Второе начало термодинамики

Первое начало термодинамики, выражая закон сохранения и превращения энергии, не позволяет установить направление протекания термодинамических процессов. Кроме того, можно представить множество процессов, не противоречащих первому началу, в которых энергия сохраняется, а в природе они не осуществляются. Появление второго начала термодинамики - необходимость дать ответ на вопрос, какие процессы в природе возможны, а какие нет - определяет направление развития процессов.

Используя понятие энтропии и неравенство Клаузиуса, второе начало термодинамики можно сформулировать как закон возрастания энтропии замкнутой системы при необратимых процессах: любой необратимый процесс в замкнутой системе происходит так, что энтропия системы при этом возрастает.

Можно дать наиболее краткую формулировку второго начала термодинамики: в процессах, происходящих в замкнутой системе, энтропия не убывает. Здесь существенно, что речь идет о замкнутых системах, так как в незамкнутых системах энтропия может вести себя любым образом (убывать, возрастать, оставаться постоянной). Кроме того, отметим еще раз, что энтропия остается постоянной в замкнутой системе при обратимых процессах. При необратимых процессах в замкнутой системе энтропия всегда возрастает.

2.10 Тепловые двигатели и холодильные машины.
Цикл Карно и его коэффициент полезного действия
для идеального газа.

Изформулировки второго начала термодинамики по Кельвину следует, что вечныи двигатель второго рода – периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет охлаждения одного источника теплоты, - невозможен. Для иллюстрации этого положения рассмотрим работу теплового двигателя.

Принцип действия теплового двигателя приведен на рис.63. От термостата с более высокой температурой T₁, называемого нагревателем за цикл отнимается количество теплоты Q₁, а термостату с более низкой температурой Т₂, называемому холодильником, за цикл передается количество теплоты Q₂, при этом совершается работа A=Q₁ –Q₂.

Чтобы термический коэффициент полезного действия теплового двигателя был h =1, должно быть выполнено условие Q₂ =0, т.е. тепловой двигатель должен иметь один источник теплоты, а это невозможно. Так, французский физик и инженер Н. Л. С. Карно показал, что для работы теплового двигателя необходимо не менее двух источников теплоты с различными температурами, иначе это противоречило бы второму началу термодинамики.

Рис. 2.10.1 Рис. 2.10.2

Процесс, обратный происходящему в тепловом двигателе, используется в холодильной машине, принцип действия которой представлен на
рис. 2.10.2.

Системой за цикл от термостата с более низкой температурой Т₂ отнимается количество теплоты Q₂ и отдается термостату с более высокой температурой T₁ количество теплоты Q₁. Для кругового процесса Q=A, но, по условию, Q=Q₂ –Q₁ <0, поэтому А<0 и Q₂ –Q₁ = -А, или Q₁ =Q₂ +А, т.е. количество теплоты Q₁, отданное системой источнику теплоты при более высокой температуре T₁, больше количества теплоты Q₂, полученного от источника теплоты при более низкой температуре Т₂, на величину работы, совершенной над системой. Следовательно, без совершения работы нельзя отбирать теплоту от менее нагретого тела и отдавать ее более нагретому. Это утверждение есть не что
иное, как второе начало термодинамики в формулировке Клаузиуса.

Однако второе начало термодинамики не следует представлять так, что оно совсем запрещает переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. Ведь именно такой переход осуществляется в холодильной машине. Но при этом надо помнить, что внешние силы совершают работу над системой, т.е. этот переход не является единственным результатом процесса.

Основываясь на втором начале термодинамики, К а р н о вывел теорему носящую теперь его имя: из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей (Т₁) и холодильников (Т₂ ), наибольшим кпд обладают обратимые машины; при этом кпд обратимых машин, работающих при одинаковых температурах нагревателей (Т₁) и холодильников (Т₂), равны друг другу и не зависят от природы рабочего тела.

Карно теоретически проанализировал обратимый наиболее экономичный цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, и называемый
циклом Карно. Рассмотрим прямой цикл Карно, в котором в качестве рабочего тела используется идеальный газ, заключенный в сосуд с подвижным поршнем.

рис. 2.10.3

Цикл Карно изображен на рис. 2.10.3, где изотермические расширение и сжатие заданы соответственно кривыми 1-2 и 3-4, а адиабатические расширение и сжатие - кривыми 2-3 и 4-1.

При изотермическом процессе U=const, поэтому количество теплоты Q₁, полученное газом от нагревателя, равно работе расширения А₁₂, совершаемой газом при переходе из состояния 1 в состояние 2:

. (2.10.1)

При адиабатическом расширении 2-3 теплообмен с окружающей средой отсутствует, и работа расширения А₂₃ совершается за счет изменения внутренней энергии:

.

Количество теплоты Q₂, отданное газом холодильнику при изотермическом сжатии, равно А₃₄

. (2.10.2)

Работа адиабатического сжатия

.

Работа, совершаемая в результате кругового процесса,

и, как можно показать, определяется площадью, выполненной на рис. 2.10.3.

Термический кпд цикла Карно

.

Применив уравнение для адиабат 2-3 и 4-1, получим

, , (2.10.3)

откуда

.
Далее получим

, (2.10.4)
т.е. для цикла Карно кпд действительно определяется только температурами нагревателя и холодильника. Для его повышения необходимо увеличивать разность температур нагревателя и холодильника. Например, при Т=400 К и Т=300 К h=0,25. Если же температуру нагревателя повысить на 100 К, а температуру холодильника понизить на 50 К, то h=0,5. Кпд всякого реального теплового двигателя из-за трения и неизбежных тепловых потерь гораздо меньше вычисленного для цикла Карно.