Второй закон термодинамики

Несмотря на эквивалентность теплоты и работы, устанавливае­мую первым законом термодинамики, взаимное их превраще­ние неравнозначно. Как показывает опыт, механическая работа может быть полностью превращена в теплоту, например, путем трения, однако теплоту полностью превратить в механи­ческую работу невозможно. Это объясняется вторым законом термодинамики, в основе которого лежат круговые процессы.

КРУГОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

Замкнутый процесс, в результате которого газ, пройдя ряд различных состояний, возвращается в исходное, называется круговым процессом (циклом).

Поясним данное определение на примере теплового двига­теля, т.е. двигателя, в котором теплота превращается в меха­ническую работу. Пусть газ, находящийся в цилиндре над поршнем, совершает работу расширения l , в процессе 1 - т -2. При этом совершается работа, равная площади 1 - т - 2 -2' - 1' - 1. Будем считать процесс 1 - т - 2 идеальным (обра­тимым) с подводом теплоты q (в реальных тепловых двигате­лях теплота сгорания топлива) (рис. 1.12).

Так как размеры цилиндра известны, то для получения работы расширения необходимо вернуть рабочее тело (газ) в исходное положение - в точку 1. Поскольку процесс 1 - т - 2 обратимый, то при возврате газа в положение 1 (сжатие) он пройдет по кривой 2 - т - 1 через те же промежуточные точки; что и при расширении 1 — т — 2. Следовательно, на возврат газа в точку 1 будет затрачена вся работа, полученная при расширении (l = ). Таким образом, даже в идеальном случае (при отсутствии всех видов потерь теплоты и трения) вся работа расширения затрачивается на сжатие.

В реальном же случае , будет недостаточна для возврата газа в исходное положение.

Очевидно, для получения полезной работы необходимо процесс сжатия газа (возврат его в исходное положение) вести таким образом, чтобы работа, затрачиваемая на сжатие, была меньше работы, полученной при расширении. Это воз­можно только при условии, что при сжатии будет отведена от газа теплота (в реальных тепловых двигателях — теплота, отдаваемая в окружающее пространство отработан­ными газами). С учетом вышесказанного для получения по­лезной механической работы необходимо, чтобы линия рас­ширения газа в

Pv - диаграмме (1 - т - 2) проходила выше линии сжатия (2 - п - 1). Такие круговые процессы осуществляются по движению часовой стрелки и называются прямыми.

Прямые круговые процессы являются идеальными циклами тепловых двигателей.

Если круговой процесс (цикл) протекает против движения часовой стрелки

(рис. 1.13), т.е. линия расширения газа лежит ниже линии сжатия (2 - т - 1), то теплота подводится к газу при более низкой температуре, чем отводи­мая теплота . Такие круговые процессы называются обратны­ми и являются идеальными циклами холодильных машин.

Поскольку в прямом круговом цикле (см. рис. 1.12) все процессы обратимые (идеальные), уравнение первого закона термодинамики будет иметь вид

Основной тепловой характеристикой прямых циклов явля­ется термический коэффициент полезного действия (к.п.д.), представляющий собой отношение работы производимой двигателем за этот цикл, к количеству теплоты, подведенной за этот цикл от горячего источника:

Этот коэффициент оценивает степень совершенства теп­лого двигателя. Так как работа теплового двигателя невоз­можна без отвода теплоты к холодному источнику, то , всегда меньше единицы.

Эффективность холодильных машин, работающих по обрат­ным циклам, оценивается не термическим к.п.д, а холодильным коэффициентом, который представляет собой отношение коли­чества теплоты , отнятой от холодильного источника, к за­траченной в цикле работе:

Из этой формулы видно, что чем меньше разность - , тем меньше теплоты нужно затратить для передачи от холодного тела к горячему, т.е. тем выше холодильный коэф­фициент и эффективнее работа холодильной машины. Холо­дильный коэффициент может быть или больше, или меньше единицы; в большинстве случаев он больше единицы.