Второй закон термодинамики и его приложения Кошкин В.К. Михайлова Т.В., страница 2

1 где у' - располагаемсе тепло истщчннка, 2 — работа лвнгателяь ~ - тепло потерянное, не превратившееся в работу. л И.В. Ломоносов в'1744 г. по существу, впервые высказывает мысль о том, что для превращения теплоты в работу необходима разность температур. Подробное изложение второго закова термодинамика как дополнения к первому закону было оделено Французским ученым С.

Карно в работе "Размышление о двикушей силе огня", опубликованной в 1824 г. В атой работе Карно пришел к следующему заключениЮ: "... Повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы" (т.е. работы). "... Лввжущан сила тепла не зависит от агентов, взятых длл ее развития; ее количество исключительно определяетоя тэмпературзми тел, между которыме, в конечном очете, производится перенос ~епло- ' рода". Оригинальность работ карно. заключэетая н;.том, что оц несмотря, на неверные представления о природе теплоты как теплоропе, пришел к сонершеннс правильным выводам по теории дейстння теплсюю~ двигателеи. Таким образом, впервые в работех Карно выоказываетоя праниль- ' ная мысль о невозможности получения работы в тепловом двигателе непрерывного действия без разности температур.

1. Тепловой двигатель может непрерывно работать лишь прн папи чин двух тепловых источников.. теплоотдатчика (источника), от которого оабочее тело в двигателе заимствует теплоту, и теплопрпемннка (холодильника), которому рабочее тело отдает теплоту, непревращенчую в работу. 2. В цйпельном тепловом дзийателе осуществляется некоторый особый замкнутый кругоной обратимый процесс — цкжз, который теперь Называют циклом Карно. Непрерывность работы двигатэля достигается повторением ооущестзлнемого цикла произвольно большое число раз.

3. Экономичность здеельногО Двигателя с Цнклом Карно не зависит от природы выбранного рабоЧего тела, а определяется Лишь пРедельяымн температурамн теплоотдатчнка н теплспрнемннна Лельнейшее развитие идей Ломоносова и Карно полуило оное выражение в работах Р, Кэаузнуаа н М.Ф. Окатова, Они преобразовали идеи Карно в духе учения о теплоте как о форме проявления энергии н дали математическую трактовку нторого эекона термодинамика. Положения Клаузиуоа дают математические представления об условных цреобрззования теплоты в механическую работу. Однако дальнейшие вывопы Клаузиуаа из анализа яторого закона термодинамики о тепловсй смерти вселенной сыграли реакционную роль в развитии естествознания.

Энгельсу ыринадлеяит заслуга первой фундаментальной критики неверных положений Клаузиуса с позицвй диалектического патернализма. В даньнейшем Бсльцман дзл статистическое толкование второго закона термодинамики и сделал попытку критического пересмотра положения Клаузиуса. 1 Рассмотрим общие положения второго закона термодинамики в применении их к теории тепловсгс двигателя, Во всех тепловых зюл~инах, в том числе и двигателях, совершаются не отдельные разомкнутые процессы, а циклы, в результате совершения которых, рабочее тело приходит в первоначальное состояние.

Возможны три схеыы термодинзмических циклов. 1. Линия сжатия идет том же процессом, что и линия расширения (рис. 1): 1 = пл./Ф вЂ” полсзительная работа расшиРения; 1 = пл, ЮИ— Юж' от)мцательная работа сжатия; Результирующая работа цикла равна нулю 1 = 2 - К = Ю 2. Линия сжатия идет выше лиави расширения (ршс. 2) (схема обратного термодвнемнчеокого цзнла); 1 = пл.

/// - положительная работа расширения; Л =~ пл. зй Ф юле отрицательна» работа сжатия; Результирукщэя работа цикла будет отрицательной 1=И -~ )(ФФ~). Р 3. Лвнвн ожатия располагается ниже лвнии расширения ~рнс. 3) Фонема прямого термодинэыического цикла): = пл. /// — цоложительнзя работа расширения; Л = пл. П) л ЖИГ от)шцательнан Работа сжатия, 1 /и - ~ / ~Ю .

Результирующая работа цикла будет йолозвтельной. Контрольная харточха 2 Ответ Вопрос 1 — у которого рззультирукщая работа отрицательна ( 1сЮ ); 2 — у которого линия расширенвя лежит ниже линев сжатия; 3 — с пояснительной результирующей работой. 1. Прньшм циклом называется цзнл, 2. Какое из представленных уравнений справедлаво для любых цзянси тепловых двз гателейу Исследование любого прямого цикла двигателй поназывает, что круговой процесс в двигателе, в результате которого получается положнтельнэл реэультнрухщан работа, возможен лмэь в случае, если на одном участке цикла имеется подвод тепла д и на другом — отвод тепла л' .

При атом количество подведенного тепла должно бить больше, чем отведенного < у )~ ). Вез этого уоловия невозможно осуществить яремой цинл, т.е. цикл с положительной результнрухщей работой. Таким образом, второй закон термодинамики можно а$орыулировать ш виде следумнего п)мнципа: невозможен процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты в работу. (Эта ,рормулировка принадлежит К.А.

Путвлову) Смысл слов "единственным результатом" заключается в том, что нельзя представить себе цикл с положительной результирующей рабо- той, в совершении которого участвовали бы только источник тепла, ТРТ и больше ничего. На рве. 4 представлена схема невозможного превращения тепла н работу, Как следует вэ схемы Карно,,а также иэ простых йызичесюх со- ображений, для совершения прямого цикла Необходимо вести сжатве прн более низких теипературах, чтобы обеспечить получезве полоии- тельяой результирующей работы. Ь для этого необходзмо, кроме иоточ- ника тепла, иметь еще и холодвльник, и которому будет отнодиться тепло, не преобразовааное в работу.

Второй заков термодиааыини указывает на-то, что процесс, пра котором происходит. переход тепла в работу, возможен лишь в том слу- чае, если этот переход не является единственным результатом про- цесса. Полины существовать еще и другие результаты. Так, на)мду с охлаждением источника тепла должно происходить изменение термодзна- ыичесного состояния, по крайней мере, одного, а то и нескольннх тел, вовлеченных в этот процесс.

Ишюзи словами, переход теплоты в работу возможен лишь в том случае, если атот переход вомпенсирует- ся изменением термодинамзческого состояния участвующих в этом про- цессе тел. Следовательыо, второй закон термодинамики можно сформу- лировать в виде следующего положения: неномпепсированный переХод тепЛОты в работу невозможен. Под компенсацией понимается изменение термодвнамичеоксго оо- стояния рабочего тела, либо изменение состояния какого-лабо друго- гс тела или нескольких тел, вовлеченных в этот процесс.

Непрвмзр, можно пренратить теплоту в работу в отдельном неззыкыутом процеоое, если„ нагревая рабочее тело, предоставить ему возможность расши- ряться и преодоленать сопротивление внешних сил. В этом случае пе- реход тепла в работу компенсируется увеличением объема рабочего те- ла, т.е. компенсацией здесь является изменение термодинамвческого состояния рабочего тела.

Возьмем к примеру изстерыический процесс расширения (рмс. 5). Согласно уравнению первого эапона термодинамини все сообщенное тепло в этом процессе пошло на работу расшарення; ~= 1 , так как при Т Эеяь|,ли=//. Таким образом, в этом процессе о нелнчия разности теыператур имеет место полное превращение вн п ого теп- ла, Сообщенного рабочему телу, в работу расширения. Но сто оказа- лось возможным только благодаря оостветствупзей "оюенсацзи, кото- 11 рзя зежлючаетоя в соответствующем понижении давления и увеличении обзема системы. ссгпо (лик Т~ Т сомье аул.

з, МФЮ6т~;В Рис. 5 Рис. 4 Б любом прямом цинке совершается круговой процесс, в котором ТРТ возврэщаетоя и своа начвьное состояние, т.е, термодннэмическое состояние ТРТ при совершении цикла не изменяется (рнс. 6). В этом случае компенсацией является изменение термодинамнческого состояния другого тела, вовлеченного и этот процесс - холодильника, т.е. компенсацией перехода тепла в работу в любом прямом цикле является наличие разности температур источника тепла и холодильника. Рис. Б Рис.

7 Таким образом, схема возможного превращения тепла н работу в цикле представлена на рис, 7. Необходимо отметить, что не следует рассматрилать процессы перехода работы в тепло как правило, а продессы превращения тепла в работу как исключение. Природа одинаково склонна как к тем, так и другим превращениям. Когда происходит полоиительное преврвщенне энергии ( х ~), дело мокет ограничиться изменением термодияами- 12 чвского состояния только одного теплоизлучэкщегося тела (например, нагрев трением).

Когда же происходит отрицательное прекращение энергии (б'- ~), требуется определенная компенсация для этого пре- вращения. Таким образом, две единственно возможные формы поредачи энер- гии - теплота и работа-являются неравноценными формами проявлены и передачи энергии.

Первый закон термодинамики устанавливает, что существуют две эквивалентные друг другу формы проявления энергии — работа и тепло- та (ф'=х ). Второй закон термодинамики устанавливает, что теплота при сво- их превращениях обладает специфичностью, заключающейся в необходи- масти особых условий, компенсирующих переход у — ь, Итак, в прямом цикле теплота может превратиться и механичес- кую работу только при величин разности температур источника тепла и холодильника. Теплота источнийа может быть преэоэщена в работу в прямом цикле только в случае, если его температура более нысокая, чем йемпература окрулакщей среды.