Круговым процессом (или циклом) называется процесс, при котором система, проходя через ряд состояний, возвращается в первоначальное

Обычно рассматриваются такие процессы, в которых промежуточные состояния системы не повторяются, т. е. «прямая» и «обратная» траектории не совпадают.

Теплотой, как известно, называется энергия, передаваемая от тела с более высокой температурой телу с меньшей температурой, например, при их контакте. Сама по себе такая передача энергии не сопровождается совершением работы, потому что при этом нет перемещения каких-либо тел. Она приводит лишь к уве­личению внутренней энергии тела, которому теплота передается, и к выравниванию температур, после чего прекращается и сам процесс теплопередачи. Но если тепло передается телу, которое при этом может расширяться, то оно может совершить работу.

Пусть некоторая масса газа переходит из состояния 1 в состояние 2 по траектории 1 – а – 2 (рис. 40 а). При этом газу передается теплота Q₁ и, поскольку газ расширяется, он совершает работу A₁. Согласно закону сохранения энергии эта работа равна

A₁ = Q₁ –ΔU₁₂, (125)

где ΔU₁₂ — изменение внутренней энергии при переходе из состояния 1 в состояние 2.

Пусть теперь газ переходит из состояния 2 в состояние 1 по траектории 2 – b –1. При этом газ передает в окружающую среду количество теплоты, равное Q₂, и над газом совершается работа A₂. Согласно принятому ранее правилу знаков, A₁ и Q₁ положительны, A₂ и Q₂ отрицательны. Таким образом, для перехода по траектории 2 – b –1 имеем:

–A₂ = –Q₂ –ΔU₂₁, (126)

где ΔU₂₁ — изменение внутренней энергии при переходе из состояния 2 в состояние 1. Поскольку внутренняя энергия является функцией состояния, то
ΔU₂₁ = – ΔU₁₂. Складывая уравнения (1) и (2), получаем:

A₁ – A₂= Q₁ – Q₂. (127)

Мы получили механическую работу, используя тепловую энергию. Устройства, работающие по такому принципу, называются тепловыми машинами.

Тепловая машина – устройство, преобразующая тепловую энергию в механическую.

Две особенности работы тепловой машины:

1. Тепловая машина совершает циклический процесс, т.е. система периодически возвращается в исходное состояние.

2. Тепловая машина преобразует в работу не все полученное тепло. Часть полученной тепловой энергии отдается в окружающую среду.

Принцип Кельвина

В 1854 г. В. Томсон (Кельвин), обобщив полученные к тому времени экспериментальные данные, сформулировал следующий принцип:

Невозможно осуществить циклический процесс, единственным результатом которого было бы превращение в механическую работу теплоты, отнятой у какого-нибудь тела, без того, чтобы произошли какие-либо изменения в другом теле или телах.

Этот принцип получил название принципа Кельвина.