1 = V 2 ; )

Энтропия обладает свойством аддитивности: энтропия системы равна сумме энтропий тел входящих в систему. S = S 1 + S 2 + S 3 + ... Качественным отличием теплового движения молекул от других форм движения является его хаотичность, беспорядочность. Поэтому для характеристики теплового движения необходимо ввести количественную меру степени молекулярного беспорядка. Если рассмотреть какое-либо данное макроскопическое состояния тела с определенными средними значениями параметров, то оно есть нечто иное, как непрерывная смена близких микросостояний, отличающихся друг от друга распределением молекул в разных частях объема и распределяемой энергией между молекулами. Число этих непрерывно сменяющих друг друга микросостояний характеризует степень беспорядочности макроскопического состояния всей системы, w называется термодинамической вероятностью данного микросостояния. Термодинамическая вероятность w состояния системы — это число способов, которыми может быть реализовано данное состояния макроскопической системы, или число микросостояний, осуществляющих данное микросостояния (w ≥ 1, а математическая вероятность ≤ 1 ).

За меру неожиданности события условились принимать логарифм его вероятности, взятый со знаком минус: неожиданность состояния равна = -

Согласно Больцману, энтропия S системы и термодинамическая вероятность связаны между собой следующим образом:

где - постоянная Больцмана (). Таким образом, энтропия определяется логарифмом числа состояния, с помощью которых может быть реализовано данное микросостояние. Энтропия может рассматриваться как мера вероятности состояния т/д системы. Формула Больцмана позволяет дать энтропии следующее статистическое толкования. Энтропия является мерой неупорядоченности системы. В самом деле, чем больше число микросостояний реализующих данное микросостояние, тем больше энтропия. В состоянии равновесия системы - наиболее вероятного состояния системы - число микросостояний максимально, при этом максимальна и энтропия.

Т.к. реальные процессы необратимы, то можно утверждать, что все процессы в замкнутой системе ведут к увеличению ее энтропии - принцип возрастания энтропии. При статистическом толковании энтропии это означает, что процессы в замкнутой системе идут в направлении увеличения числа микросостояний, иными словами, от менее вероятных состояний к более вероятным, до тех пор, пока вероятность состояния не станет максимальной.

§7 Второе начало термодинамики

Первое начало термодинамики, выражая закон сохранения энергии и превращения энергии, не позволяет установить направление протекания т/д процессов. Кроме того, можно представить множество процессов, не противоречащих I началу т/д, в которых энергия сохраняется, а в природе они не осуществляются. Возможные формулировки второго начало т/д:

1) закон возрастания энтропии замкнутой системы при необратимых процессах: любой необратимой процесс в замкнутой системе происходит так, что энтропия системы при этом возрастает Δ S ≥ 0 (необратимый процесс) 2) Δ S ≥ 0 (S = 0 при обратимом и Δ S ≥ 0 при необратимом процессе)

В процессах, происходящих в замкнутой системе, энтропия не убывает.

2) Из формулы Больцмана S = , следовательно, возрастание энтропии означает переход системы из менее вероятного состояния в более вероятное.

3) По Кельвину: не возможен круговой процесс, единственным результатом которого является превращения теплоты, полученной от нагревателя в эквивалентную ей работу.

4) По Клаузиусу: не возможен круговой процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому.

Для описания т/д систем при 0 К используют теорему Нернста-Планка (третье начало т/д): энтропия всех тел в состоянии равновесия стремится к нулю по мере приближения температуры к 0 К

Из теоремы Нернста-Планка следует, что C p = C v = 0 при 0 К

§8 Тепловые и холодильные машины.

Цикл Карно и его к.п.д.

Из формулировки второго начала т/д по Кельвину следует, что вечный двигатель второго рода невозможен. (Вечный двигатель - это периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет охлаждения одного источника теплоты.)

Термостат - это т/д система, которая может обмениваться теплотой с телами без изменения температуры.

Принцип действия теплового двигателя: от термостата с температурой Т 1 - нагревателя, за цикл отнимается количество теплоты Q 1 , а термостату с температурой Т 2 (Т 2 < Т 1) -холодильнику, за цикл передается количество теплоты Q 2 , при этом совершается работа А = Q 1 - Q 2

Круговым процессом или циклом называется процесс, при котором система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное. На диаграмме состояний цикл изображается замкнутой кривой. Цикл, совершаемый идеальным газом, можно разбить на процессы расширения (1-2) и сжатия (2-1), работа расширения положительна А 1-2 > 0, т.к. V 2 > V 1 , работа сжатия отрицательна А 1-2 < 0, т.к. V 2 < V 1 . Следовательно, работа совершаемая газом за цикл, определяется площадью, охватываемой замкнутой кривой 1-2-1. Если за цикл совершается положительная работа (цикл по часовой стрелке), то цикл называется прямым, если - обратный цикл (цикл происходит в направлении против часовой стрелки).

Прямой цикл используется в тепловых двигателях - периодически действующих двигателях, совершающих работу за счет полученной извне теплоты. Обратный цикл используется в холодильных машинах - периодически действующих установках, в которых за счет работы внешних сил теплота переносится к телу с более высокой температурой.

В результате кругового процесса система возвращается в исходное состояние и, следовательно, полное изменение внутренней энергии равно нулю. Тогда І начало т/д для кругового процесса

Q = Δ U + A = A ,

Т. е. работа, совершаемая за цикл равна количеству полученной извне теплоты, но

Q = Q 1 - Q 2

Q 1 - количество теплоты, полученное системой,

Q 2 - количество теплоты, отданное системой.

Термический к.п.д. для кругового процесса равен отношению работы, совершенной системой, к количеству теплоты, подведенному к системе:

Чтобы η = 1, должно выполняться условие Q 2 = 0, т.е. тепловой двигатель должен иметь один источник теплоты Q 1 , но это противоречит второму началу т/д.

Процесс обратный происходящему в тепловом двигателе, используется в холодильной машине.

От термостата с температурой Т 2 отнимается количество теплоты Q 2 и передается термостату с температурой T 1 , количество теплоты Q 1 .

Q = Q 2 - Q 1 < 0, следовательно A < 0.

Без совершения работы нельзя отбирать теплоту от менее нагретого тела и отдавать ее более нагретому.

Основываясь на втором начале т/д, Карно вывел теорему.

Теорема Карно: из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей (Т 1) и холодильников (Т 2), наибольшим к.п.д. обладают обратимые машины. К.П.Д. обратимых машин при равных Т 1 и Т 2 равны и не зависят от природы рабочего тела.

Рабочее тело - тело, совершающее круговой процесс и обменивающиеся энергией с другими телами.

Цикл Карно - обратимый наиболее экономичный цикл, состоящий из 2-х изотерм и 2-х адиабат.

1-2-изотермическое расширения при Т 1 нагревателя; к газу подводится теплота Q 1 и совершается работа

2-3 - адиабат. расширение, газ совершает работу A 2-3 >0 над внешними телами.

3-4-изотермическое сжатие при Т 2 холодильника; отбирается теплота Q 2 и совершается работа ;

4-1-адиабатическое сжатие, над газом совершается работа A 4-1 <0 внешними телами.

При изотермическом процессе U = const , поэтому Q 1 = A 12

1

При адиабатическом расширении Q 2-3 = 0, и работа газа A 23 совершается за счет внутренней энергии A 23 = - U

Количество теплоты Q 2 , отданное газом холодильнику при изотермическом сжатии равно работе сжатия А 3-4

2

Работа адиабатического сжатия

Работа, совершаемая в результате кругового процесса

A = A 12 + A 23 + A 34 + A 41 = Q 1 + A 23 - Q 2 - A 23 = Q 1 - Q 2

и равна площади кривой 1-2-3-4-1.

Термический к.п.д. цикла Карно

Из уравнения адиабаты для процессов 2-3 и 3-4 получим

Тогда

т.е. к.п.д. цикла Карно определяется только температурами нагревателя и холодильника. Для увеличения к.п.д. нужно увеличивать разность Т 1 - Т 2 .

******************************************************* ******************************************************

Положение о необратимости процессов в природе (см. § 69), указывающее направление этих процессов, представляет собой одно из общих выражений второго начала термодинамики. Более конкретную формулировку и математическое выражение второго начала можно получить из рассмотрения так называемого цикла Карно, с которым мы познакомимся, введя предварительно понятие о круговом процессе.

Круговым процессом, или циклом, называется процесс, в результате которого система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное состояние. Очевидно, что на графике круговой процесс изобразится замкнутой кривой линией (рис. 138). Работа А у совершаемая при круговом

процессе, численно равна площади ограниченной этой замкнутой линией. Поясним данное утверждение, полагая для определенности, что системой является некоторая масса газа. Цикл состоит из двух последовательных процессов: расширения и сжатия газа. В соответствии с графическим представлением работы, рассмотренным в § 70 (см. рис. 135), работа А и совершаемая газом при расширении, выразится площадью фигуры эта работа положительна (см. § 69). На тех же основаниях работа совершаемая при сжатии газа, выразится площадью фигуры и будет отрицательной. Тогда работа, совершенная при круговом процессе,

и выразится разностью площадей фигур и т. е. площадью фигуры, ограниченной замкнутой линией Если круговой процесс идет по часовой стрелке , то работа будет положительной (так как если же круговой процесс идет против часовой стрелки отрицательной (так как ).

Если в результате цикла совершается некоторая работа то система, периодически повторяющая такой цикл, называется машиной.

В 1824 г. французский инженер Сади Карно теоретически рассмотрел работу идеальной тепловой машины, состоящей из одного моля идеального газа (рабочее тело), заключенного в цилиндр под поршнем, нагревателя и холодильника. Эта система периодически совершает обратимые циклы, состоящие из двух изотермических и двух адиабатических процессов (рис. 139). Стенки цилиндра и поршень абсолютно нетеплопроводны, а дно цилиндра абсолютно теплопроводно. Однако с помощью абсолютно нетеплопроводной крышки прикладываемой ко дну цилиндра, можно было сделать весь цилиндр абсолютно нетеплопроводным. Трение и тепловые потери в системе полностью отсутствуют.

Проследим за работой этой идеальной тепловой машины, получившей название цикла Карно. Изменения состояния системы будем изображать на диаграмме, а положения поршня в цилиндре - на схеме (см. рис. 139).

1. Газ находится в сжатом состоянии поршень - в положении 1. Чтобы обеспечить изотермическое расширение газа, приведем дно цилиндра в тепловой контакт с нагревателем находящимся при температуре

2. Когда газ расширится до состояния уберем нагреватель и, закрыв дно крышкой предоставим газу возможность

закончить расширение адиабатически до состояния Совершая работу по расширению, газ охладится; поэтому

3. Чтобы завершить цикл, т. е. вернуть газ в начальное состояние а поршень - в исходное положение 7, необходимо совершить внешнюю работу сжатия газа. Будем сначала сжимать газ изотермически до состояния заменив крышку холодильника X (при температуре Причем состояние 4 надо выбрать заранее, с таким расчетом, чтобы из него по адиабате 4-1 можно было перевести газ в начальное состояние 1.

4. Завершим сжатие газа до начального состояния адиабатически, заменив холодильник крышкой

Цикл закончен и может быть затем многократно повторен. На участке 1 2 газ совершил работу по изотермическому расширению, получив от нагревателя количество теплоты На участке газ совершил работу по адиабатическому расширению за счет своей внутренней энергии. На участке 3-4 внешние силы совершили работу по изотермическому сжатию газа; при этом он отдал холодильнику количество теплоты Наконец, на участке 4 внешние силы совершили работу по адиабатическому сжатию газа, повысив его внутреннюю энергию.

Так как газ вернулся в первоначальное состояние, то изменение его внутренней энергии Тогда, согласно первому началу термодинамики [формула (1)], полученное газом в результате всего цикла количество теплоты должно равняться совершенной им за время цикла работе:

Нетрудно показать, что по абсолютной величине Действительно, оба адиабатических процесса осуществлялись в одном и том же интервале температур Тогда, согласно формуле (13), будут одинаковыми и совершаемые при этих процессах работы. Поэтому формула (14) примет вид

где - суммарная работа, совершаемая за весь цикл и численно равная площади 1234, ограниченной графиком цикла. Так как цикл проводился по часовой стрелке, то эта работа положительна. Итак, в результате цикла газ, получив количество теплоты от нагревателя и передав часть этого количества теплоты холодильнику, совершил внешнюю работу, равную

Зададимся вопросом: может ли рассматриваемая тепловая машина совершать работу только за счет получения количества теплоты от нагревателя, не отдавая части количества теплоты

холодильнику? Иными словами, можно ли теплоту целиком превращать в работу? Очевидно, что при отсутствии холодильника процесс можно было бы замкнуть (т. е. получить цикл) только посредством обратного процесса Площадь такого цикла, а следовательно, и совершаемая работа будут равны нулю. Таким образом, отдача части теплоты холодильнику является необходимым условием совершения работы. Но тогда, согласно формуле (16),

т. е. рассматриваемая тепловая машина не может все полученное количество теплоты целиком переводить в работу. Как показывают опыт и выводы из всей термодинамики, это невозможно не только для данной машины, но и вообще.

Невозможен механизм, который все получаемое от нагревателя количество теплоты целиком переводил бы в работу; часть этого количества теплоты должна быть отдана холодильнику.

Это утверждение является одной из формулировок второго начала термодинамики, а формулы (16) и (17) - его математическими выражениями. Таким образом, тепловая машина должна работать по схеме, представленной на рис. 140.

Воображаемый механизм, превращающий все количество теплоты в работу, называется вечным двигателем второго рода. Его осуществление дало бы человечеству неисчерпаемый источник энергии, поскольку запасы теплоты на Земле практически неограниченны. За счет одного только количества теплоты, содержащегося в воде морей и океанов можно было бы с помощью вечного двигателя второго рода приводить в движение машины всех фабрик и заводов в течение многих тысячелетий. Причем за первые 1700 лет такой «перекачки» теплоты температура воды в океане понизилась бы в среднем только на одну сотую долю кельвина.

Второе начало термодинамики. Принцип работы тепловой машины. Цикл Карно. КПД теплового двигателя.

Второе начало термодинамики (ВНТ)

Выражая всœеобщий закон сохранения и превращения энергии, первое начало термодинамики (ПНТ) не позволяет определить направление протекания процессов

ВНТ справедливо только по отношению к термодинамическим системам. Существует несколько эквивалентных формулировок ВНТ:

1. Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от холодного тела к горячему (формулировка Клаузиуса).

2. Невозможен процесс, единственным результатом которого является совершение работы за счёт охлаждения одного тела (формулировка Томсон).

3. Энтропия изолированной системы не может убывать при любых происходящих в ней процессах, ᴛ.ᴇ. dS³0, где знак равенства относится к обратимым процессам, а знак больше – к необратимым процессам.(Формулировка Клаузиуса)

Формула Больцмана (31) S=klnW позволяет дать статистическое истолкование третьей формулировки ВНТ: Термодинамическая вероятность W состояния изолированной системы при всœех происходящих в ней процессах не может убывать.

Оно выражает необходимые закономерности хаотического движения большого числа частиц, входящих в состав изолированной системы.

Цикл Карно

Цикл Карно изображен, где изотермическое расширение и сжатие заданы соответственно кривыми 1-2 и 3-4, адиабатическое расширение и сжатие – кривыми 2-3 и 4-1.

Принцип работы тепловой машины.

Тепловой машиной принято называть циклическое устройство, превращающее теплоту, выделœенную при сжигании топлива, в работу.

Элементы тепловой машины:

Нагреватель

Рабочее вещество

Холодильник

На примере цилиндра автомобиля - происходит нагревание воздуха, повышение температуры воздуха, это вызывает поступательное движение поршня. Движущийся поршень приводит во вращение коленчатый вал, а далее через систему зубчатых передач вращательное движение передаётся колёсам.

КПД-Это работы машины к затраченной энергии.

Пусть в результате некоторого процесса система (ТДС) переходит из состояния 1 в состояние 2. Все процессы перехода системы можно разделить на два вида: 1) обратимые 2) и необратимые процессы.

Процесс 1→2 называется обратимым, если можно осуществить обратный переход 2→1 через те же промежуточные состояния в исходное состояние таким образом, чтобы состояние системы и тел вне системы осталось неизменным.

Процесс 1→2 называется необратимым, если после обратного процесса 2→1 в окружающих систему телах, либо в самой системе произошли какие-то изменения.

Отсутствие изменений в окружающей систему среде, является важной особенностью обратимого процесса. Если в ходе обратимого процесса система выполнила работу A за счет количества теплоты Q , полученного от окружающих ее тел, то при возвращении в первоначальное состояние, она должна отдать окружающим телам такое же количество теплоты Q и над ней должна быть выполнена такая же работа A .

Любой процесс, сопровождающийся трением, является необратимым, потому что в результате трения часть механической энергии переходит в теплоту, которая идет на нагревание трущихся тел. Это тепло рассеивается в окружающей среде и трущиеся, тела не могут сами по себе отдать это тепло в обратном процессе перехода.

Если силы трения очень малы, то процессы могут быть весьма близкими к обратимым. Например, колебания тяжелого маятника, удар стального шарика о массивную стальную плиту.

Необратимыми являются процессы, сопровождающиеся явлением теплопередачи, потому что переход теплоты от холодного тела к горячему не может происходить самопроизвольно. Для осуществления таких процессов требуется работа со стороны внешних тел, что приводит к изменениям в их состоянии, при этом утрачивается условие обратимости.

Необратимым является также процесс расширения газа в пустоту. При этом газ не испытывает сопротивления и не выполняет работу. Однако собрать газ обратно в сосуд без выполнения работы внешними телами невозможно.

Очевидно, что обратимыми могут быть только равновесные (квазистатические) процессы. При протекании равновесных процессов каждое промежуточное состояние является равновесным (состояние термодинамического равновесия) и, поэтому процесс может протекать в обратном направлении так, что в окружающих систему телах не останется никаких изменений. Обратимыми можно считать все изопроцессы.

I начало термодинамики устанавливает количественные соотношения между теплотой, работой и изменением внутренней энергии. Однако оно не указывает направление протекания процессов и не отвечает на вопрос о возможности протекания того либо иного процесса.

Согласно первому началу термодинамики в изолированной системе возможен процесс самопроизвольного перехода теплоты от холодного тела к горячему, главное чтобы при этом выполнялось равенство:

где Q 1 – количество теплоты, отданное первым телом, Q 2 – количество теплоты, полученное вторым телом.

Однако многочисленные опыты показывают, что теплота самопроизвольно переходит от горячего тела к холодному и никогда самопроизвольно наоборот.

Существует множество процессов в природе, которые самопроизвольно протекают только в строго определенном направлении: диффузия, расширение газа в пустоту, остывание нагретого тела и т.д.

I начало термодинамики не запрещает протекание этих процессов в обратном направлении, главное, чтобы при этом, не нарушался закон сохранения энергии .

Ответ на вопрос о возможности протекания того или иного процесса, о направлении протекания процессов дает второе начало термодинамики. II начало термодинамики, как и I начало, является обобщением многочисленных опытов.

II начало термодинамики – фундаментальный закон природы. Он охватывает все явления, которые связаны с обменом энергией и имеет глубокие практические и философские следствия.

Клаузиус: 1) Теплота не может сама собой перейти от менее нагретого тела к более нагретому . 2) Энтропия любой изолированной системы стремится к максимуму .

Кельвин (Томсон): Нельзя построить тепловую машину, которая превращала бы в работу теплоту наиболее холодного тела в системе .

Планк: Нельзя построить периодически действующую машину, единственным результатом работы которой было бы превращение теплоты в работу (важно периодически , т.к. при изотермическом процессе ΔU 12 = 0 и Q 12 = A 12 , но это будет однократный процесс).

Оствальд: Невозможно построить вечный двигатель второго рода .

Карно: Коэффициент полезного действия (КПД) идеальной тепловой машины не зависит от рода рабочего тела и определяется только температурами теплоотдатчика и теплоприемника .

Процессы, не противоречащие первому закону термодинамики, но запрещаемые вторым законом: 1 – «вечный двигатель второго рода»; 2 – самопроизвольный переход тепла от холодного тела к более теплому («идеальная холодильная машина»).

Практически все формулировки II начала термодинамики касаются тепловой машины. Рассмотрим принцип ее действия.

Процесс, при котором ТДС после ряда изменений состояния возвращается в первоначальное состояние, называется круговым процессом или циклом .

Тепловая машина это устройство , многократно выполняющее какой-либо круговой процесс и преобразующее теплоту в работу .

Работа, которая выполняется при круговом процессе, численно равна площади, охватываемой кривой, описывающей этот цикл (рис.1).

Рис.1. Термодинамический цикл тепловой машины

Эта работа положительная при прямом цикле 1a 2b 1 и отрицательная при обратном цикле 1b 2a 1. Любая тепловая машина независимо от ее конструкции состоит из трех основных частей: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Принцип действия тепловых машин заключается в следующем. Нагреватель передает рабочему телу теплоту, вызывая повышение его температуры. Рабочее тело совершает работу над каким-либо механическим устройством, например, приводит во вращение турбину или перемещает поршень в цилиндре и далее отдает холодильнику теплоту, возвращаясь в исходное состояние.

Машина, в которой рабочим телом служит идеальный газ, называется идеальной тепловой машиной. Тепловые машины могут работать по прямому или обратному циклу.

Рассмотрим схему машины, работающей по прямому циклу рис.2.

Рис.2. Энергетическая схема тепловой машины: 1 – нагреватель; 2 – холодильник; 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс.

Рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты Q 1 . При этом оно расширяется по кривой 1a 2 (рис.1) и выполняет работу A . Чтобы цикл замкнулся рабочее тело необходимо перевести в первоначальное состояние 1. Для этого его надо сжать. Для сжатия необходимо совершить над рабочим телом работу. Для того чтобы работа, выполняемая при сжатии, была меньше, чем работа, выполненная при расширении, сжатие необходимо вести по кривой 2b 1. Следовательно, сжатие надо вести при более низкой температуре, чем температура нагревателя T 1 . Поэтому необходимо отнять у рабочего тела часть тепла Q 2 и передать ее холодильнику. В результате кругового процесса изменение внутренней энергии рабочего тела будет равно нулю:

Тогда согласно I началу термодинамики работа, совершенная рабочим телом за цикл равна разности подведенной и отведенной теплоты:

(1)

Экономичность работы тепловых машин характеризуется коэффициентом полезного действия КПД , который показывает, какая часть полученной теплоты преобразовалась в работу. КПД равен отношению работы A , выполненной за цикл к количеству теплоты, полученной машиной за цикл:

(2)

Рассмотрим работу тепловой машины по обратному циклу

Рис.3. Схема работы холодильной машины.

В этом случае рабочее тело расширяется вдоль кривой 1b 2, при этом выполняется положительная работа A 1 b 2 численно равная площади под кривой 1b 2. При сжатии рабочее тело возвращается в первоначальное состояние вдоль кривой 2a 1, при этом над ним совершается отрицательная работа A 2 a 1 численно равная площади под кривой 2a 1. Суммарная работа за цикл:

Это значит, что внешние силы совершают работу над рабочим телом. Такой круговой процесс называется обратным. В результате обратного цикла некоторое количество теплоты забирается у холодильника и передается нагревателю за счет работы внешних сил. Расширение рабочего тела происходит при более низкой температуре, чем сжатие. В результате некоторое количество теплоты забирается у холодного тела и передается горячему за счет работы внешних сил. Машина, которая работает по такому циклу, называется холодильной .

За счет работы внешних сил машина отдает больше тепла, чем получает:

(3)

Работа такой машины характеризуется холодильным коэффициентом:

где Q 2 – теплота, отнятая от холодного тела, A – работа, выполненная над рабочим телом за цикл. Холодильный коэффициент больше единицы (тепловые насосы).

Теоретический анализ работы идеальной тепловой машины провел французский ученый Сади Карно в 1824 году. Он предложил круговой процесс (цикл) для работы идеальной тепловой машины, который складывается из двух изотерм и двух адиабат. Этот цикл называется циклом Карно . Цикл Карно сыграл важную роль в развитии теплотехники и термодинамики. Анализ этого цикла позволил улучшить работу тепловых машин, повысить их КПД .

Прямой цикл Карно складывается из четырех последовательных равновесных процессов рис.4.

Рис.4. Цикл Карно

1→2 - изотермическое расширение при температуре T 1 , 2→3 – адиабатное расширение, 3→4 – изотермическое сжатие при температуре T 2 , 4→1 – адиабатное сжатие. В машине, работающей по циклу Карно, отсутствуют потери энергии на теплопроводность, трение и т.д. Цикл Карно обратимый, потому что все процессы в нем квазистатические. С машиной связаны два тепловых резервуара. Один с температурой T 1 – нагреватель или теплоотдатчик, второй с более низкой температурой T 2 – холодильник или теплоприемник. Эти резервуары настолько велики, что отдача или прием теплоты практически не изменяют их температуры.

Определим работу, выполненную идеальным газом за один цикл Карно. При изотермическом процессе 1→2 T 1 = const, ΔU 12 = 0 и, согласно I началу термодинамики газу надо передать от нагревателя количество теплоты Q 1 , равное работе, которую газ выполняет при расширении:

(5)

При адиабатном процессе 2→3, Q 23 = 0, температура газа понижается до T 2 , работа при расширении газа выполняется за счет уменьшения его внутренней энергии. Согласно I началу термодинамики:

Отсюда следует, что:

Изотермическое сжатие газа 3→4 выполняется за счет работы ты внешних сил. Чтобы температура газа осталась постоянной от него надо отнять количество теплоты Q 2 и передать ее холодильнику. Для изотермического процесса T 2 = const, ΔU 23 = 0 и, согласно I началу термодинамики.

Первое начало термодинамики, выражая закон сохранения и превращения энергии, не позволяет установить направление протекания термодинамических процессов. Кроме того, можно представить множество процессов, не противоречащих первому началу, в которых энергия сохраняется, а в природе они не осуществляются. Появление второго начала термодинамики - необходимость дать ответ на вопрос, какие процессы в природе возможны, а какие нет - определяет направление развития процессов.

Используя понятие энтропии и неравенство Клаузиуса, второе начало термодинамики можно сформулировать как закон возрастания энтропии замкнутой системы при необратимых процессах: любой необратимый процесс в замкнутой системе происходит так, что энтропия системы при этом возрастает.

Можно дать наиболее краткую формулировку второго начала термодинамики: в процессах, происходящих в замкнутой системе, энтропия не убывает. Здесь существенно, что речь идет о замкнутых системах, так как в незамкнутых системах энтропия может вести себя любым образом (убывать, возрастать, оставаться постоянной). Кроме того, отметим еще раз, что энтропия остается постоянной в замкнутой системе при обратимых процессах. При необратимых процессах в замкнутой системе энтропия всегда возрастает.

2.10 Тепловые двигатели и холодильные машины.
Цикл Карно и его коэффициент полезного действия
для идеального газа.

Изформулировки второго начала термодинамики по Кельвину следует, что вечныи двигатель второго рода – периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет охлаждения одного источника теплоты, - невозможен. Для иллюстрации этого положения рассмотрим работу теплового двигателя.

Принцип действия теплового двигателя приведен на рис.63. От термостата с более высокой температурой T 1 , называемого нагревателем за цикл отнимается количество теплоты Q 1 , а термостату с более низкой температурой Т 2 , называемому холодильником , за цикл передается количество теплоты Q 2 , при этом совершается работа A=Q 1 –Q 2 .

Чтобы термический коэффициент полезного действия теплового двигателя был h =1, должно быть выполнено условие Q 2 =0, т.е. тепловой двигатель должен иметь один источник теплоты, а это невозможно. Так, французский физик и инженер Н. Л. С. Карно показал, что для работы теплового двигателя необходимо не менее двух источников теплоты с различными температурами, иначе это противоречило бы второму началу термодинамики.

Рис. 2.10.1 Рис. 2.10.2

Процесс, обратный происходящему в тепловом двигателе, используется в холодильной машине, принцип действия которой представлен на
рис. 2.10.2.

Системой за цикл от термостата с более низкой температурой Т 2 отнимается количество теплоты Q 2 и отдается термостату с более высокой температурой T 1 количество теплоты Q 1 . Для кругового процесса Q=A, но, по условию, Q=Q 2 –Q 1 <0, поэтому А<0 и Q 2 –Q 1 = -А, или Q 1 =Q 2 +А, т.е. количество теплоты Q 1 , отданное системой источнику теплоты при более высокой температуре T 1 , больше количества теплоты Q 2 , полученного от источника теплоты при более низкой температуре Т 2 , на величину работы, совершенной над системой. Следовательно, без совершения работы нельзя отбирать теплоту от менее нагретого тела и отдавать ее более нагретому. Это утверждение есть не что
иное, как второе начало термодинамики в формулировке Клаузиуса.

Однако второе начало термодинамики не следует представлять так, что оно совсем запрещает переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. Ведь именно такой переход осуществляется в холодильной машине. Но при этом надо помнить, что внешние силы совершают работу над системой, т.е. этот переход не является единственным результатом процесса.

Основываясь на втором начале термодинамики, К а р н о вывел теорему носящую теперь его имя: из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей (Т 1) и холодильников (Т 2 ), наибольшим кпд обладают обратимые машины; при этом кпд обратимых машин, работающих при одинаковых температурах нагревателей (Т 1) и холодильников (Т 2), равны друг другу и не зависят от природы рабочего тела.

Карно теоретически проанализировал обратимый наиболее экономичный цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, и называемый
циклом Карно. Рассмотрим прямой цикл Карно, в котором в качестве рабочего тела используется идеальный газ, заключенный в сосуд с подвижным поршнем.

При изотермическом процессе U=const, поэтому количество теплоты Q 1 , полученное газом от нагревателя, равно работе расширения А 12 , совершаемой газом при переходе из состояния 1 в состояние 2:

. (2.10.1)

При адиабатическом расширении 2-3 теплообмен с окружающей средой отсутствует, и работа расширения А 23 совершается за счет изменения внутренней энергии:

.