Второй закон термодинамики
II закон термодинамики.
Первый закон термодинамики представляет собой математическое выражение общего закона сохранения и превращения энергии. Он рассматривает любые взаимопревращения энергии и изучает явления этих взаимопревращениях. Но этот закон не определяет условий возможности таких преобразований. Согласно этому закону равновозможны оба направления в протекании процесса, т. е. перетекание теплоты от теплого тела к холодному и наоборот. Между тем, процессы, происходящие вокруг нас, необратимы, т.к. они самопроизвольно идут только в одном направлении: теплота идет от теплого тела к холодному, газ вытекает только из резервуара с высоким давлением в окружающее пространство и т.д. Опыт показывает, что все процессы идут в направлении установления в любой системе равновесия, т.е. выравнивания температур, концентраций и т.д.
Общая формулировка второго закона.
Несмотря на эквивалентность теплоты и работы, процессы их взаимного превращения неравнозначны. Опыт показывает, что механическая работа может быть полностью превращена в теплоту, например, путем трения, однако теплоту полностью превратить в механическую энергию в периодически повторяющемся процессе нельзя. Многолетние попытки осуществить такой процесс не увенчались успехом. Это связано с существованием второго закона термодинамики.
Чтобы выяснить его сущность, обратимся к принципиальной схеме теплового двигателя.
Как показал опыт, все без исключения тепловые двигатели должны иметь горячий источник теплоты, рабочее тело, совершающее замкнутый процесс – цикл, и холодный источник теплоты.
Круговым процессом или циклом называется совокупность термодинамических процессов, в результате осуществления которых рабочее тело возвращается в исходное состояние.
Работа кругового процесса а0 изображается в диаграмме pv площадью, заключенной внутри замкнутого контура цикла, причем работа положительная, если цикл совершается по часовой стрелке (прямой цикл), и отрицательна, если он совершается против часовой стрелки (обратный цикл).
Рекомендуемые материалы
Прямой цикл а0>0 характерен для тепловых двигателей, обратный цикл а0<0 – для холодильных машин.
Для непрерывной работы двигателя необходим циклический процесс, в котором к рабочему телу от горячего источника подводится теплота q1 и отводится от него к холодному теплота q2.
Если обозначить через:
q1 – количество тепла, заимствованного 1 кг рабочего тела от внешнего источника тепла;
q2 - количество тепла, отданного 1 кг рабочего тела внешнему охладителю (или нижнему источнику), то полезно использованное в цикле тепло:
а0=q1-q2.
Внутренняя энергия системы является функцией состояния. При возвращении рабочего тела в исходное состояние она также приобретает исходное значение. Поэтому 
.
q0=dq представляет собой ту часть теплоты горячего источника, которая превращена в работу. Это – теплота, полезно использованная в цикле, она равна разности теплот q1-q2
Отношение работы, производимой двигателем за цикл, к количеству теплоты, подведенной за этот цикл от горячего источника, называется термическим коэффициентом полезного действия (КПД) цикла:
Коэффициент полезного действия оценивает степень совершенства цикла теплового двигателя. Чем больше КПД, тем большая часть подведенной теплоты превращается в работу.
Последнее соотношение является математическим выражением принципа эквивалентности тепловой и механической энергии.
Если исключить из схемы теплового двигателя холодный источник, то формально принцип эквивалентности не будет нарушен. Но, как показывает опыт, такой двигатель работать не будет.
Тепловой двигатель без холодного источника теплоты, т.е. двигатель, полностью превращающий в работу всю полученную от горячего источника теплоту, называется вечным двигателем второго рода.
Второй закон термодинамики можно сформулировать: Вечный двигатель второго рода невозможен.
Или: (Томсон в 1851г) Невозможна периодически действующая тепловая машина, единственным результатом действия которой было бы получение работы за счет отнятия теплоты от некоторого источника.
Практически в существующих тепловых двигателях горячими источниками служат химические реакции сжигания топлива или внутриядерные реакции, а в качестве холодного источника используется окружающая среда – атмосфера.
Цикл Карно. Прямой.
Для превращения теплоты в работу в непрерывно действующей машине нужно иметь:
1. тело или систему тел, от которых можно было бы получить теплоту (горячий источник),
2. рабочее тело, совершающее термодинамический процесс,
3. и тело, или систему тел, способную охлаждать рабочее тело, т.е. забирать от него теплоту, не превращенную в работу (холодный источник).
Рассмотрим простейший случай, когда имеется один горячий с температурой Т1 и один холодный с температурой Т2 источники теплоты. Теплоемкость каждого из них столь велика, что отъем рабочим телом теплоты от одного источника и передача ее другому практически не меняет их температуры. Хорошей иллюстрацией могут служить земные недра в качестве горячего источника и атмосфера в качестве холодного.
Единственная возможность осуществления в этих условиях цикла, состоящего только из равновесных процессов, заключается в следующем. Теплоту от горячего источника к рабочему телу нужно подводить изотермически. В любом другом случае температура рабочего тела будет меньше температуры источника Т1, т.е. теплообмен между ними будет неравновесным. Равновесно охладить рабочее тело от температуры горячего до температуры холодного источника Т2, не отдавая теплоту другим телам (которых по условию нет), можно только путем адиабатного расширения с совершением работы. По тем же соображениям процесс теплоотдачи от рабочего тела к холодному источнику тоже должен быть изотермическим, а процесс повышения температуры рабочего тела от Т1 до Т2 – адиабатным сжатием с затратой работы. Такой цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, носит название цикла Карно, поскольку именно Карно в 1824 г. установил основные законы превращения тепловой энергии в механическую.
В результате цикла каждый килограмм газа получает от горячего источника теплоту q1, отдает холодному теплоту q2 и совершает работу ац.
Подставив в формулу 
, справедливую для любого цикла, выражение для q1 и q2 , получим, что термодинамический КПД цикла Карно определяется формулой
Из нее видно, что термический КПД цикла Карно зависит только от абсолютных температур горячего и холодного источников. Увеличить КПД цикла можно либо за счет увеличения температуры горячего источника, либо за счет уменьшения температуры холодного, причем влияние температур Т1 и Т2 на значение ht различно:
,
а так как Т1>Т2, то 
.
Таким образом, увеличение температуры горячего источника в меньшей степени повышает КПД цикла Карно, чем такое же (в кельвинах) уменьшение температуры холодного.
Являясь следствием второго закона термодинамики, формула для КПД цикла Карно, отражает его содержание. Из нее видно, что теплоту горячего источника можно было бы полностью превратить в работу, т.е. получить КПД цикла, равный единице, лишь в случае, когда Т1®¥ либо Т2®0. Оба значения температур недостижимы.
При Т1=Т2 термодинамический КПД цикла равен 0. Это указывает на невозможность превращения теплоты в работу, если все тела системы имеют одинаковую температуру, т.е. находятся между собой в тепловом равновесии.
Количество подведенного тепла:
Количество отведенного тепла:
Работа цикла Карно:
Термический КПД цикла:
где Т1 и Т2 – соответственно температуры верхнего и нижнего источника тепла в 0К.
Обратный цикл Карно.
Осуществим цикл Карно в обратном направлении. Рабочее тело с начальными параметрами точки а расширяется адиабатно, совершая работу расширения за счет внутренней энергии, и охлаждаясь от температуры Т1 до температуры Т2. Дальнейшее расширение происходит по изотерме, и рабочее тело отбирает от нижнего источника с температурой Т2 теплоту q2. Далее газ подвергается сжатию сначала по адиабате, и его температура от Т2 повышается до Т1, а затем – по изотерме (Т1=const). При этом рабочее тело отдает верхнему источнику с температурой Т1 количество теплоты q1.
Поскольку в обратном цикле сжатие рабочего тела происходит при более высокой температуре, чем расширение, работа сжатия, совершаемая внешними силами, больше работы расширения на величину площади аbcd, ограниченной контуром цикла. Эта работа превращается в теплоту и вместе с теплотой q2 передается верхнему источнику. Таким образом, затратив на осуществление обратного цикла работу ац, можно перенести теплоту от источника с низкой температурой к источнику с более высокой температурой, при этом нижний источник отдаст количество теплоты q2, а верхний получит количество теплоты q1=q2+aц.
Обратный цикл Карно является идеальным циклом холодильных установок и так называемых тепловых насосов.
В холодильной установке рабочими телами служат, как правило, пары легкокипящих жидкостей – фреона, аммиака и т.п. Процесс “перекачки теплоты” от тел, помещенных в холодильную камеру, к окружающей среде происходит за счет затрат электроэнергии.
Эффективность холодильной установки оценивается холодильным коэффициентом, определяемым как отношение количества теплоты, отнятой за цикл от холодильной камеры, к затраченной в цикле работы:
Рекомендация для Вас - 19. Истечение жидкости через отверстия.
Для обратного цикла Карно:
Чем меньше разность температур между холодильной камерой и окружающей средой, тем меньше нужно затратить энергии для передачи теплоты от холодного тела к горячему и тем выше холодильный коэффициент.
Холодильную установку можно использовать в качестве теплового насоса.
Используя обратный цикл Карно рассмотрим еще одну формулировку второго закона термодинамики, которую в то же время, что и Томсон, предложил Клаузиус: теплота не может самопроизвольно (без компенсации) переходить от тел с более низкой температурой к телам с более высокой температурой.
Из рассмотренного обратного цикла Карно следует, что передача теплоты от тела менее нагретого к телу, более нагретому возможна, но этот “неестественный ” процесс (точнее – не самопроизвольный) требует соответствующей энергетической компенсации в системе. В обратном цикле Карно в качестве такой компенсации выступала затраченная работа, но это может быть и затрата теплоты более высокого потенциала, способной совершить работу при переходе на более низкий потенциал.
