Второе начало термодинамики

Первый закон термодинамики не может отличить обратимые процессы от необратимых. Он просто требует от термодинамического процесса определенного энергетического баланса и ничего не говорит о том, возможен такой процесс или нет. Направление самопроизвольно протекающих процессов устанавливает второй закон термодинамики.

Формулировка Клаузиуса: Теплота самопроизвольно не может переходить от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой.

Формулировка Томсона: Невозможен вечный двигатель второго рода, т.е. такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты в работу следствие охлаждения тела.

Обратимым называется процесс1 – 2, если можно совершить обратный процесс 2 – 1 через все промежуточные состояния системы так, чтобы после возвращения системы в исходное состояние в окружающих телах не произошло ни каких-либо изменений. Такой процесс является физической абстракцией.

Необратимыми называются процессы, при которых возвращение системы в исходное состояние возможно лишь при условии затрат внешней энергии, что влечёт за собой определённые изменения в окружающей среде.

Все реальные процессы являются необратимыми (расширение газа в пустоту, теплообмен, диффузия).

Круговым процессом (циклом) называется процесс, при котором система возвращается в исходное состояние.

1) Цикл изображённый на рисунке прямой, соответствует тепловой работе, т.е. устройству, которое получает количество теплоты от некоторого теплоотдатчика (нагревателя), совершает работу и отдаёт часть этой теплоты теплоприёмнику (холодильнику).

Рабочее вещество в этом цикле – газ, который совершает положительную работу.

Коэффициент полезного действия тепловой машины (прямого цикла) называют отношение совершённой работы к количеству теплоты, полученному рабочим веществом от нагревателя:

(1)

Так как работа тепловой машины совершается за счёт полученного количества теплоты, то DU = 0, значит из первого начала термодинамики, следует, что

А = Q₁ + Q₂,

(2)

2) Обратный цикл соответствует работе холодильной машины, т.е. такой системе, которая отбирает теплоту от холодильника и передаёт количество теплоты нагревателю. Исходя из второго начала термодинамики, такой процесс невозможен самопроизвольно. Он происходит за счёт работы внешних сил. При этом газ совершает отрицательную работу.

Цикл Карно – это круговой процесс, состоящий из двух изотерм 1-2, 3-4 (Т₁ > Т₂) и двух адиабат 2-3, 4-1. Рабочее вещество – идеальный газ.

КПД обратимого цикла Карно:

(3)

Положения Карно:

1. КПД всех обратимых (абстрактных) машин, работающих по циклу, состоящему из двух изотерм и адиабат, с нагревателем при температуре Т₁ и холодильником при температуре Т₂, равны между собой и не зависят от рабочего вещества и конструкции машины, совершающей цикл.

2. КПД необратимой (реальной) машины меньше КПД обратимой (абстрактной) машины:

(4)

На основании этих положений можно записать количественную формулировку второго начала термодинамики:

(5)

«=» -относится к обратимому циклу,

«<» - к необратимому.

Допустим, что происходит теплообмен между двумя телами без совершения работы А, значит , тогда исходя из (5) Т₁ – Т₂ > 0 и Т₁ > Т₂, что соответствует первой формулировке Клаузиуса.

Если бы тепловая машина полностью затрачивала всю полученную при теплообмене энергию на совершение работы и не отдаёт энергию холодильнику т.е , тогда исходя из (5) будем иметь:

(6)

что невозможно, так как Т₁, Т₂ – положительны. Об этом говорит вторая формулировка Томсона о невозможности вечного двигателя второго рода.

Алгебраической суммой приведённым количеством теплоты называют следующее отношение, полученное из (5):

«=» -относится к обратимому циклу,

«<» - к необратимому.

Если состояние системы изменяется по некоторому произвольному циклу, который можно представить в виде совокупности достаточно малых циклов Карно, тогда (6), можно записать:

где - элементарная приведённая теплота, - означает, что интегрирование проводится по замкнутому контуру, т. е. по циклу.

В 1865 г. Клаузиус вводит новую функцию S – э нтропию.

Энтропия есть функция состояния системы. Соответственно её можно представить в виде разности двух значений конечного и начального состояния системы, равного сумме приведённых количеств теплоты:

(7)

где знак «=» - относится к обратимому циклу, а«>» - к необратимому.

Если процесс протекает в изолированной системе (dQ = 0), тогда для обратимых процессов энтропия не изменяется, т.е. S = const и DS = 0, а для необратимых процессов энтропия возрастает, т.е. DS > 0.

Это увеличение энтропии не будет происходить беспредельно. Энтропия будет возрастать до тех пор, пока в системе не наступит равновесное состояние, следствии выравнивания параметров между телами системы.

Согласно молекулярно-кинетической теории, энтропию представляют как меру неупорядоченности расположения частиц системы.

Неупорядоченность состояния системы количественно характеризуется термодинамической вероятностью W_тер.

Термодинамическая вероятность W_тер - это число микросостояний, реализующих данное макросостояние.

По Больцману ВНТ является статистическим законом:

В заключении: ПЗТ содержит энергетический баланс процесса, а ВЗТ показывает его возможное направление.

Дата добавления: 2014-01-20