Изохорный и изобарный процессы в газе, их изображение на p-v и T-s диаграммах

Изобарные процессы в v – T координатах P₁>P₂>P₃ Изохорные процессы в P – T координатах (v₃>v₂>v₁).

18. Гипотезы о “тепловой смерти” Вселенной и факты ее определяющие

Тепловая смерть — термин, описывающий конечное состояние любой замкнутой термодинамической системы, и Вселенной в частности. При этом никакого направленного обмена энергией наблюдаться не будет, так как все виды энергии перейдут втепловую. Термодинамика рассматривает систему, находящуюся в состоянии тепловой смерти, как систему, в которойтермодинамическая энтропия максимальна.

В истории современной науки существует, так называемая, гипотеза тепловой смерти Вселенной. Она утверждает, что в итоге все виды материи и энергии в пределах нашей Вселенной будут преобразованы в тепловое движение как вид энергии, и она будет равномерно распределена по всему пространству. Макроскопические преобразования и процессы в этом веществе прекратятся.

Большинство ученых современности считает данную гипотезу не корректной. Родоначальником этой гипотезы был физик Р. Клаузиус, который в 1865 году сделал на основе второго закона термодинамики такие теоретические выводы. Соответственно второму началу, любая, термодинамически замкнутая система (которая не может обмениваться любыми видами энергии или вещества) стремится к своему собственному состоянию равновесия – это состояния наибольшего значения энтропии (мера неупорядоченности системы). Попытки опровергнуть данную теорию осуществлялись еще до того момента как были разработаны основные концепции космологии как науки. Самой известной попыткой являлась концепция флуктуации Л. Больцмана, в соответствии с которой, наша Вселенная постоянно находится в изотермическом состоянии равновесия. Однако, случайным образом, могут появляться отклонения от равновесия в разных локализованных регионах. Чем более существенно отклонение от равновесия и чем больший участок задействован, тем реже происходят эти отклонения.

Современная космологическая наука доказывает, что гипотеза тепловой смерти Вселенной и ранние опровергающие ее варианты были ошибочны. Прежде всего, ошибка была вызвана тем, что ученые не учитывали гравитационные поля и их действие на различные объекты космического пространства а также другие физические факторы.

Если учесть гравитацию, то изотермическое равномерное распределение энергии не будет совпадать с максимальным значением энтропии и не будет самым вероятным событием. Последние исследования показали, что пространство нашей Вселенной не стационарно. Она постоянно расширяется, материя, которая первоначально была однородной, под действие различных гравитационных сил разделяется на скопления, из которых позднее формируются галактики, планетарные системы, звезды. Данные процессы происходят с ростом энтропии (как и все процессы во Вселенной) и не нарушают термодинамических законов. Эти преобразования не приближают однородное состояние энергетического изотермного равновесия нашего Мира.

В термодинамике цикл Карно́ или процесс Карно — это обратимый круговой процесс, состоящий из двух адиабатическихи двух изотермических процессов^[1]. В процессе Карно термодинамическая система выполняет механическую работу и обменивается теплотой с двумя тепловыми резервуарами, имеющими постоянные, но различающиеся температуры. Резервуар с более высокой температурой называется нагревателем, а с более низкой температурой — холодильником^[2].

Цикл Карно назван в честь французского учёного и инженера Сади Карно, который впервые его описал в своём сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» в 1824 году^[3][4].

Поскольку обратимые процессы могут осуществляться лишь с бесконечно малой скоростью, мощность тепловой машины в цикле Карно равна нулю. Мощность реальных тепловых машин не может быть равна нулю, поэтому реальные процессы могут приближаться к идеальному обратимому процессу Карно только с большей или меньшей степенью точности. В цикле Карно тепловая машина преобразует теплоту в работу с максимально возможным коэффициентом полезного действия из всех тепловых машин, у которых максимальная и минимальная температуры в рабочем цикле совпадают соответственно с температурами нагревателя и холодильника в цикле Карно^[5].

Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой , холодильника с температурой и рабочего тела.

Цикл Карно состоит из четырёх обратимых стадий, две из которых осуществляются при постоянной температуре (изотермически), а две — при постоянной энтропии (адиабатически). Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T (температура) и S (энтропия).

1. Изотермическое расширение (на рис. 1 — процесс A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру , то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты . При этом объём рабочего тела увеличивается, оно совершает механическую работу, а его энтропия возрастает.

2. Адиабатическое расширение (на рис. 1 — процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом температура тела уменьшается до температуры холодильника , тело совершает механическую работу, а энтропия остаётся постоянной.

3. Изотермическое сжатие (на рис. 1 — процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее температуру , приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты . Над телом совершается работа, его энтропия уменьшается.

4. Адиабатическое сжатие (на рис. 1 — процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается под действием внешней силы без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя, над телом совершается работа, его энтропия остаётся постоянной.

КПД

Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно

.

Аналогично, при изотермическом сжатии рабочее тело отдаёт холодильнику

.

Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен

.