§ 56. Круговой процесс (цикл). Обратимые и необратимые процессы

Круговым процессом (или циклом) называется процесс, при котором система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное. На диаграмме процессов цикл изображается замкнутой кривой (рис. 84). Цикл, совершаемый идеальным газом, можно разбить на процессы расширения (1-2) и сжатия (2-1) газа. Работа расширения (определяется площадью фигуры 1a2V₁V₂1) положительна (dV > 0), работа сжатия (определяется, площадью фигуры 2b1V₁V₂2) отрицательна (dV < 0). Следовательно, работа, совершаемая за цикл, определяется площадью, охватываемой кривой. Если за цикл совершается положительная работа (цикл протекает по часовой стрелке), то он называется прямым (рис. 84, а), если за цикл совершается отрицательная работа (цикл протекает против часовой стрелки), то он называется обратным (рис. 84,6).

Рис. 84

Прямой цикл используется в тепловом двигателе — периодически действующем двигателе, совершающем 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 газа равно нулю. Поэтому первое начало термодинамики (51.1) для кругового процесса

(56.1)

т. е. работа, совершаемая за цикл, равна количеству полученной извне теплоты. Однако в результате кругового процесса система может теплоту как получать, так и отдавать, поэтому

,

где Q₁ — количество теплоты, полученное системой, Q₂ — количество теплоты, отданное системой. Поэтому термический коэффициент полезного действия для кругового процесса

Термодинамический процесс называется обратимым, если он может происходить как в прямом, так и в обратном направлениях, причем если такой процесс происходит сначала в прямом, а затем в обратном направлениях и система возвращается в исходное состояние, то в окружающей среде и в этой системе не происходит никаких изменений. Всякий процесс, не удовлетворяющий этим условиям, является необратимым.

Любой равновесный процесс является обратимым. Обратимость равновесного процесса следует из того, что его любое промежуточное состояние есть состояние термодинамического равновесия; для него «безразлично», идет процесс в прямом или обратном направлении. Реальные процессы сопровождаются диссипацией энергии (из-за трения, теплопроводности и т. д.), которая нами не рассматривается. Обратимые процессы — это в какой-то степени идеализация реальных процессов. Их рассмотрение важно по двум причинам: 1) многие процессы в природе и технике практически обратимы; 2) обратимые процессы являются наиболее экономичными и приводят к максимальному значению термического коэффициента полезного действия тепловых двигателей, что позволяет указать пути повышения к.п.д. реальных тепловых двигателей.

§ 57. Второе начало термодинамики

Для описания термодинамических процессов первого начала термодинамики недостаточно. Выражая закон сохранения и превращения энергии, первое начало термодинамики не позволяет, однако, определить направление протекания процессов в природе.

Исторически второе начало термодинамики возникло из анализа работы тепловых двигателей. Рассмотрим поэтому схему теплового двигателя (рис. 85). От термостата с более высокой температурой T₁, называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты Q₁, а термостату с более низкой температурой T₂, называемому холодильником, за цикл передается количество теплоты Q₂ и совершается работа

Чтобы термический коэффициент полезного действия теплового двигателя (56.2) был равен 1, должно быть выполнено условие Q = 0, т. е. тепловой двигатель должен иметь один источник теплоты, а это невозможно. Так, французский инженер Н. Карно (1796 - 1832) доказал, что для работы теплового двигателя необходимо не менее двух источников теплоты с различными - температурами. Невозможность создания теплового двигателя, работающего с одним источником теплоты (так называемый вечный двигатель второго рода), составляет содержание второго начала термодинамики в формулировке Кельвина — Планка: 1) вечный двигатель второго рода невозможен; 2) невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу.

Двигатель второго рода, будь он возможен, был бы практически вечным, так как запас энергии в окружающей среде почти безграничен. Охлаждение, например, воды океанов на 1° дало бы огромную энергию. Масса воды в мировом океане составляет примерно 10¹⁸ т, при охлаждении которой на 1° выделилось бы примерно 10²⁴ Дж теплоты, что эквивалентно полному сжиганию 10¹⁴ т угля. Железнодорожный состав, нагруженный этим количеством угля, растянулся бы на расстояние 10¹⁰ км, что приблизительно совпадает с размерами Солнечной системы!

Процесс, обратный рассмотренному в тепловом двигателе, используется в холодильной машине, принцип действия которой представлен на рис. 86. Системой за цикл поглощается при низкой температуре T₂ количество теплоты Q₂ и отдается при более высокой температуре T₁ количество теплоты Q₂. Для кругового процесса, согласно (56.1), Q = А, но, по условию, поэтому А < О и , или , т.е. количество теплоты Q₁, отданное системой источнику теплоты при более высокой температуре T₂, больше количества теплоты Q₂, полученного от источника теплоты при более низкой температуре T₂, на величину работы, совершенной над системой. Следовательно, без совершения работы нельзя отбирать теплоту от менее нагретого тела и отдавать ее более нагретому. Это утверждение составляет содержание второго начала термодинамики в формулировке Р. Клаузиуса: теплота никогда не может переходить сама собой от тел с более низкой температурой к телам с более высокой температурой.

Рис. 86