Второй закон термодинамики. Первый закон термодинамики устанавливает количественные отношения в процессах взаимного превращения энергии

Первый закон термодинамики устанавливает количественные отношения в процессах взаимного превращения энергии. С помощью первого закона термодинамики рассматриваются всевозможные превращения энергии из одного вида в другой, изучаются происходящие при этом явления. Но при этом совершенно не рассматриваются условия возможности преобразования энергии: согласно первому закону термодинамики при протекании термодинамического процесса передаче теплоты между телами с разной температурой равновозможными являются оба направления передачи теплоты, как от тела с более высокой температурой к телу с низкой температурой, так и от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. При этом согласно первому закону термодинамики, накладывается только одно условие – условие баланса энергии, то есть количество теплоты, отданное одним из тел, должно быть равно количеству теплоты, полученному другим телом.

В действительности же все процессы, происходящие в природе, являются направленными, то есть самопроизвольно они могут идти только в одном направлении: так, теплота самопроизвольно может передаваться только от более нагретых тел к менее нагретым, газ перетекает из области с высоким давлением в область с низким давлением и т.д. Все эти самопроизвольные (естественные) процессы прекращаются, как только исчезает разница температур, давлений, разность потенциала и т.п.

Однако возможны и обратные, несамопроизвольные процессы - передача теплоты от менее нагретых тел я более нагретым (холодильные установки, кондиционеры и т.д.), нагнетание газов в компрессорах, но для осуществления таких «противоестественных» процессов требуется подвести энергию извне и затраты этой энергии для компенсирования протекания несамопроизвольного процесса.

Эту особенность самопроизвольных процессов сформулировал в 1800 году Р.Клаузиус в применении к процессам передачи теплоты: «теплотане может сама собой переходить от менее нагретого тела кболее нагретому» или «некомпенсированный переход теплоты от тела сменьшей температурой к телу с большей температурой невозможен».

Еще более ярко раскрывается особенность теплоты в процессе ее преобразования в работу. Опыт показывает, что работа может быть полностью превращена в теплоту без каких-либо дополнительных условий или компенсации (например, при помощи трения). Преобразование теплоты в работу в тепловых двигателях требует периодического повторения процесса расширения рабочего тела, для чего необходимо возвращать рабочее тело в исходное состояние, то есть тепловые двигатели должны работать циклично. В процессе расширения рабочего тела от верхнего источника теплоты (ВИТ) подводится теплота – q₁, для приведения рабочего тела в исходное состояние (осуществление цикла) требуется отвести часть подведенной теплоты к нижнему источнику теплоты (НИТ) – q₂.

Рис. 1.10. Круговой процесс теплового двигателя:

а) в - координатах;

б) в - координатах.

Необходимость отвода теплоты для возвращения рабочего тела в исходное состояние приводит к тому, что всю теплоту, подведенную к рабочему телу, нельзя преобразовать в работу. В полезную работу преобразовывается только часть подведенной теплоты – q₀, которая численно равна полезной работе цикла – l₀.

.

Эффективность тепловых двигателей оценивается с помощью термического коэффициента полезного действия, который равен отношению превращенной в полезную работу теплоты (полезно использованной) к затрачиваемой теплоте за один цикл -

.

Так как в круговых процессах невозможно полностью преобразовать подведенную теплоту в работу - часть подведенной работы обязательно должна быть отдана холодному источнику для возврата рабочего тела в исходное состояние (q₂) и эта часть уже не может быть преобразована в полезную работу, то термический коэффициент полезного действия любого цикла теплового двигателя, в том числе и теоретического, всегда будет меньше единицы.

Этивыводы являются сущностью второго закона термодинамики в круговых процессах преобразования теплоты в работу. Этот закон былсформулирован различными образами, отражающими его сущность.

Р.Планк – «нельзя построить периодически действующую машину (двигатель), единственным результатом которой было бы охлаждение источника теплоты и поднятие груза»…, тo есть необходимо еще дополнительно отдавать теплоту нижнему источнику теплоты.

С. Карно - в его работе смысл второго закона термодинамики определяется выражением – «для получения из теплоты работы необходимо иметь разность температур».

Тепловой двигатель, работающий только с одним верхним (горячим) источником теплоты, называется вечным двигателем второго рода_. С учетом понятия вечного двигателя второго рода второй закон термодинамики можно сформулировать и так - вечный двигатель второго рода невозможен. В самом деле, если допустить создание теплового двигателя, который работал бы только за счет охлаждения верхнего источника теплоты, то, используя запасы внутренней энергии атмосферы или воды мирового океана, можно было бы получить практически неограниченное количество «даровой» энергии, то есть в сущности получить вечный двигатель (расчеты показывают, что использование теплоты воды мирового океана для всех энергетических установок земного шара охладило бы океан только на 0,01°С за 1700 лет).

В силу этого воздух атмосферы и вода бассейнов используется только в качестве низких (холодных) источников теплоты, а верхние (горячие) источники теплоты создаются искусственно за счет сгорания топлива или ядерных реакций.

Таким образом, преобразование теплоты в работу без протекания какого-либо дополнительного самопроизвольного процесса (например, расширения рабочего тела или рассеивания теплоты в пространстве в случае разомкнутого процесса), тo есть без компенсации, невозможно.

Между тем преобразование работыв теплоту происходит без компенсации и полностью. В этом состоит качественное отличие теплоты и работы.

Следует также подчеркнуть, что все формулировки второго закона термодинамики получены вследствие наблюдений за процессами, то есть второй закон термодинамики, так же как и первый закон, является опытным, обобщающим все известные в природе и технике самопроизвольные (естественные) процессы.

Важнейшим следствием второго закона термодинамики является установление абсолютной термодинамической шкалы температур и понятие энтропии, как тепловой функции состояния, изменение которой в процессах характеризует отмеченные особенности передачи и превращения теплоты.

Дата добавления: 2014-10-28; просмотров: 459; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!