Внутрішньої енергії газу. Подібні процеси

Мал. 4.8 спостерігаються в холодильних установках.

ЛЕКЦІЯ 5

Суть 2-го закону ТТД

Першим законом ТТД встановлюються лише кількісні співвідношення при взаємних перетвореннях теплоти і роботи.

Зокрема, при теплообміні можна було б припустити, що теплота може передаватися як від тіла з більшою температурою до тіла з меншою температурою, так і навпаки. При цьому, згідно 1-го Закону ТТД накладається тільки одна умова: щоб кількість теплоти, відданої одним тілом, дорівнювала кількості теплоти, прийнятої іншим тілом. Проте не всі процеси реально існують.

Розгляд питань про можливість здійснення того або іншого процесу, його вірогідного напряму, а також межу його розвитку є змістом другого закону (або другого початку) термодинаміки.

Найбільш загальним формулюванням 2-го Закону ТТД можна вважати формулювання, запропоноване Больцманом: ” Природа прагне до переходу від менш вірогідних станів до більш вірогідних”.

Мимовільне перетворення теплоти в роботу в природі не спостерігається, воно може бути досягнуте лише технічними засобами при забезпеченні ряду умов і неповністю. Підсумовуючи цей досвід М. Планк запропонував наступне формулювання 2-го закону ТТД: «неможливо побудувати періодично діючу теплову машину, результатами дії б якої були тільки отримання механічної роботи і охолоджування джерела теплоти».

Формулювання Планка стосовно роботи теплового двигуна слід розуміти таким чином. Теплота може бути частково перетворена на роботу лише за допомогою робочого тіла. Лише частина теплоти, одержаної робочим тілом від джерела, може переходити в роботу, інша частина неминуче повинна віддаватися деякому холодному тілу (холодильнику, приймачу теплоти), що і є процесом, який компенсує немимовільність перетворення теплоти в роботу.

Таким чином, для здійснення немимовільного процесу отримання роботи за рахунок теплоти необхідні наступні умови: наявність щонайменше двох джерел теплоти - з більшою і меншою температурами - і робочого тіла.

Другий закон ТТД можна представити у формі сукупності двох незалежних закономірностей (частин).

Першу частину називають 2-м законом ТТД для оборотних процесів або принципом існування ентропії. Другу частину називають другим законом ТТД для необоротних процесів, або принципом зростання ентропії.

Щоб з'ясувати умови при яких здійснюється процес перетворення теплоти в роботу і зрозуміти суть 2-го закону ТТД, розглянемо як повинен змінюватися стан робочого тіла в такій безперервно діючій машині, як поршневий тепловий двигун.

Якщо робоче тіло з початкового стану т.А (мал.5.1.) переходить через т.Е в кінцевий стан — т.В, то при цьому одержана робота вимірюватиметься пл. АВСD. Якщо роб. тіло з т.В повернеться в т.А тим самим шляхом, яком воно

переміщувалося, то витрачена на це

робота також буде дорівнювати площі

Мал. 5.1 АВСD і в результаті такого кругового процесу або циклу, робота буде дорівнювати 0. Отже, потрібне робоче тіло повернути з кінцевого стану т.В не по дорозі ВЕА, а по дорозі ВКА, тобто лінія процесу стиснення повинна розташовуватися нижче за лінію процесу розширення, тоді робота розширення пл. АЕВСD буде більше роботи стиснення пл.ВСDАК. В результаті такого процесу буде одержана робота,яка дорівнює різниці робіт розширення і стиснення, тобто пл.АЕВСD — пл.ВСDАК=пл.АЕВК.

Одержана робота lкор може бути використана для обертання машин і механізмів (тобто у власних потребах) і називається корисною роботою. Отже, корисна робота циклу в р, v — діаграмі зображається площею,яка ув’язнена усередині кругового процесу або циклу.

Якщо робоче тіло в прямому циклі процесі розширення АЕВ одержало від гарячого (вищого) джерела теплоту q₁, а в процесі стиснення ВКА віддало холодному (нижчому) джерелу кількість теплоти q₂, то різниця q₁-q₂=q_ц як теплота зникає в перебігу циклу в результаті перетворення її в механічну енергію, тобто, відповідно до 1-го закону ТТД . Віддача деякої кількості теплоти нижчому джерелу необхідна для того, щоб знизити температуру робочого тіла і тим самим зменшити споживання роботи на його стиснення, тобто, безповоротність втрати цієї кількості теплоти (віддане холодному джерелу) є компенсацією за отримання корисної роботи. Оскільки в круговому процесі робоче тіло повертається в первинний стан, то .

Таким чином суть II-го закону ТТД показує, що безперервне отримання роботи з теплоти можливо тільки за умови передачі части відбираної від гарячого джерела теплоти холодному джерелу. Показує, що теплота сама собою може переходити лише від тіла з вищою температурою до тіла з нижчою температурою.

Навпаки теплота може переходити лише за умови витрати енергії із зовні, тобто, при

наявності компенсаційних процесів.

У зворотному циклі напрям величин q₁ і q₂ змінюється на зворотне, тобто теплота q₁ передається робочому тілу від холодного джерела, а теплота q₂ віддається гарячому джерелу. Отже, в зворотному циклі теплота переходить від холодного тіла до гарячого, але це повинно обов'язково супроводжуватися витратою роботи. Зворотні цикли здійснюються в холодильних установках.