Раздел 3

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

3.1 Понятие о цикле

Совокупность термодинамических процессов, в результате которых рабочее тело возвращается в исходное состояние, называется термодинамическим циклом, или круговым процессом. Циклы играют важную роль при анализе тепловых машин.

На рис. 3.1а в р – υ координатах изображен произвольный цикл а-b-c-d. В процессе расширения а-b-c рабочее тело совершает положительную работу l_р. Величина площади f-a-b-c-e эквивалентна этой работе. После расширения рабочее тело возвращается в исходное состояние (т. а) за счет процесса сжатия c-d-а. Осуществление этого процесса требует подвода извне некоторого количества работы l_сж. Величина подводимой к рабочему телу работы изображается площадью e-c-d-a-f. Для получения положительной внешней работы l_ц, называемой работой цикла, необходимо, чтобы кривая, изображающая на р – υ диаграмме процесс сжатия, располагалась ниже кривой, изображающей процесс расширения. Тогда:

l_ц = l_р − l_сж . (3.1)

Цикл, в результате осуществления которого получается положительная работа, передаваемая во внешнюю среду, называется прямым циклом. Изменение состояния рабочего тела в прямом цикле, изображенном на р-υ диаграмме (рис. 3.1а), происходит по направлению часовой стрелки. Прямые циклы различных видов используются в тепловых двигателях, в которых теплота, подводимая к рабочему телу при сжигании топлива или каким-либо другим путем, преобразуется в полезную работу. Цикл, в котором работа расширения l_р меньше работы сжатия l_сж, называется обратным циклом (рис. 3.1б).

Нетрудно видеть, что состояние рабочего тела в обратном цикле, изображенном на р-υ диаграмме, изменяется по направлению, противоположному движению часовой стрелки. Обратные циклы осуществляются в холодильных машинах, предназначенных для отвода тепла из помещений, емкостей и т.д. Для приведения в действие холодильной машины требуется подвод внешней работы.

Цикл является обратимым в том случае, если он состоит только из обратимых термодинамических процессов. Если хотя бы один термодинамический процесс в цикле является необратимым, то цикл также будет необратимым. Как указывалось в п. 2.12, процессы, протекающие в реальных технических устройствах, всегда необратимы. Следовательно, необратимы все циклы, реализуемые в тепловых машинах и холодильных установках.

3.2 Второй закон термодинамики

Первый закон термодинамики ничем не ограничивает передачу различных видов энергии от одного тела к другому и их взаимопревращение. Он устанавливает лишь, что при переходе энергии из одного вида в другой или при передаче ее от одного тела к другому должен выполняться фундаментальный закон сохранения и превращения энергии. С точки зрения первого закона термодинамики любой процесс, который не противоречит закону сохранения энергии, принципиально возможен.

Второй закон термодинамики сформулирован на основе обобщения результатов практического опыта и наблюдений. Он устанавливает направленность и условия протекания естественных процессов и применим только к макроскопическим системам, состоящим из большого числа частиц, и конечным термодинамическим системам.

Так, повседневная практика показывает, что теплота самопроизвольно передается только от горячего тела к холодному до тех пор, пока их температуры не уравняются. Обратный процесс – самопроизвольный перенос теплоты от холодного тела к горячему – никогда не наблюдается. Передачу тепла от холодного тела к нагретому телу можно осуществить только с помощью холодильной машины, но это требует затрат энергии. Эта особенность дала основание для формулировки второго закона термодинамики, которая предложена Р. Клаузиусом: «Теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более нагретому».

Изучение процессов взаимопревращения теплоты и работы показывает, что превращение работы в теплоту реализуется сравнительно просто и без ограничений. Так, например, за счет трения работу, производимую двигателем, можно полностью преобразовать в теплоту. Иначе обстоит дело с превращением теплоты в работу. Вся многолетняя практика, создания тепловых двигателей свидетельствует о том, что в любом из них нельзя полностью преобразовать подведенное к рабочему телу теплоту в механическую работу.

Для периодического возвращения рабочего тела в исходное состояние в числе термодинамических процессов, составляющих цикл любой тепловой машины, обязательно требуется процесс, в котором происходит отвод части подведенной теплоты во внешнюю среду. Без этого процесса невозможно вернуть рабочее тело в исходное состояние после подвода теплоты и адиабатного расширения путем только адиабатного сжатия. Это объясняется тем, что адиабатные процессы, соответствующие состоянию рабочего тела в начале и в конце подвода тепла, различны. А различные адиабаты, как известно, не пересекаются.

Учитывая сказанное, второй закон термодинамики, сформулированный В. Томсоном, формулируется следующим образом: «Невозможно создать периодически действующую тепловую машину, все действия которой сводилось бы только к производству механической работы и охлаждению источника теплоты».

Эта формулировка говорит о том, что в тепловых машинах в работу преобразуется только часть теплоты, подведенной от источника к рабочему телу. Другая часть неизбежно отдается в теплоприемник (более холодное тело). Следовательно, для функционирования тепловой машины необходим не только источник теплоты, но и теплоприемник, воспринимающий ту часть теплоты, которая не превращается в работу.

Заметим, что если бы было возможно создать двигатель, производящий полезную работу только за счет отбора теплоты, например, от океанской воды или от земной поверхности, то такой двигатель мог бы работать вечно, так как запасы тепловой энергии в воде, земле и атмосфере практически не ограничены. Гипотетический двигатель, в котором теплота какого-либо тела полностью превращается в работу, принято называть вечным двигателем второго рода. И хотя его принцип действия не противоречит первому закону термодинамики, его создание невозможно, т.к. не выполнялся второй закон термодинамики. Поэтому возможна и такая формулировка второго закона термодинамики: «Невозможно осуществить вечный двигатель второго рода».

Рассмотренным выше особенностям передачи и превращения тепловой формы энергии можно дать следующее физическое объяснение. Как известно из молекулярной физики, тепловая форма энергии является энергией беспорядочного движения микрочастиц вещества (молекул и др.). Работа же совершается за счет упорядоченного, направленного перемещения отдельных микрообъемов рабочего тела. В природе наиболее вероятным состоянием является беспорядочное движение, т.е. тепловое движение частиц. Поэтому, работа легко и полностью переходит в теплоту. Обратный переход от беспорядочного движения к упорядоченному, т.е., переход теплоты в работу, является переходом от более вероятного состояния к менее вероятному и, поэтому, имеет ограничение.