Мета: зрозуміти сутність поняття термічного коефіцієнта корисної дії, теоретичні цикли Карно і сутність другого закону термодинаміки.
1 основні положення другого закону термодинаміки, окремим випадком загального закону збереження і перетворення енергії, стверджує, що теплота може перетворюватися в роботу, а робота в теплоту, не встановлюючи умов, при яких можливі ці перетворення.
Він абсолютно не розглядає питання про направлення теплового процесу, а не знаючи цього напрямку, не можна передбачити його характеру і результати.
Наприклад, перший закон не вирішує питання про те, чи будуть відбуватися перехід теплоти від нагрітого тіла до холодного або назад. Повсякденні спостереження і досліди показують, що теплота сам собою може переходити тільки від нагрітих тіл до більш холодним. Передача теплоти від нагрітого тіла до середовища буде відбуватися до повного температурного рівноваги з навколишнім середовищем. Тільки за рахунок витрати роботи можна змінити напрямок руху теплоти.
Це властивість теплоти різко відрізняє її від роботи.
Робота, як і всі інші види енергії, які беруть участь, в будь-якому процесі легко і повністю перетворюється в теплоту. Повна превращаемость роботи в теплоту була відома людині з глибокої давнини, коли він здобував вогонь тертям двох шматків дерева. Процеси перетворення роботи в теплоту відбуваються в природі безперервно: тертя, удар і т.д.
Зовсім інакше поводиться теплота, наприклад, в теплових машинах. Перетворення теплоти в роботу відбувається тільки при наявності різниці температур між джерелом теплоти і теплоприемником. При це вся теплота не може бути перетворення в роботу.
Зі сказаного випливає, що між перетворенням теплоти в роботу і назад існує глибоке розходження. Закон, що дозволяє вказати напрямок теплового потоку і встановлює максимально можлива межа перетворення теплоти в роботу в теплових машинах, являє собою новий закон, отриманий з досвіду. Це і є другий закон термодинаміки, який має загальне значення для всіх тіповихпроцессов.Второй закон термодинаміки не обмежується рамками техніки; він застосовується в фізики, хімії, біології, астрономії та ін.
У 1824 р Саді Карно, французький інженер і вчений, в своїх міркуваннях про рушійну силу вогню виклав суть другого закону. Він писав: «Всюди, де є різниця температур, може відбуватися виникнення рушійної сили. Рушійна сила тепла не залежить від агентів, узятих для її розвитку: її кількість виключно визначається температурою тіл, між якими, в кінцевому рахунку, проводиться перенесення теплорода. Температура газу повинна бути спочатку якомога вище, щоб отримати значний розвиток рушійної сили. З цієї ж причини охолодження повинно бути якомога більше. Не можна сподіватися, хоч би коли - небудь, практично використовувати всю рушійну силу палива ».
У 50-хроках минулого століття Клазіусом була дана найбільш загальна і сучасне формулювання другого закону термодинаміки вигляді наступного постулату: «Теплота не може переходити від холодного тіла до більш нагрітого сама собою дармовим процесом (без компенсації)».
Постулат Клаузіуса повинен розглядатися як закон експериментальний, отриманий з спостережень над навколишньою природою. Висновок Клаузиуса було зроблено стосовно до сфери техніки, але виявилося, що другий закон щодо фізичних і хімічних явищ також правильний. Постулат Клаузіуса, як і всі інші формулювання другого закону, висловлює собою один з основних, але абсолютних законів природи, так як він був сформульований стосовно об'єктів, що мають кінцеві розміри в оточуючих нас земних умовах.
Одночасно з Клаузиусом в 1851 р Томсоном була висловлена інша формулювання другого закону термодинаміки, з якої випливає, що не вся теплота, отримана від теплоотдатчика, може перейти в роботу, а тільки деяка її частина. Частина теплоти повинна перейти в теплоприемник.
Отже, для отримання роботи необхідно мати джерело теплоти з високою температурою, або тепловіддавач, і джерело теплоти з низькою температурою, або теплоприемник. Крім того, постулат Томсона показує, що побудувати вічний двигун, який би створював роботу за рахунок використання тільки однієї внутрішньої енергії морів, океанів, повітря, не представляється можливим. Це положення можна сформулювати як другий закон термодинаміки: «Здійснення вічного двигуна другого роду неможливо». Під вічним двигуном другого роду мається на увазі такий двигун, який здатний повністю перетворювати роботу всю теплоту, отриману тільки від одного джерела. Крім викладених є ще кілька формулювань другого закону термодинаміки, які, по суті, не вносять чогось нового і тому не наводяться.
2 Термічний ККД та холодильний коефіцієнт.
Ставлення питомої кількості теплоти, перетвореного в позитивну роботу за один цикл, до всього питомій кількості теплоти, підведеної до робочого тіла, називається термічним коефіцієнтом корисної дії.
Значення ККД є показником досконалості циклу теплового двигуна. Чим більше ккд, тим більша частина підведеної кількості теплоти перетворюється в корисну роботу. Термічний ККД циклу завжди <1,и мог бы быть равен 1, если бы q1=
3 Теорема Карно: «У замкненому круговому процесі теплота може переходити в механічну роботу тільки при наявності різниці температур між тепловіддавач і теплоприймача. Чим вище ця різниця, тим вище ККД циклу теплового двигуна ».
Малюнок 4.1 - Круговий цикл теплового двигуна
Розширення робочого тіла відбувається при більш низькій температурі, ніж стиснення і робота розширення виходить менше, ніж робота стиснення. Такий процес може бути здійснений тільки при витраті зовнішньої роботи.
У зворотному циклі від теплоприймачів підводиться до р.т. питома кількість теплоти
Ступінь досконалості зворотного циклу визначається т.зв. холодильним коефіцієнтом циклу.
4 Прямий оборотний цикл Карно.
Малюнок 4.3 - Прямий цикл Карно
Складається з 2 адіабат і 2 ізотерм. Спочатку в ізотермічному процесі розширення теплота оборотно підводиться до р.т. від теплоотдатчика з постійною температурою. Потім в оборотному адіабатні процесі розширення температура р.т. ↓ до температури теплоприймача. Далі в оборотному ізотермічному процесі при температурі теплоприемника відбувається відведення теплоти від р.т. до нього. Замикає цикл процесом є Адіабатний процес, в якому температура р.т. ↑ до початкової і р.т. повертається в первісний стан.
За весь цикл р.т. від теплоотдатчика було повідомлено питома кількість теплоти q1 і відведено в теплоприемник питома кількість q2.
З огляду на, що і чи
2.
3.
4.
Малюнок 4.4 - Зворотний цикл Карно
Цикл Карно може протікати не тільки в прямому, а й у зворотному напрямку. Машина, що працює по зворотному циклу, називається холодильною машиною. Р. т. Від початкової точки 1 розширюється по адіабати (1-2), при цьому
5 Математичне вираз другого закону термодинаміки
Розглянемо окремо вираз другого закону для оборотних і необоротних циклів.
Для оборотних циклів:
З виразу ккд слід, що
Цей висновок можна використовувати для будь-якого циклу. Розіб'ємо цей цикл АДІАБАТА на нескінченно велику кількість елементарних циклів і кожен цикл можна вважати елементарним циклом Карно. Для кожного елементарного циклу справедливо рівність (4.1), а для всього довільного циклу
Рівняння (4.2) виведене Клаузиусом представляє математичний вираз другого закону термодинаміки і називається першим інтегралом Клаузіуса.
Для необоротних циклів:
Необхідно врахувати, що ккд незворотного циклу завжди менше оборотного, тобто
тому
З останнього рівняння випливає, що алгебраїчна теплота менше нуля або
Цей висновок можна використовувати для будь-якого циклу. Розіб'ємо цей цикл АДІАБАТА на нескінченно велику кількість елементарних циклів і кожен цикл можна вважати елементарним циклом Карно. Для кожного елементарного циклу справедливо рівність (4.3), а для всього довільного циклу
Рівняння (4.4) виведене Клаузиусом представляє математичний вираз другого закону термодинаміки і називається першим інтегралом Клаузіуса.
Об'єднуємо рівняння (4.2) і (4.4) і отримуємо
Рівняння (4.5) є загальним виразом другого закону термодинаміки. Знак рівності відноситься до оборотних циклів, а нерівності - до незворотних циклам.
1.Какова деякі формулювання другого закону термодинаміки?
2. Що таке термічний коефіцієнт корисної дії?
3. Що таке холодильний коефіцієнт?
4. Що передбачає теорема Карно?
5.Із яких процесів складається прямий цикл Карно?
6. З яких процесів складається зворотний цикл Карно?
7.Почему термічний ККД не може бути більше одиниці?
8.Опишите перший інтеграл Клаузіуса?
9.Опишите другий інтеграл Клаузіуса?
10.Що таке наведена теплота?