Круговые процессы. Второе начало термодинамики

Круговым процессом, или циклом, называется такой процесс, когда система, пройдя через ряд промежуточных состояний, возвращается в исходное состояние. Графически круговой процесс изображен на рис. 2.8 замкнутой кривой и состоит из участка расширения (1а2) и сжатия (2b1). Для расширения газу от тела с температурой Т₁, называемого нагревателем, сообщается количество теплоты Q₁. В процессе сжатия газ отдает количество теплоты Q₂ телу с температурой Т₂ < Т₁, называемому холодильником.

Рис.2.8

Если цикл идет по часовой стрелке, то он называется прямым. Положительная работа расширения А, совершаемая газом и численно равная площади фигуры (V₁1a2V₂), больше отрицательной работы сжатия А₂, совершаемой над газом и выражаемой площадью фигуры (V₂2b1V₁). Следовательно, работа А, совершенная за цикл и численно равная площади фигуры(1а2b1), будет положительна:

А = А₁ – А₂ > 0

Прямой цикл используется в тепловых машинах – периодически действующих устройствах, превращающих тепло, полученное от нагревателя, в работу А.

Так как в результате кругового процесса система возвращается в исходное состояние, то изменение внутренней энергии, как функции состояния, ΔU = 0.

Следовательно, согласно первому закону термодинамики, (2.21) для кругового процесса

Q = A

Учитывая, что Q = Q₁ – Q₂, имеем:

А = Q₁ – Q₂

Определим термический коэффициент полезного действия цикла, как отношение работы А к полученной системой теплоте:

(2.46)

Может ли КПД теплового двигателя быть равен 100 %?

Это будет (согласно 2.46) только, если Q₂ = 0. Как показал С. Карно, такое невозможно: для работы теплового двигателя необходимо часть тепла, полученного от нагревателя, отдать холодильнику. Это утверждение о невозможности создания теплового двигателя, работающего с одним только источником теплоты (вечный двигатель второго рода) составляет содержание второго закона термодинамики: невозможен вечный двигатель второго рода, т.е. процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты, полученной от нагревателя, в работу.

Цикл (рис.2.8) может идти и против часовой стрелки. Тогда его работа будет отрицательна. Такой цикл называется обратным и используется вхолодильных машинах для переноса (за счет работы внешних сил) теплоты от тела с более высокой температурой к телу с температурой более низкой. Процесс перехода системы из состояния 1 в состояние 2 называется обратимым, если после возвращения системы в исходное состояние ни в системе, ни в окружающей среде никаких изменений не происходит. Любой процесс, не удовлетворяющий этим условиям, называется необратимым.

Все реальные процессы необратимы. Примером необратимости является процесс теплообмена, при котором теплота самопроизвольно переходит от горячего тела к холодному, однако обратного самопроизвольного процесса произойти не может.

Таким образом, обратимые процессы – понятие идеализированное. Однако их изучение важно, поскольку многие реальные процессы в природе и технике близки к обратимым, и именно они являются наиболее экономичными.