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 Wтер.
Термодинамическая вероятность Wтер - 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.