teplotekhnika (Учебник по теплотехнике. Ерофеев, Семенов, Пряхин), страница 6

Принудительным преобразованием 2-го рода являетсяпередача теплоты от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой. Подобные процессы осуществляются в холодильных установках и тепловых насосах.Самопроизвольное преобразование З-го рода происходит, например,при дросселировании.Второе начало (второй закон) термодинамики, изучая особенностиизменения качественных свойств энергии, устанавливает:Ф направление, в котором может совершаться самопроизвольное превращение энергии, и меру превратимости энергии;26Качественныесвойства энергии]/Формадвижения"\Интенсивностьдвижения/Г\ОбъемнаяплотностьПревращение энергии(изменение качественных свойств)/1-го родаІ2-го родаТбУДпс`/////ТДс`7`/////тм\3-го родаобпс`п//"////омРис.

1.8. Схема превращения энергии:УД - упорядоченное движение; ТД - тепловое движение; Тб и Тм - соответственнобольшая и меньшая термодинамические температуры; П _потеициал интенсивноститеплового движения; Об, Ом - соответственно большая и меньшая удельные плотностиэнергии поступательного движения; С, П - соответственно самопроизвольнос и принудительиое превращения энергииФ условия, при которых возможны принудительные превращения энерФгии, обратные самопроизвольным, и способы их осуществления;принципы, вызывающие рассеяние и обесценивание энергии, и методы их количественной оценки.Если первый закон термодинамики характеризует количественнуюсторону процессов превращения энергии, то второй закон термодинамики устанавливает качественную сторону, направленность процессов,происходящих в физических системах.Один из основоположников классической термодинамики Р.

Клаузиус в 1850 г. дал такую формулировку второго закона термодинамики: « Теплота не может сама собой переходить от более холодного тела к более нагретому».В обшем случае может быть предложена следующая формулировкавторого закона термодинамики.Обязательным условием совершения несамопроизвольного процесса является одновременное протекание компенсирующего самопроизвольного процесса.Так, для перехода теплоты от более холодного тела к более тепломунеобходимо протекание компенсирующего процесса совершения рабо27ты над рабочим телом (для передачи теплоты от морозильной камеры хо-лодильника к окружающему воздуху необходима затрата работы на при-вод компрессора, заставляющего циркулировать рабочее тело (холодил ьный агент) и превращение этой работы в теплоту.Для совершения несамопроизвольного процесса преобразования теплоты01 в работу 1, необходимо одновременное протекание компенсирующего са-мопроизвольного процесса - отвода части теплоты Ю2| = О] - Ь от рабо-чего тела к теплоприемнику, обычно к окружающей среде.Таким образом, в соответствии со вторым законом термодинамики дажев идеальном тепловом двигателе невозможно всю подведенную теплоту полностью преобразовать в работу, т.е.

получить двигатель с коэффициентом полезного действия, равным единице (так называемый «вечный двигатель второго рода››):Ь21-'22''92Іп і=___=__=|___219121(І .4 9)Приведенное выражение для КПД также показывает, что для совершения кругового процесса или цикла необходимо иметь не менее двухисточников тепла разной температуры.В наиболее общем виде содержание второго закона термодинамикисоставляет широкое обобщение особенностей теплоты, проявляюшихсяпри ее передаче и превращении. Особенности передачи и превращениятеплоты характеризуются энтропией Ѕ, ее изменением, поэтому второйзакон термодинамики может быть назван законом об энтропии.Равенство до = Тоз может быть названо математическим выражениемвторого закона термодинамики для обратимых процессов. Применительнок круговым процессам можно записать“_Ч=о.ТПриведенный интеграл носит название интеграла Клаузиуса. Он является характеристикой любого обратимого цикла.

Интеграл Клаузиусаможно рассматривать как математическую формулировку второго законатермодинамики для обратимых циклов.Действительно, для того чтобы сумма членов вида 6:1/ Травнялась нулю, необходимо иметь в цикле участки с подводом теплоты (+64) и участки с ее отводом (-оо), т.е. этим самым утверждается невозможностьосуществления цикла с одним источником тепла.Если интеграл, взятый по замкнутому контуру, равен нулю, то подынтегральное выражение (14/ Тявляется полным дифференциалом некоторой функции, названной Клаузиусом энтропией.28Третье начало термодинамики. Одно из самых крупных и принципиальных открытий в термодинамике после классических исследованийВ. Томсона и Р.

Клаузиуса было сделано в начале ХХ в. В. Нернстом,сформулировавшим в 1906 г. свою тепловую теорему, названную позднеетретьим началом термодинамики. Эта теорема получила подтверждениев работе А. Эйнштейна о квантовой теории теплоемкости твердых тел иисследованиями М. Планка, производимыми в полном согласии со статистическими идеями Л.

Больцмана.Изучая поведение вещества (его теплофизических констант) при температурах, близких к абсолютному нулю, В. Нернст сформулировалпринцип недостижимости абсолютного нуля.Первоначально работы В. Нернста и его сотрудников были сконцентрированы на тшательных измерениях удельной теплоемкости твердыхтел при низких температурах. Многочисленные опыты позволили первоначал ьно сформулировать теорему: «При низких температурах теплоемкости всех тел не только становятся очень малы, но даже стремятся к нулю».Исследования М.

Планка привели к формированию положения отом, что «вблизи абсолютного нуля все процессы протекают без измененияэнтропии» - следствие из теоремы Нернста.Закон Нернста независим от первых двух начал термодинамики, поэтому и был назван третьим началом термодинамики.ГЛАВА 2ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЬІ2.1. Постановка задачи исследования процессов.Равновесные (обратимые) и неравновесные(необратимые) процессыПри изучении равновесных термодинамических процессов с идеальнымгазом возможно совместное решение уравнений состояния ру = КТ ипервого закона термодинамики [см. (1.42), (1.43)] с учетом (1.25), (1.26):сіа = срсіТ+ рсіу = срсіТ- убр.При рассмотрении процессов необходимо:І) найти уравнение процесса в координатах ру и Тз;2) установить связь между термодинамическими параметрами;3) определить количество теплоты, участвуюшее в процессе, изменение внутренней энергии и произведенную механическую работу и составить схему преобразования (трансформации) энергии.29В процессах могут изменяться одновременно или все параметры, илитолько некоторые из них.К основным термодинамическим процессам относятся: изохорный -при постоянном объеме (у = сопЅІ); изобарный - при постоянном давлении (р = сопзг); изо/пермический - при постоянной температуре (Т == сопЅІ); адиабатный, протекающий без теплообмена с окружающей средой, с изменением всех параметров рабочего тела (4 = О).Кроме перечисленных, существует большая группа процессов, в которых изменяются все параметры рабочего тела, подводится или отводится теплота, производится или затрачивается механическая работа.Эти процессы являются обобщающими и называются политропными.Чтобы облегчить изучение термодинамических процессов с идеальным газом, теплоемкости принимают постоянными, не зависящими оттемпературы.Состояние рабочего тела (или системы тел), при котором во всех точках занимаемого телом объема соответствующие параметры одинаковы,называется внутренне равновесным состоянием.

Если при этом отсутствуют и побудительные причины для энергетических воздействий окружающей среды на тело, то тело находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой. При наличии каких-либо воздействий в за-висимости от их силы термодинамический процесс может происходитьравновесно или неравновесно.Равновесным (идеализированным) называют термодинамическийпроцесс, протекающий бесконечно медленно, в результате которого рабочее тело проходит через последовательный и непрерывный ряд равно-весных состояний, бесконечно мало отличающихся друг от друга.При механическом воздействии равновесный процесс должен протекать при бесконечно малой разнице потенциалов - давлений между ра-бочим телом и окружающей средой.При тепловом воздействии термически обратимый процесс долженпротекать при бесконечно малой разнице потенциалов - температур меЖду рабочим телом и окружающей средой.

Если условия протекания равновесного процесса нарушаются, то процесс протекает неравновесно.С понятием «равновесный процесс» тесно связано понятие об обратимости процессов. Любой обратимый процесс является равновесным.Это означает, что при прямом и обратном ходах процесса рабочее тело иокружающая среда проходят через одни и те же промежуточные состояния.В результате проведения обратимого процесса ни в системе тел, ни вовнешней среде никаких остаточных изменений не будет.Все неравновесные процессы являются необратимыми, посколькупротекают при конечных перепадах температур и давлений между рабочим телом и окружающей средой. Отсутствие равновесия в таких про30цессах приводит к появлению вихревых движений, сопровождающихсяпотерей энергии на внутреннее трение.Рассмотрение идеальных процессов позволяет использовать математический аппарат, сложив процессы в идеальные циклы, установить термодинамические пределы совершенства установок, а реальности учестьпоправками на необратимость.2.2.

Термодинамические процессы с идеальным газомИзохорный и изобарный процессы. Процесс при постоянном объеме называется изохорным.Уравнение процесса в диаграмме ри У= сопЅІ или бу= О. На этой диаграмме процесс изображается прямой, параллельной оси ординат (рис. 2.1).Примечание. Здесь и далее на рисунках обозначения со штрихом характе-ризуют обратные процессы.Связь между параметрами на рис. 2.1 определяется из уравнения Клапейрона-Менделеева, имеющего для начального І и конечного 2 состо-яний соответственно вид ріу = КТІ и р2у = КТ2 (здесь К - газовая постоянная), откудаР|/Р2 = ТІ/Т?(21)В изохорном процессе абсолютное давление изменяется прямо пропорционально абсолютной температуре.Из (1.41) при бу = 0 следует сіс]у = (іи = суб Т, т.е.

вся сообщаемая рабочему телу теплота идет на изменение его внутренней энергии. Это жеподтверждается графиком на рис. 2. І , где площадь под прямой процесса,выражающая работу, равна нулю.Интегрируя последнее выражение при сУ = сопЅІ, получаемсд, = и2 - иІ = Аи = су(Т2 - Т').(2.2)РлТА1'22Т2А'7т,12'у'1;уЁ2!1Чув;в; в,з, зРис. 2.1 . Изохорный процесс31ТЦРис. 2.2. Изобарный процесс:а - в диаграммах ру иТІ73'; б -взаимное расположение изобары иизохоры вдиаграмме 73И"Изменение энтальпии в изохорном процессе і2 - іІ = Аі = ср( Т2 - ТІ).Уравнение процесса в диаграмме ТЅ выводим, интегрируя приу = сопЅІ соотношение(15У = 64» =суа_Т или (32 -Ѕ,),, =АЅу =суІпї.ттт1(2.3)Изохора в диаграмме Тз представляет собой логарифмическую кривую.