IV. Второе начало термодинами

Первое начало термодинамики, выражая закон сохранения и превращения энергии, не позволяет указать направления протекания процессов. Кроме того, можно представить множество процессов, которые не противоречат первому началу, но в природе не осуществляются. Ответ на вопрос, какие процессы в природе возможны, а какие нет, дает второе начало термодинамики. Оно определяет направление развития процессов.

4.1. Обратимые и необратимые процессы

Термодинамический процесс называется обратимым, если он может протекать как в прямом, так и в обратном направлении, причем после проведении его в обратном направлении ни в самой системе, ни в окружающей ее среде не должно остаться никаких изменений.

Любой равновесный процесс является обратимым, поскольку все его промежуточные состояния являются равновесными и совершенно неважно идет процесс в прямом, или в обратном направлении. Медленные процессы (медленное расширение и сжатие газа) является равновесными (квазастатическими) и поэтому обратимы.

Реальные процессы, сопровождающиеся диссипацией энергии (из-за трения, теплопроводности и т.д.) необратимы.

4.2. Круговые процессы.

Рис.4.1

Тепловые двигатели служат для превращения теплоты в механическую работу. Все тепловые машины (двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины, холодильные машины и т. д.) работают циклически. Круговым процессом (циклом) называется такой процесс, при котором система после прохождения ряда промежуточных состояний, возвращается в исходное, первоначальное состояние. На диаграмме цикл изображается замкнутой кривой. Если к газу в баллоне подвести некоторое количество теплоты , то согласно первому началу термодинамики оно расходуется на изменение внутренней энергии газа ( )и на совершение им

_{работы ( ) при расширении. Если процесс вести изотермически ( и ),}

то вся подводимая теплота пойдет на совершение газом работы. Полезная положительная работа , совершаемая газом при его изотермическом расширении от объема до объема , измеряется площадью под кривой на диаграмме (рис.4.1). Для возвращения газа в исходное состояние его необходимо сжать. При этом газ совершит отрицательную работу , определяемую площадью под кривой . Суммарная

Рис.4.2

работа газа, равная площади _, будет положительной, если изотерма сжатия газа окажется ниже изотермы его расширения. Следовательно, сжатие газа должно происходить при более низкой температуре, чем расширение ( ).

Поэтому для работы тепловой машины необходимы: нагреватель (1), холодильник (2) и рабочее тело (3) (рис.4.2).

4.3. Идеальная тепловая машина Карно

Обратимый круговой процесс, называемый циклом Карно, состоит из двух равновесных изотермических и двух равновесных адиабатных расширений и сжатий. Идеальная тепловая машина Карно представляет собой цилиндр, заполненный рабочим телом (газом), который можно соединять с нагревателем, холодильником и теплоизолирующей подставкой.

Рис.4.3

Рассмотрим цикл Карно подробно. 1) Цилиндр с газом, нагретым до температуры нагревателя , сжимают до объема . Давление приобретает значение (точка на диаграмме рис.4.3). Цилиндр ставят на нагреватель и дают возможность газу медленно, а, значит, обратимо, изотермически расшириться до объема за счет тепла , полученного от нагревателя. Положительная работа газа определяется площадью под изотермой . 2) Горячий газ сразу не соединяют с холодильником, чтобы не было

необратимых потерь энергии на теплопроводность. Поэтому цилиндр снимают с нагревателя, ставят на теплоизолирующую подставку и предоставляют газу возможность адиабатно расшириться. При этом его температура понижается. Процесс прекращают, когда температура рабочего тела снизится до температуры холодильника , Кривая представляет процесс адиабатного расширения газа. Расширяющийся газ переместил поршень и совершил положительную работу , определяемую площадью под адиабатой . На этом заканчивается процесс расширения, в котором газ за счет тепла , полученного от нагревателя, и своей внутренней энергии совершил полезную работу .

3) Чтобы избежать необратимых потерь энергии на теплопроводность процесс сжатия газа тоже проводится в два этапа. Цилиндр с рабочим телом, охлажденным до температуры холодильника, ставят на холодильник и, сбрасывая бесконечно малыми порциями песок с полочек на столик, сжимают изотермически. При достижении газом состояния, изображаемого точкой , лежащей на одной адиабате с точкой , цилиндр снимают с холодильника. Теплота , в которую превратилась работа сжатия газа, передалась холодильнику. Кривая представляет процесс изотермического сжатия газа. Газ совершил отрицательную работу , определяемую площадью под изотермой .

4) Цилиндр с рабочим телом переносят на теплоизолирующую подставку, и, продолжая сбрасывать песок с полочек, проводят дальнейшее сжатие газа адиабатно. Температура газа повышается. Процесс прекращают, когда тело вернется в исходное состояние . Кривая представляет процесс адиабатного сжатия газа. Газ совершил отрицательную работу , определяемую площадью под адиабатой .

Суммарная работа газа, совершенная за цикл

, (2.4.1)

определяется площадью фигуры .

Газ, имеющий температуру нагревателя, соединяют с нагревателем, и цикл повторяется.