Основы термодинамики и кинетики химических реакций Иноземцев Н.В. (1013665), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Все процессы, связанные с переходом одного вида в другой,как известно, подчиняются первому закону термодинамики, указывающему на то, что при этих превращениях во всех явлениях, как простых, так и сложных, соблюдается один непоколебимый закон— закон сохранения энергии. 3 Н. В.
Ино3емцев зз Но этот закон, давая количественную и в то же время качественную характеристику превращений, не дает совершенно указаний о направлении процессов и не имеет ограничений. Мегкду тем простые наблюдения над явлениями природы приводят нас к заключению об одностороннем протекании всех наблюдаемых нами естественных процессов и их ограничении при протекании в обратном несамопроизвольном направлении.
Действительно, вода всегда стремится занять наинизший уровень в системе, теплота всегда стремится перейти от горячего тела к холодному, газы легко смешиваются, но не разделяются на составные части. Газ всегда стремится расшириться, а не уменьшиться в объеме, механическая энергия переходит в теплоту. Этих примеров достаточно, чтобы убедиться в том, что в замкнутой изолированной системе самопроизвольно будут происходить не какие угодно изменения, а лишь те, которые идут в направлении к достижению состояния равновесия.
Для того же, чтобы нарушить состояние равновесия, т, е. чтобы направить процессы в обратную сторону, необходимо на систему оказать извне то илн иное влияние, затратить механическую работу. Таким образом, конечная система тел, в которой совершаются необратимые процессы, постоянно изменяется в одну сторону, в одном направлении и через некоторый промежуток времени должна притти в такое состояние, когда вся механическая энергия превратится в теплоту, температура всех тел системы сравняется, удельные объемы увеличатся, дальнейшее изменение системы будет невозможно.
Одним словом, в конечной системе самопроизвольно будут происходить не какие угодно процессы, а лишь те, которые приводят эту систему в состояние равновесия. В этом и можно усмотреть самую общую формулировку второго закона термодинамики. Необратимое протекание всех естественных процессов — в этом сущность второго закона, самое общее его положение в применении к тем изменениям, которые мы в состояния наблюдать в окружающей среде.
Происхождение и развитие термодинамики обязано экономической потребности создания промышленного теплового двигателя. В связи с этим второй закон термодинамики оказался полностью подчиненным интересам теории теплового двигателя, и поэтому в своем первоначальном развитии он дал целый ряд положений и формулировок применительно к теории тепловых машин. Лишь в дальнейшем второй закоч получил громадное распространение не только в физике и химии, но и во всем естествознании, Не вдаваясь в подробное изложение второго закона, как закона, обосновывающего теорию тепловых двигателей, изучение которого, как уже указывалось, является задачей общего курса техчической 34 термодинамики, приведем основные формулировки и положения этого закона.
Исследование вопроса о превращении тепловой энергии в механическую в двигателе приводит прежде всего к выводу, что работа теплового двигателя продолжительного и безостановочного действия требует циклического изменения состояния рабочего тела. Другими словами, за процессом расширения в тепловом двигателе должен следовать процесс сжатия, причем так, чтобы в результате прямого и обратного процессов, образующих цикл, последний давал результирующую положительную работу.
Этому условию, как известно, удовлетворяют круговые процессы — циклы, идущие в направлении часовой стрелки (фиг. 5). Исследование любого такого цикла показывает, что круговой процесс в двигателе в результате б2= лл ЯД Фиг. в которого получается некоторое количество положительной работы, возможен лишь в.том случае, если на некотором участке цикла имеется подвод тепла и на некотором — отвод. При этом количество подведенного тепла всегда должно быть больше отведенного. Уравнение тепла всего цикла будет иметь следующий вид: 0 — 0= — (1з — Уг+1 — 1ь (30) где Га†(1, — изменение внутренней энергии рабочего тела в круговом процессе, 1„ — работа расширения, Ае — работа сжатия.
Так как в круговом процессе конечное состояние тела совпадает с начальным (точка 1), то для кругового процесса (1з †(',=О, т. е. изменения внутренней энергии рабочего тела в цикле не происходит. Обозначая работу цикла через Л, т. е. 1=1 — 1,, зв получим: 0 — 0з=Т (з)) нли 0 =ь+О. (32) Полученное уравнение показывает, что все располагаемое, подведенное к газу тепло Д1 полностью перевести в работу двигателя невозможно, так как часть тепла — ('„)м как это следует из анализа рассматриваемого цикла, обязательно необходимо отвести от газа.
При этом, так как рабочее тело в круговом процессе не изменяет своей внутренней энергии (У, — Уг=О), вся положительная работа цикла Ь создается только как результат превращения тепловой энергии в механическую. Это означает, что количество подведенного тепла — ('„), должно быть больше отведенного — К, и разность этих количеств тепла, т. е. (),— Д,, представляет собой тепло, эквивалентное полученной в цикле работе Ь. Но кроме того, из анализа круговых процессов следует еще и то весьма важное обстоятельство, что участки цикла с отводом тепла всегда имеют более низкую температуру, чем участки с подводом тепла.
Следовательно, для осуществления замкнутого кругового процесса, идущего по часовой стрелке, необходимо наличие двух источников тепла — одного, передающего газу тепло с высокой температурой — Т„ и другого, получающего тепло с более низкой температурой — Т,. Этот последний источник тепла носит название холодильника, причем температура его — Т. обычно равняется температуре окружающей среды. Таким образом, мы приходим к заключению, подтверждающему основную мысль, высказанную Карно, а именно: в замкнутом круговом процессе тепловая энергия может превратиться в механическую работу только при наличии разности температур источника тепла и холодильника. И так как холодильник, поглощающий отводимое от газа тепло— ()з, имеет обычно температуру окружающей среды, то можно приттн к еле|дующему положению: теплота может быть превращена в работу двигателя только в том случае, если температура источника тепла более высока, нежели температура окружающей среды.
Это означает, что в тепловых двигателях необходимо иметь разность температур, и, как увидим ниже, чем больше эта разность, тем больший процент располагаемого тепла будет переведен в механическую работу. Во всех существующих двигателях эта разность температур действительно существует и создается практическими процессами горения топлива (топки паровых котлов, горение в цилиндре двигателя внутреннего сгорания). При отсутствии разности температур источника тепла и холодильника превращение тепловой энергии в механическую в тепловом двигателе будет невозможно. Действительно, в окружающих нас предметах (вода, воздух идр.) содержится огромное количество тепловой энергии, излученной солнцем.
Однако, ни одной калория этого тепла превратить в работу двигателя мы не можем, так как все окружающие нас предметы имеют приблизительно одинаковую температуру, т. е. отсутствует разность температур, необходимая для такого превращения. Можно привести пример с кораблем, который никоим образом нельзя приводить в движение за счет запаса тепла, содержащегося в морской воде, как бы ни был велик этот запас.
Движение корабля станет возможным л~ишь в том случае, если на нем будет установлен тепловой двигатель, в котором тепло, переходящее в работу, имеет более высокую температуру, чем окружающая среда, т. е. если каким-либо образом создан источник тепла. Морская же вода с температурой окружающей среды может служить только холодильником, поглощающим отводимое тепло Да. На основании изложенного можно притти к положению, высказанному английским ученым Томсоном: теплота, содержащаяся в окружающей нас среде, не может быть превращена в работу теплового двигателя (если температуру всех окружающих нас предметов считать одинжовой). Если в окружающей нас среде имеются предметы с различной температурой, то за счет этой разности температур превращение тепла в работу двигателя вполне возможно.
Оказанное можно изобразить схемой, приведенной иа фиг. 6. Если имеется бесконечно большой источник тепла„ например, окру. жающая 'среда с одной температурой — Т,, и какая-нибудь машина, то эту машину невозможно заставить работать за счет тепла, имеющегося в этом источнике. Такой двигатель, производящий механическую работу исключительно за счет тепла, содержащегося в окружающей среде с одинаковой температурой, в термодинамике получил название регре1ппш пто)п1е 11 рода (в отличие от регре4ппш шоЫ1е 1 рода, т, е.
двигателя, создающего работу из ничего). Долголетний человеческий опыт показал, что все механизмы, придуманные для использования тепла окружающей среды (если только она имеет одну температуру) в целях получения постоянного источника механической работы, в такой же степени обречены на неудачу, как ~и более примитивные предложения получения механической работы из ничего. Пришлось убедиться в том, что построить машину с одним лишь источником тепла невозможно. Поэтому Оствальд, например, формулирует все эти положения, вытекающие из теории круговых циклов, очень кратко: р е г р е- $ и и т ш о Ь 11 е 11 р о д а невозможен.
зг Итак, на основании изложенного выше можно установить, что если газ должен совершить положительную механическую работу в двигателе безостановочного действия, то для этого необходимо осуществить круговой замкнутый ~процесс, при котором некоторое количество тепла должно быть перенесено от источника тепла с более высокой температурой к холодильнику более низкой температуры, вследствие чего в таком двигателе невозможно иметь полное превращение располагаемой тепловой энергии в механическую работу.
Установив эти основные положения кругового процесса, можно подойти к весьма важному и имеющему огромное значение понятию, а именно, термическому коэфнциенту полезного действия теплового двигателя. Выше было указано, что в тепловом двигателе из всего располагаемого нли сообщенного тепла — 0~ в работу двигателя пре- Фиг. 6 вращается только часть тепла, а именно ф1 — К); поэтому отношение: количество тепла, превратившееся в работу количество сообщенного тепла будет характеризовать степень использования затраченного тепла. Это отношение н носит название термического коэфициента полезного действия двигателя н обозначается обычно через т~,.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
