Лекция по термодинамике №6 (Лекции по термодинамике)

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ1. Общие положения второго закона термодинамикиПервый закон термодинамики, закон сохранения и превращения энергии, даетколичественную и в то же время качественную характеристику превращения энергии.Однако первый закон термодинамики не указывает направления процессов и не имеет вэтом отношении ограничений.

Так первый закон термодинамики не делает различиймежду преобразованием работы в тепло (l→q) и тепла в работу (q→l). Хотяколичественные соотношения при том и другом преобразовании одинаковым образомподчиняются первому закону термодинамики, между этими преобразованиями имеетсясущественное различие.

Превращение работы в тепло - положительное превращениеэнергии, идущее естественным путем. Превращение тепла в работу - отрицательноепревращение энергии, которое осуществляется при соблюдении особых условий. Вот обэтих условиях и говорит второй закон термодинамики. В этом отношении второй законтермодинамики является как бы необходимым дополнением к первому законутермодинамики.Прежде чем непосредственно перейти ко второму закону термодинамики (с точкизрениятеориитепловыхдвигателей)остановимсянанаиболеехарактерныхособенностях всех естественных процессов нашей земной действительности.Все естественные процессы, происходящие с макротелами в нашей окружающейдействительности, говорят об одностороннем их протекании.

Возьмем ряд элементарныхпримеров.Вода всегда стремится занять наинизший уровень в гидравлической системе,находящейся в поле гравитационных сил тяготения.Теплота всегда стремится перейти от горячего тела к холодному, но обратнотеплота самопроизвольно не переходит от холодного тела к горячему.Газы легко смешиваются, газ всегда стремится занять наибольший объем, двакомпонента смешиваются в растворе, но раствор сам не разделяется.Таким образом, самопроизвольные процессы окружающей нас действительностиидут в направлении перехода системы от менее вероятных состояний к состояниям болеевероятным. Наиболее вероятным состоянием является такое, при котором изолированнаясистема, представленная самой себе, находится в полном равновесии.

Полное равновесиеозначает отсутствие условий, характеризующих направление, т.е. отсутствие какого-либопроцесса в системе. Отсутствует разность температур, давлений, концентраций, т.е. всеинтенсивные свойства такой системы выравнены.Следовательно, в изолированной системе все самопроизвольные естественныепроцессы происходят в направлении достижения системой более вероятных состояний.Такие процессы являются односторонними: система не может вернуться к начальномусостоянию при помощи этих же процессов.Такимобразом,необратимоепротеканиевсехестественныхпроцессовпредставляет самое общее положение второго закона термодинамики.В рассмотренных положениях заключается наиболее общая сущность второгозакона термодинамики:1.

Не все процессы, не противоречащие первому закону термодинамики, протекаютв действительности самопроизвольно с положительными превращениями энергии. Естьпроцессы с отрицательными превращениями энергии (q→l), которые самопроизвольноидти не могут.2. Все реальные процессы протекают в определенном направлении, задаваемомусловиями равновесия. Все они идут в одном направлении - направлении достиженияравновесия системы, как наиболее вероятного состояния.3.

Ранее введено понятие равновесия. Процессы идут до установления равновесиясистемы, т.е. до момента выравнивания интенсивных свойств системы (температур,давлений, концентраций и др.).Вычисление равновесия играет огромную роль в химии и современной химическойтермодинамике по определению количества выходов, т.е. конечных продуктов реакций.Эти расчеты имеют важное теоретическое и практическое значение для современныхреактивных и ракетных двигателей.2. Второй закон термодинамики и теория теплового двигателяВозникновение термодинамики определяется практической необходимостью иметьтеоретические основы для создания и совершенствования тепловых двигателей. Безтермодинамического анализа не могли быть правильно поняты основные принципыдействия тепловых двигателей и не могли быть найдены правильные пути для созданияэкономичного, эффективно работающего теплового двигателя.Первый закон термодинамики и частный его случай - принцип эквивалентностиустанавливают лишь количественную связь между теплотой и работой.

Но при какихусловиях этот переход может совершаться, какая часть располагаемого тепла в тепловомдвигателе превратится в работу, - на эти вопросы первый закон термодинамики ответа недает.Как показывает опыт, ни в одном тепловом двигателе все располагаемое тепло q1не превращается целиком в полезную механическую работу l.Во всех тепловых двигателях всегдаq1=l+q2 ,(4.1)где q1 - располагаемое тепло источника; l - работа двигателя; q2 - тепло потерянное, непревратившееся в работу.М.В. Ломоносов в 1744 г., по существу, впервые высказывает мысль о том, что дляпревращения теплоты в работу необходима разность температур.Подробное изложение второго закона термодинамики было сделано французскимученым С. Карно в работе «Размышление о движущей силе огня», опубликованной в1824 г.

В этой работе Карно пришел к следующему заключению:«...Повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновениедвижущей силы» (т.е. работы).«...Движущаяразвития;еесилатеплаколичествонезависитисключительноотагентов,определяетсявзятыхдляеетемпературамител, между которыми, в конечном счете, производится перенос теплорода».Оригинальность работ Карно заключается в том, что он, несмотря на неверныепредставления о природе теплоты как теплороде, пришел к совершенно правильнымвыводам по теории действия тепловых двигателей.Основные утверждения Карно1. Тепловой двигатель может непрерывно работать лишь при наличии двухтепловых источников: теплоотдатчика (источника), от которого рабочее тело в двигателезаимствует теплоту, и теплоприемника (холодильника), которому рабочее тело отдаеттеплоту, не превращенную в работу.2.

В идеальном тепловом двигателе осуществляется некоторый особый замкнутыйкруговой обратимый процесс - цикл, который теперь называют циклом Карно.Непрерывность работы двигателя достигается повторением осуществляемогоцикла произвольно большое число раз.3. Экономичность, т.е. КПД идеального двигателя с циклом Карно не зависит отприроды выбранного рабочего тела, а определяется лишь предельными температурамитеплоотдатчика и теплоприемника.Дальнейшее развитие идей М.В.

Ломоносова и С. Карно получило свое выражениев работах Р. Клаузиуса и М.Ф. Окатова. Они преобразовали идеи Карно в духе учения отеплоте как о форме проявления энергии и дали математическую трактовку второгозакона термодинамики.ПоложенияКлаузиусадаютматематическиепредставленияобусловияхпреобразования теплоты в механическую работу. Однако дальнейшие выводы Клаузиусаиз анализа второго закона термодинамики о возможной тепловой смерти вселеннойсыграли реакционную роль в развитии естествознания.Рассмотрим общие положения второго закона термодинамики в применении их ктеории теплового двигателя.Во всех тепловых машинах, в том числе и двигателях, совершаются не отдельныеразомкнутые процессы, а циклы, в результате совершения которых, рабочее телоприходит в первоначальное состояние.

В некоторых случаях цикл формируетсяблагодаря условным процессам, замыкающим цикл.Возможны три схемы термодинамических циклов.1.Линиясжатияидеттемжепроцессом,чтоилиниярасширения(рис. 4.1):lp=пл.//// - положительная работа расширения; lсж=пл.\\\\ - отрицательная работасжатия;Результирующая работа цикла равна нулю l=lp-lсж=0.2. Линия сжатия идет выше линии расширения (рис. 4.2) (схема обратноготермодинамического цикла):lp=пл./// - положительная работа расширения; lсж=пл.\\\ - отрицательная работасжатия;Результирующая работа цикла будет отрицательной l=(lp-lсж)<0 (пл.≡).3. Линия сжатия располагается ниже линии расширения (рис.

4.3)(схема прямого термодинамического цикла):lp=пл./// - положительная работа расширения; lсж=пл.\\\ - отрицательная работасжатия.Результирующая работа цикла будет положительной l=(lp-lсж)>0.Рис. 4.1Рис. 4.2Рис. 4.3Рис. 4.4Исследование любого прямого цикла двигателя показывает (рис. 4.4), что круговойпроцесс в цикле, в результате которого получается положительная результирующаяработа, возможен лишь в случае, если на одном участке цикла имеется подвод тепла q1 ина другом - отвод тепла q2.