Второй закон термодинамики и его приложения Кошкин В.К. Михайлова Т.В.

иинистеютво ВСЕЕГО И СРЕННЖО СПЕНИАЛБНОГО ОБРАЗОНАБК СССР МОСКОЖКИг~л ОРДУНА Л%ИНА АНИАПИОЙБРЛ ИНСТИТУР имени СЕР10 ОРЛЖОНИНИЛЗЕ втоюл ЕАкон тевюлинААики и НГо нуилодунин ПрограреыРонанное учебное пособие (Нян дневной и вечерней форм обучения) аПпангразпгннга Заа П -б4 Тир а ли утиеридено на заседании кафедра 1 ноября 1973 г. .'гЮСКНА 1979 УЛК: 586.7. (075.8) © Московский анвацвонный институт, 1979 г. 8ав. редакцией МЛ. Кузнецова 586 СО75) К 762 ПРМЦИсдоЕП Прогрзмыироваыное учебное поообве по курсу термодинамзю1 "Второй закоы термодинамвки и его приложения к идеальным газам" представляет собой часть курса термодинамика, написанную в соответствии с угвержденыой учебной программой для студентов факультета днигателей летательнщх аппаратов Май. Програымиронанное учебное пособие по курсу термодинамики призвано помочь читателю, которнй приступает к изучению термодинамики и знаком с математикой, физикой и химией.

Цель пособия — помочь освоить основные положения второго закона термодинамики и его приложения, к идеальному газу в объеме, достаточном для выполнения различных термсдиннмическвх расчетов и правильного использования результатов этих расчетов. #ля'повишеаья восприятия излагаемого матервэла в пособии использован один из вариантов программированного метода обучения, Нто способствует более глубокому пониманню материала и интенсифыкации процесса обучения, т.е. сокращению времени, необходимого для усвоеавя учащимся определенвого объема знаний.

Такой эффект достигается путем расчленения процесса обучения 'на отдельные этапы и осуществления проверни обучения в конце каждого этапа. Ланное учебное пособие содержит 11 коятрольных карточек 126 контрольных вопросов, к каждому из которых приведено несколько нариантон ответов).

На контрольный вопрос может быть несколько правильных ответов. Ответы приведены в кОнЦе учебного пособия. Чаще всего методы программированного обучения применяются тогда, когда от обучаемого требуется запоминание определенногс объема информации илэ выработки рчда навыков. Прогрэммаронанная подача материала по термодинамике может оказаться полезной потому, что позволяет проверить правильность восприятия основных идей и понятий, поскольку применять эти понятия можно лищь глубоко понимая их смысл. При написании пособия авторы исходилв из многолетнего опыта преподавания курса термодинамики студентам ЫАН.

Поскольку пособие является одной из первых попыток программарованного изложения второго закона термодинамики и его приложения к идеальным газам, авторы будут рады получить отзывы читателей о пособии и с благодарностью примут все замечания. Г л а в а 1.

ВТОРОЙ ЗАКОН Т)Н'ИО ААИКИ Для успешного усвоения необходнмого объема знаний по современ- ным авиационным дйигателям студентам следует глубоко научать основ- ные законы термодинамики, управляющие процесоами, происходящими во ~ всех типах тепловых двигателей, в том числе и авиационных. Одным из таких законов термсщзнамики, обоснонывающих теорию теяноного двигатели, является второй закон термодинамики, Кроме тога, второй закон термодинамики представляет собой глу- бокий фшзический закон, вскрывэзшшй направление всех естественных процессов в природе.

Поэтому при изучении второго закона термодина- мики необходимо обратить внимание не только на то, что он указыва- ет на условия превращения теплоты в механическую работу теплоного двигателя, нс и на его более общее значение как закона, имеющего статистическое толконание и указывающего на направление естествен- ных процессов н природе. С помощью второго закона термодинамики и его математического аппарата, основанного на применении энтропии, в настоящее время ана- лизируются и исследуются не только процессы', происходящие в тепло- вых двигателях, но и многие другие процессы и явления пршролы 1вплоть до нопросов развития звездных миров, эароздения н развития лизни на земле, теории информации и многое другое), Настоящее программированное учебное пособие дает методологиз~ из-.

лонення второго закова термодинзыизж в форме, удобной' к воспрвггию, пониманию и усвоеныю студентами, на основе современного метода про- греммарованного обучения. Следует также отметить, что целью настоя- щей работы янляетоя, главным образом, изложение второго закона тер- модинамики с точка зрения теории тепловых двигателей как главной задачи длн студентов энергетйческзх и двигателестроительных факуль- тетов, поэтому в взлагаемом материеле вопросы о роли второго закона тешзодинзмики для других разделов естествознания затрояуты лишь в объеме, достаточном для того, чтобы инженер мог бы разобраться о более общем значенви этого зенона в современной науке и технике з 1.

ОВКИВ ПОДОИННИЯ ВТОРОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАЙЙЖ Первый закон термодинамики,- закон сохранения и превращения энергии, дает колачественную и н то же время качественную характеристику превращения зверьми..Однако первый закон термодинамики не указывает направления процеосов и не имеет в этом отношении ограничений. Так, первый закон термодинамики не делает различий между преобразованием работы в тепло (Т- у ) и тепла в работу (ф' 1). Хотя количественные соотношения при том и другом преобразования одинаковым образом подчиннются первому закону термодинамики, между этзмн преобраэовашыпа имеетоя сушествбнное различие. Превращение работы в тепло — положительное превращение энергии, идущее естественным путем.

Превращение тепла в работу — отрицательное превращение зыергин, которое осуществляется.при соблюдении особых условий. Вот об этих услониях и говорит второй закон термоданамнкн. В этом отношении второй закон термодиыамики является кзк бы необходимым дополяеняем к первому закову термодинамики.

Пракце чеы непосредственно перейтн ко. второму закону термоди'намики 1с тачки зрения теории тепловых двигателей) остановимся на наиболее характерных особенностях всех естественных процессов нашей эемнэй действительности. Все естественные процессы, провсходящие с закротелэми в нашей окружзющей действительности, говорят об одностороннем их протекании. Возьмем ряд элементарных примеров. Вода всегда стремится занять янвнизшнй уровень в гидравлической системе, находящейся в поле гравитационных сил тяготения.

Теплота всегда стремится перейти от горячего тела к холодному, но обратно теплота самопроизвольно не переходит от холодного тела к горячему. Газы легко смешиваются, газ всегда стремится зэяять наибольший объем, два компонента смешиваются в растворе, но раствор сам не разделяется. Текин образом, необратимое протекание всех естественных процессов нредставзяет самое общее положение второго закона термодинамики. Итак, в изолированной системе самопроизвольно идут не все изменения, а только те изменения, которые приводят систему к состоянию равновесия.

Для того чтобы вывести такую систему из положения В равновесия, нужно нарушить ее изолированность, оказав на нее какое го энергетическое воздействие извне. Такам образом, самопроизвольные процессы окружающей нас действительности идут в направлении перехода системы От менее вероятных состоявий к состоянвям более вероятным. Наиболее вероятным состоянием явлкется такое, при котором изолированная система, представленная семой себе, находится в полном равновесии. Полное равновесие означает отсутствие условий, характе)мзухщик направление, т.е. отсутствие какого-либо процесса в системе.

Отсутствует разность температур, давлений, концентраций,'т.е. все внтенсивные свсиства такой системы выравнены. Можно утверждать и обратное, если в изолиронанной системе протекают процессы, приводящие систему от менее вероятных состояний к более вероятным, то такие процессы янляются естественными, необратимыми. Следовательно, в изолиронаныой системе все савЬпроизвольные естественные процессы происходят в направлении достижения системой более вероятных состояний. Такие процеосы являются односторонними". система не может вернуться к начальному соотоянию при помощи зтих же процессов. Е рассмотренных положениях заключается наиболее Сбщея сущность второго закона термодивамвки: 1, Не все процессы, не противоречащие первому закону'термодинамики, протекают в действительности самон)хазвольно с положительными пренращениями энергии.

Есть процессы с отрицательными превращениями энергии ( ~ — У ), кото)не самопроизвольно идти не могут. 2. Все реальные процессы протекают в определенном направленив, зацаваемом условилмв равновесия. Нее они идут в одном напревленви— направлении достижения равновесия системы, как наиболее вероятного состояния. 3.

Введено понятие равновесия. Процессы идут до установления ревновесвя системы, т,е, до момента выравнивания интенсивных свойств системы (выравнивание температур, давлений, концентраций и др.). Вычисление равновесия играет огромную роль в химии в оовреыенной хюа~ческой термодвныывке яо определеывю количества выходон, т.е. конечных продуктов реаицвй. Эти расчеты имеют важное теоретическое и практическое значение для современных реактивыых днвгателай. Контрольная карточка 1 укажите праиильный ответ Вопрос Ответ 1 — любое превращение энергии; 2 - преврещение энергии, идущее естественным самскроизвольйым путем; 3 — превращение эвергви, которое осуществляется при соблюдении особых условий.

1. Положительное превращение энергии 2. В отдельной изолированной системе самопроизвольно провсходят изменения, 1 - которые приводят сиотему в наиболее вероятное состояние — состояние равноиесия; 2 - любые; 3 — которые приводят систему в менее вероятное состояние. 5 2. ЕТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕОРИЯ ТАНКОВОГО ДБ)ГАТЕЛН (1.1) Возникновение термодинаызки оыредахыется практической .необходимостью иметь теоретические основы для создания и ооверменствования тепловых двигателей. Без термсдинемическогс анелиза ые могла быть праввльно поняты основные прийципы действия тепловых двкгателей и не могли быть найдены правильные пути для создания экономичного теплового,двигателя.

Первый закон термодинамики и частный его случай — принцип зкнивалентности устанавливают лишь количественную связь между теплотой и работой. Но при каких условиях этот переход может совершатьая, какая часть располагаемого тепла в тепловом днигатеяе пренратится в работу,-на зги' вопросы первый закон термодинамики ответа Не дает. Как показывает опыт, ни в одном тепловом двигателе все располагаемое тепло у' не превращается целиком в полезную механичвскую работу А Во всех тепловых двигателях всегда Основные в ения Ка но Рис. 2 Рзс.