Общая формулировка второго закона термодинамики

Несмотря на эквивалентность теплоты и работы, процессы их взаимного превращения неравнозначны. Опыт показывает, что механическая энергия может быть полностью превращена в теплоту, например, путем трения, однако теплоту полностью превратить в механическую энергию в периодически повторяющемся процессе нельзя. Это связано с существованием фундаментального закона природы, называемого вторым законом термодинамики. Обратимся к принципиальной схеме теплового двигателя (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4. Термодинамическая схема теплового двигателя

Как показывает опыт, все без исключения тепловые двигатели должны иметь горячий источник теплоты, рабочее тело, совершающее замкнутый про-цесс - цикл, и холодный источник теплоты. Если исключить холодный источник, то такой двигатель работать не будет, хотя первый закон термодинамики не будет нарушен. Второй закон термодинамики звучит следующим образом: невозможна периодически действующаятепловая машина, единственным результатом действия которой было бы получение работы за счет отнятия теплоты от некоторого источника.

Отношение работы, производимой двигателем за цикл, к количеству теп-лоты, подведенной за этот цикл от горячего источника, называется термиче-ским коэффициентом полезного действия (КПД) цикла:

Прямой цикл Карно

Цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, носит название цикла Карно. С его помощью С. Карно установил основные законы превращения тепловой энергии в механическую. Осуществление цикла Карно в тепловой машине можно представить следующим образом.

Газ (рабочее тело) с начальными параметрами, характеризующимися точ-кой а, помещен в цилиндр под поршень (рисунок 3.2). Боковые стенки цилин-дра и поршень абсолютно нетеплопроводны. Теплота может передаваться только через основание цилиндра.

.

. Рисунок 3.2. Прямой цикл Карно

ведем адиабатно (da). Работа, затраченная на сжатие, по линии da идет на уве-личение внутренней энергии, в результате чего температура газа увеличивается до Т₁. В результате цикла килограмм газа получает от горячего источника теп-лоту q₁, отдает холодному теплоту q₂ и совершает работу l_ц.

Подставив в формулу (3.1) выражения для q₁ и q₂, получим, что термиче-ский КПД цикла Карно определяется формулой

Из нее видно, что термический КПД цикла Карно зависит только от абсолютных температур горячего и холодного источников. Увеличить КПД цикла можно либо за счет увеличения температуры горячего источника, либо за счет уменьшения температуры холодного. Причем увеличение температуры горячего источника в меньшей степени повышает КПД цикла Карно, чем такое же (в Кельвинах) уменьшение температуры холодного.

Процесс парообразования. Основные понятия и определения.

Диаграмма водяного пара