Термодинамика Бурдаков В.П., Дзюбенко Б.В., Меснянкин С.Ю., Михайлова Т.В. (1013734), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Определяем давление в конечной точке изотермического процесса 2 5 3 рз =рз = 10 6' 105 = 31 8' 105 Па 1'з Г Находим работу расширения для адиабатного процесса: 1 7'рааш 75 1 (Р! 1 Р2 2) (60 ° 10 1 — 10,6 ° 10 ) Дж. / Рассчитываем работу сжатия для изотермического процесса: Ха = 1пЯТ2 )п — = 36,1 ° 287,1 ° 300 1п — ' = — Зб ° 105 Дж. Рз 10,6 К о м м е н т а р и й. Абсолютное значение работы расширения больше, чем работы сжатия, поскольку работа соответствует площади под процессом в РИ = д в координатах, а изотерма в этих координатах идет более полого. 113 8 — 5580 Глава 3. Приложения первого закона термодинамики 8. Воздух массой 2 кг при температуре 1 = 27 'С сжимается атиз при затрате работы 200 кДж.
За время сжатия отводится 105 кДж теплоты. Определить показатель политропного процесса д. коэФфициент распределения теплоты у, температуру 1з в конце процесса, удельную теплоемкость процесса с, если удельная изохорная теплоемкость постоянна и соответствует с .
= 0,72 кДж/кг. К. Решение. г' По первому закону термодинамики Я = МУ + Ь определяем изменение внутренней энергии, при этом учитываем знаки энергетических величин: ЛЕТ = 5) — А = — 105 — ( — 200) = 95 кДж. / Определяем коэффициент распределения теплоты: Лог 95 у = — = — = -0,9. 9 — 105 Г По формуле, дающей связь коэффициента распределения 7-й теплоты с показателем политропного процесса у = —, пахот-1' дим втй — 1 — 0,9 ° 1,4 — 1 7= = ' ' — -119. ~у — 1 — 0,9 — 1 г' Рассчитываем удельную теплоемкость процесса по од- ~-й с„ ной из формул с = с — или с = —: ну 1г' 0,72 кДж с= — = — ' = — 0,8 ту — 09 ' кг К' Температуру 1 в конечной точке определяем из Формулы М.г = т (1з — 1,), откуда = — +1 = +27=93'С.
Лг.г 95 тот, 1 2 0,72 Глава 4 Второй закон термодинамики 4. 1. Сущность второго закона термодинамики Второй закон термодинамики устанавливает направленность и условия протекания естественных процессов. Так же как и первый закон термодинамики, он был выведен на основании экспериментальных данных. Напомним, что в первом законе термодинамики характеризуются процессы превращения энергии с количественной стороны и устанавливается свяаь между различными Формами энергии, но не указываются направления процессов и не вводятся никакие ограничения.
В первом законе только утверждается, что теплота может превращаться в работу, а работа — в теплоту, но не устанавливаются условия, при которых возможны эти превращения, и совершенно не затрагивается вопрос о возможном направлении протекания термодинамического процесса. А не зная этого направления, невозможно предсказать его характер и результаты. Например, если имеются два тела, температуры которых различны, то первому закону термодинамики не противоречил бы переход теплоты от холодного тела к телу с более высокой температурой.
Основное ограничение, которое налагает первый закон термодинамики на этот процесс, состоит в том, чтобы количество теплоты, которое отдает первое тело, было равно количеству теплоты, которое получает второе тело (при условии отсутствия работы). В действительности теплота сама собой (самопроизвольно) переходит только от тел, имеющих более высокую температуру, к телам с более низкой температурой, т. е. процесс теплообмена обладает свойством определенной направленности — в сторону тел с более низкой температурой.
При этом процесс теплообмена прекращается 115 Глава 4. Второй закон термодинамики при достижении равенства температур. Необходимо отметить, что изменить естественное направление на обратное движение теплоты можно только за счет затраты работы (например, в холодильных машинах). Если рассмотреть и другие естественные процессы, происходящие с макротелами в нашей окружающей действительности, то им присущ такой же односторонний характер протекания: однажды расширившийся газ никогда самопроизвольно не сжимается; смешение, диффузия двух или нескольких газов (или жидкостей) никогда не обращается вспять.
Таким образом, можно конкретизировать, что ряд естественных явлений протекает необратимо и в обратном направлении самопроизвольно протекать не может. Наши наблюдения позволяют сделать вывод о том„что многие самопроизвольные превращения ведут системы, в которых они протекают, к выравниванию главных различий: к исчезновению разности потенциалов, к равновесию, что на уровне молекул соответствует максимальной неупорядоченности — хаосу. Таким образом успокаивается рябь на поверхности воды, остывают угли костра, красивый кристалл льда при комнатной температуре превращается в лужицу.
При этом такой ход явлений никаких особых условий для реализации не требует. Однако было бы ошибочным утверждать, что мы наблюдаем только односторонние процессы, ведущие к равновесию. Известны и другие, противоположные виды явлений— процессы усложнения и совершенствования систем и концентрации энергии. В холодильной машине можно вновь превратить воду в кристалл льда при определенных условиях. При вполне определенных условиях протекают биохимические процессы, в результате которых из элементов неживой природы — углерода, кислорода, водорода, азота и других— возникают и совершенствуются формы жизни растений, животных, человека.
Примером самосовершенствования системы является превращение маленького зерна в растение, дерево. Подчеркнем, что эти превращения происходят лишь при выполнении определенных условий, поэтому их относят к не- самопроизвольным превращениям. Возможность совершить несамопроизвольное превращение связана с выполнением конкретного условия — его должно 116 4.2. Изменение энтропии е термодинаминеских процессах компенсировать сопряженное самопроизвольное превращение. Самопроизвольное превращение никакой компенсации не требует.
Это заключение является основой одного из важнейших законов природы — второго закона термодинамики. Исторически сложилось так, что отправной точкой, базой его открытия послужил анализ конкретного несамопроизвольного явления, реализация которого стала необходимостью для человека — превращения теплоты в механическую работу. Честь этого открытия принадлежит С. Карно. Оно сделано им в 1824 г. при анализе возможности создания наиболее совершенного теплового двигателя — машины, превращающей с максимальной эффективностью теплоту в механическую работу. С. Карно впервые указал на возможность превращения теплоты в полезную работу в двигателе при наличии двух источников теплоты: одного с более высокой температурой (нагреватель с температурой Тт) и другого с меньшей температурой (холодильник с температурой Ч'з).
Позднее Р. Клаузиус и В. Томсон (Кельвин) дали наиболее общие формулировки второго закона термодинамики, из которых следует, что: в невозможен процесс, при котором теплота самопроизвольно переходила бы от холодных тел к телам нагретым; в не вся теплота, полученная от теплоотдатчика (нагревателя), может перейти в работу, а только часть ее, другая часть должна перейти в теплоприемник. Для получения аналитического выражения второго закона термодинамики рассмотрим его применительно к термодинамическим процессам. 4.2. Изменение энтропии в термодинамических процессах При рассмотрении основных положений термодинамики были введены понятия процессов — обралтимых и необралтимьсх.
Напомним, что процесс называется обратимым, если его можно провести в обратном направлении таким образом, 117 Глава 4. Второй закон термодинамики что после возвращения системы в исходное состояние в окружающей среде не обнаруживается никаких изменений. Если изменения обнаружатся, то процесс необратим. К обратимым процессам можно отнести: ° все чисто механические процессы, т. е. такие механические движения, где практически отсутствует трение (незатухающие колебания маятника, движение идеальной жидкости без трения, удары идеально упругих тел); ° незатухающие электромагнитные колебания; ° распространение электромагнитных волн в среде без поглощения.
Все действительные термодинамические процессы совершаются при конечной разности давлений и температур рабочего тела и окружающей среды и являются неравновесньтми и необратимьиии. Характерным примером необратимого процесса является движение с трением. Работа, затрачиваемая на преодоление трения, необратимо превращается в теплоту, выделяющуюся при трении. При этом в окружающей среде обнаруживается следующее изменение: исчезает порция упорядоченной энергии, а вместо нее появляется порция неупорядоченной энергии — теплота, т.
е. произошла диссипация (рассеиванне) энергии. Аналогичные необратимые процессы проявляются при передаче теплоты от горячего тела к холодному, при образовании любого раствора или газовой смеси. Необратимыми процессами являются также горение и взрыв, явления радиоактивного распада, течение электрического тока в проводнике с сопротивлением, распространение электромагнитных волн в поглощающей среде. Во всех необратимых процессах вместо упорядоченной энергии появляется порция неупорядоченной и вследствие этого энтропия системы увеличивается на бд' где бЯ' — порция тепловой энергии, появившейся внутри сис- темы за счет деградации энергии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
