Главная » Все файлы » Просмотр файлов из архивов » Презентации » Лекци@08-Второй_закон_термодинамики

Лекци@08-Второй_закон_термодинамики (Сборник электронных лекций)

2017-12-28СтудИзба

Описание презентации

Файл "Лекци@08-Второй_закон_термодинамики" внутри архива находится в папке "Сборник электронных лекций". Презентация из архива "Сборник электронных лекций", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "электротехника (элтех)" из 6 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "лекции и семинары", в предмете "электротехника (элтех)" в общих файлах.

Просмотр презентации онлайн

Текст из слайда

Лекции по термодинамике
доцент каф. Э6, ктн Рыжков С.В.
Э6
нергомашиностроение.
Лекция №8
Второй закон термодинамики
•Циклы.
•Содержание второго закона термодинамики и его формулировка.
•Оценка экономичности циклов.
•Цикл Карно.
•Приведенная теплота.
•Энтропия.
•Энтропия как характеристика процессов в изолированной системе.
•Влияние необратимых процессов на работоспособность изолированный
системы.
•Стремление изолированной системы к тепловому равновесию.

Циклы
Термодинамические процессы, в результате которых рабочее тело, проходя последовательно
различные состояния, возвращается снова в первоначальное состояние, называются замкнутыми
процессами или циклами.
В течение цикла рабочее тело выполняет как
положительную работу (работу расширения), так и
отрицательную (работу сжатия). Алгебраическая
сумма их дает работу за цикл. Если положительная
работа, соответствующая площади 1n2ba (рис. 1),
по абсолютной величине больше отрицательной
(площадь 2m1ab), то работа цикла будет
положительной, и такой цикл 1n2m1 называют
прямым. Если же, наоборот, абсолютная величина
отрицательной работы больше абсолютной величины
положительной, то такой цикл 1m2n1 называют
обратным. Работа за такой цикл будет
отрицательной.
q u  l
Рис. 1. Замкнутый круговой
где q — алгебраическая сумма количеств теплоты,
подводимой в течение цикла к рабочему телу и
процесс или цикл
отводимой от него за то же время
u — изменение внутренней энергии рабочего тела за весь цикл; так как внутренняя энергия
является функцией состояния, для замкнутого процесса и = 0
l — алгебраическая сумма положительных неотрицательных работ отдельных процессов,
составляющих цикл, т. е. работа за цикл.
В прямом цикле q1 –подводимая теплота, q2 отводимая. Для обратного цикла q2 –подводимая теплота,
q1 отводимая. Для прямого цикла q1 > 0, q2< 0; для обратного q1 < 0, q2 > 0. Но |q1|> |q2 |.
2
Работа прямого цикла l= q1 - q2 .Работа обратного цикла -l= -q1 + q2 .

Поэтому работа за цикл определится как q = l. Теплоту, подведенную к рабочему телу за цикл,
будем обозначать q1 , а теплоту, отведенную от рабочего тела, q2, При этом источники, от которых
теплота отводилась к рабочему телу, будем называть источниками теплоты, а источники, к которым
теплота передавалась от рабочего тела, — холодильниками.
Прямые циклы характеризуют работу двигателей (работа производится). Обратные циклы
(работа затрачивается) предназначены для передачи теплоты от тел менее нагретых к телам более
нагретым (от «холодных» тел к «горячим»), т. е. для охлаждения тел ниже температуры окружающей
среды. Поэтому такие циклы называют также холодильными.
Содержание второго закона термодинамики и его формулировки
В применении к задачам технической термодинамики второй закон термодинамики может быть
сведен к следующему положению: невозможно осуществить цикл в результате только
подвода теплоты к рабочему телу или только отвода теплоты от него.
Если считать, что замкнутые процессы (циклы) протекают в тепловых двигателях и машинах-орудиях
или теплосиловых установках, то рассматриваемые выше положения приводят нас к следующим
формулировкам второго закона термодинамики:
а)
для машин-двигателей: невозможно обеспечить работу периодически (циклично)
действующего двигателя в системе с одним источником теплоты или в системе, где у
нескольких источников отсутствует конечный перепад температур:
или иначе: периодически (циклично) действующий двигатель не может работать только
охлаждая окружающие его тела;
б)
для машин-орудий: передача теплоты от тел менее нагретых к телам более
нагретым может быть осуществлена только при затрате энергии (работа цикла
отрицательна).
Формулировка второго закона : вечный двигатель (perpetuum mobile) второго рода
невозможен.
3

Оценка экономичности циклов
Итак, в результате действия второго закона термодинамики в прямом цикле только часть теплоты,
подводимой к рабочему телу, превращается в работу. Для оценки экономичности цикла используют
отношение работы за цикл l к подводимой теплоте q1. Это отношение называют термическим
коэффициентом полезного действия цикла (термическим к.п.д.):
l
t 
q1
(1)
l q1  q2
(2)
q1  q2
t 
q1
t 1 
q2
q1
Обратные или холодильные циклы используются для переноса теплоты от тел менее нагретых к
более нагретым. Этот процесс, согласно второму закону термодинамики, не может протекать без
затраты работы. В качестве основной характеристики эффективности обратных циклов принимается
величина так называемого холодильного коэффициента к, равного отношению теплоты, отводимой
От охлаждаемого тела q2, к затраченной для этого работе l
q2
 
l
(3)
4

Цикл Карно
В развитии теории термодинамики большое значение имеет цикл максимальной экономичности в
системе, имеющей только два источника теплоты различных постоянных температур. Впервые
такой цикл и его свойства были рассмотрены в работах
С. Карно, поэтому он был назван циклом Карно.
q1  q2
t 
q1
Вычислим абсолютные значения q1 и q2, имея в виду,
что теплота подводится и отводится при Т = const.
b
q1 RT1 ln
a
c
q2 RT2 ln
d
b
c
RT1 ln  RT2 ln
a
d
t 
b
RT1 ln
a
Рис. 2. Прямой цикл Карно
5

k1
 b 
Tc T2
    ;
Tb T1
 c 
b  a
b  c
 ;

c  d
a d
T1  T2
T2
t 
1 
T1
T1
 a

 d
;



k1
Td T2
  ;
Ta T1
b
c
ln ln
a
d
(4)
c
RT2 ln
q2
q2
d
 

l
q1  q2 RT ln b  RT ln c
1
2
a
d
T2

(5)
T1  T2
l  lоб
Рис. 3. Обратный цикл Карно6

Приведенная теплота
q2
t 1 
;
q1
q2 T2
 ;
q1 T1
T2
t 1 
;
T1
q1 q2
 ;
T1 T2
q1 q2

0;
T1 T2
q1 q2

0
T1 T2
q
 T 0
(6) (7)
Отношение количеств подводимой или отводимой теплоты к соответствующей абсолютной
температуре называется приведенной теплотой.
Уравнение (7) устанавливает, что для обратимого цикла Карно алгебраическая сумма
приведенных количеств теплоты равна нулю. Этот вывод можно распространить и на другие
обратимые циклы.
'
'
q1 q2
 ' 0;
'
T1 T2
''
''
q1 q2
 '' 0;
'
T1 T2
'''
'''
q1 q2
 '' 0;
''
T1
T2
q1
q2
 T   T 0
1
2
q
 T 0
7

Рис. 4. Приведённая теплота
для цикла, состоящего из изотерм
и адиабат
Рис. 5. Приведенная теплота для
произвольного обратимого цикла
8

q1' q2'
 ' 0  для первого цикла
'
T1 T2
q1'' q2''
 '' 0  для второго цикла
''
T1 T2
q1( n ) q2( n )
 ( n ) 0  для n  го цикла
(n)
T1
T2
q1
q2
 T   T 0
1
2
q
T
0
q
lim  0
n 
T
dq
T 0
(8)
9

| t |но | t |об
q2
T2
|1 
|но |1 
|об
q1
T1
(9)
где q1 и q2 — количество теплоты, получаемое и отдаваемое рабочим телом;
T1 и T2 — температуры источников теплоты.
q2 T2
 ;
q1 T1
T2 q2

 0;
T1 q1
q1 q2
 0
T1 T2
q
T 0
(10)
Для необратимого цикла Карно алгебраическая сумма приведенных теплот меньше нуля.
dq
T  0;
dq
T 0;
Интеграл приведенных теплот по замкнутому контуру необратимого цикла меньше нуля.
10

Энтропия
dz 0
dq
ds
T
ds 0
(13)
(14)
Это выражение известно в термодинамике под
названием интеграла Клаузиуса
s  f ( p , )
s  ( , T )
dq
T  0
 dq 
 dq 
      0

T  но 2 B1  T  об
1 A2 
Рис. 6. Изменение энтропии и
приведённая теплота
необратимого процесса
11

dq
s1  s2 s

T
2 B1
 dq 
   ( s1  s2 )  0

T  но
1A2 
 dq 
   ( s2  s1 )

T  но
1 A2 
 dq 
s   
T  но
1A2 
dq
ds 
T
12

Энтропия как характеристика процессов в изолированной системе
Энтропия, так же как внутренняя энергия и энтальпия, обладает свойством аддитивности
(сложения), т. е. энтропия системы будет равна сумме энтропии, входящих в систему тел. Очевидно,
что изменение энтропии сложной системы при этом будет также равно сумме изменений энтропии
тел, входящих в систему, т. е.
sсист  si
n
Рис. 7. Схема изолированной
системы
Рис. 8. Прямой теплообмен
в изолированной системе
13

Введем понятие термически изолированной системы. Если система, состоящая из n
материальных тел, отличается тем, что энергетическое взаимодействие любого из них в форме
теплоты исключается с телами, расположенными вне ее (внешняя среда), то такая система называется
термически изолированной или просто изолированной. Иногда для обозначения изолированной
системы целесообразно представлять ее ограниченной некоторой так называемой адиабатной
оболочкой, исключающей теплообмен с внешней средой (рис. 7).
Для характеристики процессов, протекающих в изолированной системе, с точки зрения изменений,
вызываемых в ней этими процессами, удобно пользоваться характером изменения энтропии системы.
Рассмотрим некоторые примеры:
1. Система состоит из двух тел с разными температурами; между телами происходит прямой
теплообмен (рис. 8).
dq
ds1 
T1
dq
ds2 
T2
 dq dq 
  0
dsсист  

 T1 T2 
q1 q2
sсист  
T1 T2
14

Но так как в течение протекания процесса до полного выравнивания температур сохраняется
неравенство Т2 < Т1, полученное выше неравенство будет справедливо и для процесса в целом, т. е.
sсист > 0. Это свидетельствует о том, что в результате прямого теплообмена в изолированной
системе растет энтропия. Обращаем внимание на то, что рост энтропии системы является
следствием конечного перепада температур между телами, обменивающимися теплом. Такой теп
лообмен присущ необратимому процессу. Полученные результаты применимы к системе,
состоящей из любого числа источников теплоты.
2. Обратимый круговой процесс (цикл) в
системе с большим числом источников теплоты и
холодильниками (рис. 9).
dq
s1  
T
1A2 1
s p.m. ds 0
dq2
s2  
T2
2 B1
sсист s1  s p.m  s2 0
В результате осуществления, обратимого цикла в
изолированной системе энтропия не изменяется.
Рис. 9. Изменение энтропии
обратимого цикла
15

3. Необратимый цикл в изолированной системе
с большим количеством источников теплоты и
холодильников.
dq
s1  
T
1 A2 1
s p . m .  
ds 0
dq2
s2  
T2
2 B1
sсист s1  s2  s p.m  0
Рис. 10. Изменение энтропии
необратимого цикла
Необратимый цикл в изолированной системе приводит к возрастанию энтропии системы.
16

4. Рассматривая разомкнутые процессы в изолированной системе.
для обратимых процессов
dq
ds 
T
для необратимых процессов
dq
ds 
T
Так как для изолированной системы dq = 0. а
температура (абсолютная) ни в каких случаях не может
принимать каких-либо значений, кроме конечных
положительных, то эти уравнения приводят к
следующим выводам: для обратимых процессов
ds = 0 энтропия остается постоянной;
для необратимых процессов ds > 0: энтропия
системы увеличивается.
Рис. 11. Изменение энтропии
обратимого и необратимого
циклов
17

Влияние необратимых процессов на работоспособность
изолированной системы
 T2 
lоб  q  1   q1
 T1 
q1 q1
s  ' 
T1 T1
к
об 1
 T2 
lно  q  1  '  q1
 T1 
k
но 1
 T2
T2 
lоб  lно q1  1 
 1 '  
T1
 T1
 T2 T2 
q1  ' 

T
T
 1
1 
 q1 q1 
lоб  lно T2  ' 
 T2 sсист
 T1 T1 
Рис. 12. Снижение работоспособности
системы при протекании в ней
необратимых циклов
Энтропия является мерой
необратимости протекающих
18
в системе процессов.

Стремление изолированной системы к тепловому равновесию
При осуществлении в изолированной системе необратимых процессов ее
энергия остается постоянной, энтропия стремится к максимуму.
Это является признаком стремления системы к состоянию теплового равновесия, которое неминуемо
наступает с момента, когда температуры и давления отдельных элементов системы принимают
практически равные значения. Такое состояние системы называют ее «тепловой смертью».
Идеалисты считают, вопреки здравому смыслу, что Вселенная ограничена в пространстве, и поэтому
рассматривают ее как изолированную систему. Второй закон термодинамики, по их мнению,
заставляет Вселенную двигаться только в одном направлении, по пути к смерти, к уничтожению.
Это делает Вселенную ограниченной не только в пространстве, но и во времени.
Против реакционного идеалистического «учения» о тепловой смерти Вселенной выступил ряд
видных физиков—современников Клаузиуса и более позднего периода. Среди них австрийский
физик-материалист Больцман (1844—1906 гг.), польский физик Смолуховский (1872—1917 гг.),
немецкий физик Планк (1858—1947гг.), советский физик Хвольсон (1852—1934 гг.) и др. Но наиболее
глубокую философско-научную критику этого «учения» дал Ф. Энгельс (1820-1895 гг.).
Анализ со статистикой в несколько сот вспышек сверхновых звезд на разных (очень больших)
расстояниях показал, что Вселенная расширяется чуть быстрее, чем допускает теория Эйнщтейна.
Значит, действует какой-то ускоряющий фактор. Его назвали “темной энергией”.
Ключ для «разового шифра».
Ключ должен обладать максимальной энтропией, т.е. быть абсолютно случайным и не должен
использоваться повторно. Работа Шеннона заключается в том, что на исходное сообщение
«накладывается» случайная последовательность битов, - единственный абсолютно безопасный
способ коммуникации.
Наука о способах измерения информации и условиях ее оптимальной передачи и хранения называется
теорий информации. Энтропия информации как мера упорядоченности любых статистических форм
движения материальных систем. А чтобы в процессе эволюционного упорядочения функция не
уменьшалась, а увеличивалась (на манер физической энтропии в необратимых процессах),
Л. Бриллиюэном было предложено отрицательное изменение энтропии информации расценивать 19
как
возрастание некой негэнтропии, которую и рассматривать в качестве меры организации.

Энтропия и информация
I(W) = I(W1, W2) = I1(W1) + I2(W2).
(1)
I=log2W
S = - k Σ PilnPi
(2)
(3)
где k — постоянная Больцмана; Pi = Ni / N — вероятность появления молекул с
энергией ε; N = Σ Ni = N1 + N2 + N3+ ... — общее число молекул; N1, N2, N3, ... - число
молекул, обладающих энергией ε1, ε2, ε3, ... в соответствии с законом распределения
молекул по энергиям (закон Больцмана).
ln W = - Σ Pi lnPi
(4)
I = - Σ Рi log2 Pi
бит на букву,
(5)
где N1, N2, N3, ... , NM — число букв в тексте, в соответствии с их номерами в
алфавите (1,2,...,M). Функция (5) была названа Шенноном энтропией
информации.
S=k lnW
32 появления всех букв одинакова (Pi = 1/32), то
Например, если М = 32 и вероятность
1
1
энтропия информации I 
log 2
5

20
32
i 1 32

Свежие статьи
Популярно сейчас
А знаете ли Вы, что из года в год задания практически не меняются? Математика, преподаваемая в учебных заведениях, никак не менялась минимум 30 лет. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Нашёл ошибку?
Или хочешь предложить что-то улучшить на этой странице? Напиши об этом и получи бонус!
Бонус рассчитывается индивидуально в каждом случае и может быть в виде баллов или бесплатной услуги от студизбы.
Предложить исправление
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
5057
Авторов
на СтудИзбе
455
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее