Тема 4. Термодинамические процессы

Тема 3. Второй закон термодинамики

Основные положения

Первый закон ТД утверждает, что теплота может превращаться в работу, а работа в теплоту, и не устанавливает условий, при которых возможны эти превращения.

Превращение работы в теплоту происходит всегда полностью и безусловно. Обратное превращение теплоты в работу при непрерывном её переходе возможно только при определенных условиях и не полностью.

Теплота сама собой переходит от более нагретых тел к холодным. От холодных тел к нагретым теплота сама собой не переходит. Для этого нужно затратить дополнительную энергию.

Второй закон термодинамики устанавливает, возможен или невозможен тот или иной процесс, в каком направлении протекает процесс, когда достигается ТД равновесие и при каких условиях можно получить максимальную работу.

Формулировки второго закона термодинамики. Для существования теплового двигателя необходимы два источника теплоты - горячий и холодный (окружающая среда). Если тепловой двигатель работает только от одного источника, то он называется вечным двигателем 2-го рода.

1. Формулировка Оствальда: "Вечный двигатель 2-го рода невозможен". Вечный двигатель 1-го рода - это тепловой двигатель, у которого L>Q₁, где Q₁ - подведенная теплота. Первый закон ТД "позволяет" создать тепловой двигатель, полностью превращающий подведенную теплоту Q₁ в работу L, т.е. L=Q₁. Второй закон накладывает более жесткие ограничения и утверждает, что работа должна быть меньше подведенной теплоты (L<Q₁) на величину отведенной теплоты Q₂, то есть

L = Q₁ - Q₂.

Вечный двигатель 2-го рода можно было бы осуществить, если бы теплоту Q₂ было возможно передать от холодного источника к горячему. Но для этого теплота самопроизвольно должна перейти от холодного тела к горячему, что невозможно.

2. Формулировка Клаузиуса: "Теплота не может самопроизвольно переходить от холодного тела к более нагретому".

Для работы теплового двигателя, как уже отмечалось, необходимы два источника - горячий и холодный.

3. Формулировка Карно: "Там, где есть разница температур, возможно совершение работы".

Все эти формулировки взаимосвязаны.

Формулировка Больцмана. Все естественные процессы являются переходом от менее вероятного состояния к более вероятному. Известно, что наиболее вероятным состоянием ТД системы является ТД равновесие.

Энтропия и энтальпия

Энтропия - величина, определяемая выражением

dS = dQ/T, [Дж/К]. (3.1)

Удельная энтропия:

ds=dq/ T, [Дж/(кг·К)]. (3.2)

Энтропия - однозначная функция состояния тела, принимающая для каждого состояния вполне определенное значение.

Энтропия - экстенсивный параметр состояния (зависит от массы вещества) - в любом ТД процессе полностью определяется начальным и конечным состоянием тела и не зависит от пути протекания процесса.

Энтропия как функция основных параметров состояния:

S=f₁(p,V); S=f₂(p,T); S=f₃(V,T); (3.3)

или, удельная энтропия:

s=f₁(p,v); s=f₂(p,T); S=f₃(v,T). (3.4)

Так как энтропия не зависит от вида процесса, то находят только её изменение в данном процессе по уравнениям:

Δs = c_v·ln(T₂/T₁) + R·ln(v₂/v₁); (3.5)
Δs = c_p·ln(T₂/T₁) - R·ln(p₂/p₁); (3.6)
Δs = c_v·ln(p₂/p₁) + c_р·ln(v ₂/v₁). (3.7)

Если к системе подводится тепло, то энтропия системы возрастает (Δs>0). Если тепло от системы отводится, то энтропия системы уменьшается (Δs<0). Если тепло к системе не подводится и не отводится от неё (адиабатный процесс), то энтропия системы не изменяется (Δs=0, s=const).

Энтальпия (теплосодержание) определяется как сумма внутренней энергии и работы расширения:

h = u + pv.

Цикл и теоремы Карно

Цикл Карно – круговой (замкнутый) цикл, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных процессов. Обратимый цикл Карно в pv- и Ts-диа-граммах показан на рис.3.1.

1-2 - обратимое адиабатное расширение, s₁=const. Температура снижается от Т₁ до Т₂.

2-3 - изотермическое сжатие, отвод теплоты q₂ к холодному источнику от рабочего тела.

3-4 - обратимое адиабатное сжатие, s₂=const. Температура повышается от Т₃ до Т₄.

4-1 - изотермическое расширение, подвод теплоты q₁ от горячего источника к рабочему телу.

Основная характеристика любого цикла - термический коэффициент полезного действия (т.кпд.):

η_t = L_ц/Q_ц, (3.8)

Или

η_t = (Q₁–Q₂)/Q₁.

Для обратимого цикла Карно т.кпд.:

η_tк=(Т₁–Т₂)/Т₁. (3.9)

Отсюда следует 1-я теорема Карно: «Термический кпд обратимого цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела и определяется только температурами источников».

Из сравнения произвольного обратимого цикла и цикла Карно вытекает 2-я теорема Карно: «Обратимый цикл Карно является наивыгоднейшим циклом в заданном интервале температур».

То есть т.кпд цикла Карно всегда больше т.кпд произвольного цикла:

η_tк>η_t. (3.10)

Тема 4. Термодинамические процессы