Теплота. Порядок-хаос

Превращение работы в тепло и тепла в работу. Статистическая модель тепловых явлений. Обратимые и необратимые процессы. Равновесное состояние как наиболее вероятное. Энтропия

В паровой машине горячий пар, поступающий из парогенератора, расширяясь, перемещает поршень, при этом часть тепловой энергии превращается в работу. Оставшийся пар может быть выпущен или с целью повышения КПД может быть сконденсирован в конденсаторе. Наибольший КПД (т.е. наибольший выход работы по отношению к затраченному теплу) получают при низкой температуре конденсатора и высоком давлении в котле.

КПД = (Q₁ – Q₂)/Q₁, где Q₁ – теплота, полученная рабочим телом от нагревателя; Q₂ – теплота, переданная рабочим телом холодильнику.

КПД = (Т₁ – Т₂)/Т₁, где Т₁ и Т₂ – температура нагревателя и холодильника.

Все процессы можно разделить на обратимые и необратимые. К первым относятся такие процессы, которые возможно осуществить в обратном направлении. Так могут протекать, например, химические реакции в состоянии химического равновесия с равными скоростями в двух противоположных направлениях. Реальные процессы в принципе являются необратимыми процессами.

Бесконечно медленный процесс, в котором термодинамическая система проходит через ряд бесконечно близких друг к другу равновесных состояний, называется равновесным. Равновесный процесс – обратимый процесс. В этом случае система характеризуется равенством температуры, давления и других параметров.

Взаимосвязи между теплотой, работой, температурой и энергией изучает термодинамика. Любая физическая система спонтанно приближается к тепловому равновесию, которое может быть описано показателями температуры, давления или химического состава. Если внешнее воздействие может измениться, то изменятся и термодинамические свойства системы. Три закона (начала) термодинамики описывают эти изменения и предсказывают равновесное состояние системы. Первый закон утверждает, что при любых изменениях энергии из одной формы в другую полное количество энергии остается неизменным. Согласно второму закону энтропия изолированной системы не убывает. Третий закон утверждает, что по мере приближения системы к абсолютному нулю температур дальнейшее извлечение энергии становится все труднее и в конечном итоге становится теоретически невозможным.

Энтропия рассматривается как мера разупорядоченности, т.е. беспорядка в системе или степени хаоса в ней. Энтропия возрастает в ходе необратимых процессов, таких как самопроизвольное перемешивание холодного и горючего газов или сгорание топлива.

Таким образом, становится очевидной невозможность создания вечных двигателей. Вечный двигатель первого рода – воображаемая непрерывно действующая машина, которая, будучи раз запущенной, совершала бы работу без получения энергии извне. Такой двигатель противоречит закону сохранения и превращения энергии и поэтому неосуществим.

Вечный двигатель второго рода – воображаемая тепловая машина, которая в результате совершения кругового цикла полностью преобразует теплоту в работу. Действие такого двигателя не противоречит выше названному закону, однако нарушает второе начало термодинамики и поэтому двигатель неосуществим. Иначе невозможно создать машину, совершающую какой-либо термодинамический цикл, вся деятельность которой сводилась бы к механической работе и соответственно охлаждению теплового резервуара.

Образование макроскопических потоков (конвекция, теплопроводность). Теплоизоляция

Конвекция – процесс, посредством которого передается теплота благодаря движению газа или жидкости (например, воздуха или воды). Большинство газов и жидкостей при нагревании расширяются, становятся менее плотными, более «плавучимы» и поднимаются вверх за счет силы Архимеда. Затем нагретые молекулы остывают, вещество становится более плотным и опускается вниз. Подобный повторяющийся процесс приводит к появлению конвекционных токов, которыми объясняется равномерное нагревание воздуха в комнате или воды в чайнике.

Если отдельные участки тела имеют разную температуру, то в результате теплового движения микрочастиц происходит перенос энергии от более нагретых участков к менее нагретым. Процесс теплопроводности приводит к выравниванию температуры тела. Количество переносимой энергии определяется плотностью теплового потока.

Для резкого уменьшения нежелательного обмена с окружающей средой применяют специальные ограждения из теплоизоляционных материалов. Тепловая изоляция производится при защите зданий, тепловых промышленных установок, холодильных камер, трубопроводов и др.