Тепловая машина и законы термодинамики

Термодинамика в курсе общей физики для технических вузов рассматривается прежде всего применительно к тепловым машинам, предназначенным для прямого или обратного преобразования «неупорядоченной» теплоты Q в работу W в любой «упорядоченной» форме – механической, электрической и т.п. (кроме, разумеется, тепловой). Осуществление обоих упомянутых процессов с максимально возможной 100%-ной эффективностью не представляет затруднений, если речь идет об их однократной реализации – именно в этом состоит 1-ое начало ТД, обоснованное классическими опытами Джоуля, Майера и Румфорда.

Однако попытки реализации этих процессов посредством периодически действующих технических устройств встречают принципиальные ограничения, составляющие содержание 2-го начала ТД. Именно с этим связаны определенные неравенства, которым удовлетворяют значения эффективности этих процессов; иногда именно эти неравенства и принимаются в качестве формулировки 2-го начала (например, теорема Карно – Клаузиуса).

Независимо от своего конкретного назначения и устройства, любая тепловая машина является макроскопическим физическим объектом и может быть описана на языке ТД с использованием наиболее общих понятий температуры, работы и теплоты, а также внутренней энергии и энтропии. В состав любой тепловой машины всегда входят три физических тела – два термостата и рабочее тело, ограниченное стенками какой-либо «рабочей камеры»; в простейшем случае газа или пара – это цилиндрический сосуд с твердыми неподвижными стенками и одним подвижным поршнем.

Как правило, один из термостатов с более высокой температурой Т ⁺ называется нагревателем, а другой, с менее высокой температурой Т ^–, холодильником; предполагается, что температуры термостатов остаются постоянными несмотря на изменения их внутренних энергий путем теплообмена с рабочим телом (δ Q ≠0). Напомним, что условие постоянства температур термостатов требует очень больших значений их теплоемкости C _V (поскольку d T =δ Q / C _V) и, следовательно, очень большого числа степеней свободы f (поскольку C _V/k_B~ f). Согласно знаменитому анализу Карно, проведенному без малого два столетия назад (1824 год), свойства идеализированной тепловой машины универсальны и не зависят от физической природы рабочего тела. В частности, эффективность действия тепловой машины в любом из своих целевых назначений, или режимов, определяется в конечном счете только температурами Т ⁺ и Т ^–.

Идеализация состоит в том, что все происходящие с рабочим телом процессы рассматриваются как обратимые, или квазиравновесные; кроме того, предполагается отсутствие каких-либо «утечек» внутренней энергии из тепловой машины за счет ее теплообмена с окружением или за счет работы внутренних сил трения в рабочей камере. В свою очередь, отсутствие утечек означает наличие адиабатической изоляции тепловой машины от всех других тел, причем ввод или вывод работы W является чисто механическим процессом и не противоречит этому требованию.

Заметим, что при анализе действия тепловой машины обычно остается «за кадром» природа источников внутренней энергии термостатов, а также конкретный «потребитель» (или, наоборот, «источник») работы W. Кроме того, несмотря на универсальность в смысле конечного эффекта (или, что то же, величины эффективности), конкретные физические свойства рабочего тела отнюдь не безразличны для инженерных применений с точки зрения конструктивного удобства. Например, использование в качестве рабочего тела жидкости или твердого тела неэффективно ввиду их малой способности к расширению или сжатию при нагревании, поэтому обычно используются газы или пары.