Общие замечания о II начале термодинамики

Обратимые и необратимые процессы.

Процесс перехода системы из состояния 1 в состояние 2 называется обратимым, если возвращение этой системы из 2 в исходное состояние 1 можно осуществить без каких бы то ни было изменений в окружающей среде. Если систему из конечного состояния 2 можно вернуть в исходное состояние 1 безразлично каким способом, не требуя, чтобы она обязательно проходила через ту же последовательность состояний, что и в прямом процессе, то такой процесс называют обратимым в широком смысле слова. Если возможен обратный процесс 2 → 1, переводящий систему в исходное состояние 1 через ту же последовательность состояний, через которую прошла система в прямом процессе 1 → 2, то процесс 1 → 2 называется обратимым в узком смысле слова.

Всякий квазистатический процесс обратим в узком смысле. Поскольку состояние системы в квазистатическом процессе полностью определяется внешними параметрами и температурой, поэтому при равновесных изменениях этих параметров в обратном порядке система так же в обратном порядке пройдёт через все состояния и придёт в начальное состояние. Все процессы с трением (поскольку в них совершаемая работа выделяется в виде тепла) являются необратимыми, так как обратный процесс не может произойти без изменения во внешних телах. Всякий необратимый процесс является неравновесным, всякий неравновесный процесс необратим.

Мерой обратимости процесса в изолированной системе является изменение новой функции состояния – энтропии. Примеры необратимых процессов.

1) Процесс теплопередачи при конечной разности температур.

2) Расширение газа в пустоту, т.к. при таком расширении работа не совершается, а чтобы возвратить газ в прежнее состояние нужно совершить работу.

3) Процесс диффузии.

Цикл называется обратимым, если все процессы его составляющие являются обратимыми. Цикл называется необратимым, если хотя бы один из его процессов является необратимым.

Первое начало термодинамики не даёт указаний относительно направления, в котором могут происходить процессы в природе. Второе начало термодинамики, наоборот, позволяет судить о направлении процессов, которые могут происходить в действительности.

Из определения работы и теплообмена следует, что две рассматриваемые в термодинамике формы передачи энергии не являются равноценными: Количество работы может непосредственно пойти на увеличение любого вида энергии. Количество теплоты, без совершения работы, может пойти только на увеличение внутренней энергии системы.

Эта неравноценность теплоты и работы не имела бы никакого значения, если бы можно было без каких-либо трудностей превратить количество теплоты в работу.

Как оказывает опыт, при совершении работы за счёт полученного количества теплоты, происходит изменение термодинамического состояния других тел, участвующих в процессе.

Термодинамическая система, совершающая круговой процесс и обменивающаяся энергией с другими телами, называется рабочим телом. Обычно таким телом является газ.

Изменение состояния рабочего тела при незамкнутом процессе или передача количества теплоты рабочим телом другим телам и изменение термодинамического состояния этих тел при круговом процессе превращения количества тепла в работу называется компенсацией.

Неравноправность превращения количества теплоты в количество работы и количества работы в количество теплоты приводит к односторонности естественных процессов.

Существует много формулировок II начала термодинамики. Рассмотрим некоторые из них.

1) Формулировка Клаузиуса: Теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более нагретому. Воображаемый процесс, в котором менее нагретое тело передаёт количество теплоты более нагретому без изменения термодинамического состояния всех окружающих тел называется процессом Клаузиуса. Таким образом, II начало термодинамики утверждает, что процесс Клаузиуса невозможен.

2) Процессом Томсона – Планка [xv] (вечным двигателем II рода Томсона – Планка) называется воображаемый круговой процесс единственным результатом которого является совершение работы за счет охлаждения теплового резервуара. Таким образом, вечный двигатель II рода Томсона – Планка невозможен.

3) Устройство, которое без компенсации полностью превращало бы периодически в работу теплоту какого-либо тела, называется вечным двигателем II рода. Таким образом, невозможен вечный двигатель второго рода.

Покажем, что из невозможности процесса Томсона – Планка следует невозможность процесса Клаузиуса. Для доказательства предположим противное, т.е. что процесс Клаузиуса возможен. Взяв простейшую тепловую машину, произведём круговой процесс, в результате которого машина отнимет от нагревателя теплоту Q ₁, передаст холодильнику теплоту Q ₂ и совершит положительную работу A = Q ₁ – Q ₂. Затем с помощью процесса Клазиуса теплоту Q ₂ вернём от холодильника к нагревателю. Тогда получится круговой процесс, единственным результатом которого является производство работы A за счёт эквивалентного ей количества теплоты Q ₁ – Q ₂, отнятого от нагревателя; никаких других изменений в природе не произойдёт. Но это есть процесс Томсона – Планка, а он по определению невозможен. Получившееся противоречие и доказывает наше утверждение.

Покажем, что из невозможности процесса Клаузиуса вытекает невозможность и процесса Томсона – Планка. Для доказательства предположим противное, т.е. что процесс Томсона – Планка возможен. Тогда, пользуясь этим круговым процессом, отнимем от менее нагретого тела теплоту Q и за счёт этой теплоты произведём механическую работу, например, поднимем груз. Затем энергию поднятого груза полностью используем для нагревания более нагретого тела. Таким образом, мы передали количество теплоты от менее нагретого тела более нагретому, при этом никакие изменения в окружающей среде не произошло. Это процесс Клаузиуса, а он по определению невозможен.

Дата добавления: 2014-01-04