Второй Закон Термодинамики. Тепловой Двигатель

Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений. Английский физик У. Томсон в 1851 г. сформулировал закон: в природе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы механическая работа, полученная за счет охлаждения теплового резервуара. Эта формулировка показывает, что взаимное превращение тепла и работы неравноценно: работу можно полностью "превратить" в тепло (путем трения, нагрева электрическим током и другими способами), а тепло полностью превратить в работу нельзя.

Чуть раньше У. Томсона формулировку второго закона в 1850 г. дал немецкий физик Р. Клаузиус (1822-1888): "Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему". Эта формулировка подчеркивает односторонность реальных процессов.

Р. Клаузиус решил вопрос о направлении самопроизвольных процессов в 1865 г., когда ввел новую функцию - энтропию, установив ее важнейшую особенность: в нетеп-лоизолированных системах самопроизвольно процессы идут в сторону увеличения энтропии; в состоянии теплового равновесия энтропия достигает максимума. Эта функция является мерой беспорядка в системе. Таким образом, самопроизвольные процессы идут в сторону увеличения беспорядка.

Необратимые процессы - процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном направлении. Систему, в которой происходят необратимые процессы, нельзя вернуть в исходное состояние без того, чтобы в окружающей среде не осталось каких-либо изменений.

Тепловой двигатель - устройство, в котором осуществляется преобразование внутренней энергии топлива в механическую энергию. Тепловой двигатель содержит три основные части: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Общая блок-схема теплового двигателя представлена на рис. 32. Чаще всего рабочими телами, совершающими работу в тепловых двигателях, являются газ или пар.

За один цикл работы рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты Q₁. Расширяясь, оно совершает работу А` и часть количества теплоты Q<sub>2</sub> передает холодильнику: Q<sub>1</sub> = А` + Q₂.

Охладителем у большинства тепловых двигателей является окружающая среда (атмосфера).

Тепло, полученное от нагревателя, рабочее тело не может полностью превратить в механическую энергию путем совершения работы. Если бы Q₁ = А`, то тогда температура рабочего тела упала до О К, а это, как говорилось выше, невозможно. Если бы температура рабочего тела оказалась ниже температуры окружающей среды, то давление газа (пара) было бы меньше атмосферного и двигатель не смог бы совершать работу.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя равен отношению работы А`, совершенной двигателем за один цикл, к количеству теплоты Q₁, полученной от нагревателя:

Максимальный КПД имеет тепловой двигатель, работающий по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

В 1824 г. С. Карно (1796-1832) доказал теорему: любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т₁, и холодильником, имеющим температуру Т₂, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины, определяемый соотношением:

Из этой формулы следует, что чем больше разность температур нагревателя и холодильника (т. е. чем дальше в координатах Р-V отстоят друг от друга изотермы), тем больше n _мах. Но КПД всегда меньше 1 (n _нах < 1), так как Т₂ > О.

Дата добавления: 2015-05-10