Лекция №8. Тема : (продолжение) Второе начало термодинамики

Тема: (продолжение) Второе начало термодинамики. Обратимые и необратимые процессы. Энтропия. Второе начало термодинамики и его статистический смысл. Тепловые двигатели. Цикл Карно и его КПД. Тепловой насос.

При теплообмене теплота самопроизвольно переходит только от тел с более высокой температурой к телам с белее низкой температурой (второй закон термодинамики). Для того чтобы осуществить переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому, как это имеет место, например, в холодильниках, требуются доволь­но сложные процессы, для осуществления которых необходимо затра­тить дополнительную энергию.

Тепловой машиной называется устройство, в котором внутрен­няя энергия топлива превращается в механическую работу.

Учитывая второй закон термодинамики, схематически холодиль­ную и тепловую машины можно представить так, при Т₁>Т₂ (рис. 3.8).

Примером тепловых машин являются установки на тепловых электростанциях, где внутренняя энергия нефти, угля и газа превращается в механическую работу, за счет которой вырабаты­вается электрическая энергия. В качестве термоаккумуляторов (теплоносителей) при теплообмене используются кирпичная или ка­менная печь, нагретая вода, нагретый песок и другие вещества.

Т₁ Т₁

холодильная А тепловая

машинамашина

Т₂ Т₂

Схемы холодильной и тепловой машин

Коэффициент полезного действия тепловых машин можно выразить так: h ,

который для идеального термодинамического процесса в цикле Карно будет: h ,

где T ₁ – температура нагревателя, а Т ₂ – температу­ра холодильника тепловой машины. Также известно, что практически невозможно преобразовать в другие виды энергии теплоту, распреде­ленную (рассеянную) между телами с равномерной, относительно низкой температурой. Рассеянная, теплота является для человека бесполезной, как, например, то громадное количество теплоты, которое содержит вода морей и океанов при температуре мало отличающейся от температуры окружающих тел. Для характеристики степени «полезности» теплоты в этом отношении, а также количественной оценки неизбежных потерь при преобразовании теплоты, содержащейся в данной системе тел, в работу или другие виды энергии пользуются величиной

называемой энтропией. Изменение энтропии оп­ределяет обратимость или необратимость процессов, протекающих в изолированней системе. Так, при обратимых процессах в изолированной системе не количество теплоты, а энтропия остается неизменной:

S_ОБР = const и S_ОБР = 0.

Все реальные процессы в газах, происходящие достаточно быстро, не говоря уже о любых термодинамических процессах, с потерей энергии, необратимы и, следовательно, протекают с увеличением энтропии:

S _НЕОБР > 0.

Таким образом, энтропия может рассматриваться как мера веро­ятности состояния термодинамической системы, а возрастание энтро­пии означает переход системы из менее вероятных в более вероятные состояния.

Третье начало термодинамики (теорема Нернста-Планка): энтропия всех тел в состоянии равновесия стремится к нулю по мере приближения температуры к нулю Кельвина ().

Передача внутренней энергии от одного тела к другому без совершения работы называется теплопередачей (или теплообменом). Передача тепла осуществляется с помощью процессов, происходящих на молекулярном уровне, в частности путем теплопроводности и теплового излучения. Передача теплоты путем теплопроводности подчиняется закону Фурье: Количество теплоты Q, проходящее за промежутки времени t через взятую внутри тела площадку S перпендику­лярную направлению распространения теплоты, пропорционально времени t, площади S и градиенту температуры вдоль рассматриваемого направления:

где - коэффициент теплопроводности. Теплопроводность различных веществ отличается в весьма широких пределах. Наименьшую теплопроводность имеют газы, в частности воздух. Вещества с низкой теплопроводностью называют теплоизолирующими.

Ниже приведены значения коэффициентов теплопроводности для комнатной температуры в Вт/(м К): воздух – 2,57 10^-2; азот – 2,51 10^-2; кислород – 2,62 10^-2; углекислый газ – 1,62 10^-2; бумага – 0,14; дерево – 0,2; вода – 0,6; кирпич – 0,7; медь – 391; алюминий – 209; серебро – 418,7.

Конвекция – перенос тепла внутри области заполненной жидкой, газообразной или сыпучей средой, вследствие перемещения вещества этой среды. При естественной кон­векции взаимное перемещение частиц среды происходит вследствие различия плотностей: нагретые частицы, как более легкие подни­маются вверх, холодные опускаются вниз на их место.

Теплообмен посредством излучения может происходить как через промежуточную вещественную среду, если она прозрачна для излу­чения, так и через вакуум. Тепловое излучение свойственно всем телам без исключения и происходит при температурах, отличных от абсолютного нуля, в соответствии с законом Планка.

Текстильные материалы обладают сложной пористой структурой, состоящей из волокон и заполненных воздухом пор. Поры располага­ются как между волокнами, так и внутри волокон; формы и размеры их разнообразны. Перенос тепла в подобных материалах с неоднородной пористой структурой осуществляется благодаря теплопроводности волокон и воздуха, находящегося в замкнутых порах, конвекции через сквозные поры, теплоизлучения (радиации) стенками пор. Для материалов одежды коэффициент теплопроводности изменяется в пределах 0,033 – 0,070 Вт/(м К).