Д.В. Сивухин - Общий курс физики, Т2. Термодинамика и молекулярная физика (1106322), страница 22
Текст из файла (страница 22)
телом, температура которого выше температуры газа в цилиндре. Газ будет нагреваться и расширяться — этот процесс изображен кривой 1 п2. Рабочее вещество полу пгг от нагревателя теплоту Я ~ и совершит положительную работу Лн По первому началу (28.1) Щ =П вЂ” У~+Ам 1еперь надо вернуть поршень в исходное положение, т. е. сжать газ. Это надо сделать так, чтобы работа Ая, затраченная на сжатие, была мсныпе А и С этой целью приведем дно цилиндра в тепловой контакт с холодильником, т. е.
телом, температура которого ниже температуры газа в цилиндре, и сожмем газ по пути 861. В результате газ вернется в походное состояние ! . При этом он отдаст холодильнику количество з 28) Различимо формулировка основного постулата теплоты Щ. По первому началу (28.2) — ь,12 = У, — 1/г — Аг. Отсюда в комбинации с (28.1) (28.3) сг, — Яг .= А, — Аг. Таким образом, тепловая машина совершила круговой процесс, в ре- зультате которого нагреватель отдал количество теплоты Оы холо- дильник получил количество теплоты Ягг.
Я = Ц1 — Яг пошло на производство работы А, — Аг. Отношение А у=~ = (28.4) называется коэффициенгпом, или экономическим коэффициентом по- летного действия (КПД) тепловой машины. 2. Возникает вопрос, нельзя ли построить периодически действующую тепловую машину без холодильника, т.е, добиться того, чтобы Яг = 0 и., следовательно, и = 12 Такая машина могла бы превращать в работу всю теплоту, заимствованную от одного теплового резервуара.
Возможность ее построения не противоречит закону сохранения энергии. По своему практическому значению она почти не уступала, оы перпетуум мобиле, так как с ее помощью можно было бы производить работу за счет практически неисчерпаемых запасов внутренней энергии, содержащихся в водах океанов и морей. воздушной атмосфере и недрах Земли. Такую машину Вильгельм Оствальд (1853 — 18132) называл перпетуум,мобиле второго рода в отличие от перпетуум любилс первого рода, т. с. вечного двигателя, производящего работу из ничего, возможность которого отрицается законом сохранения энергии. Но уже Карно понял, что такая машина принципиально невозможна.
Работу тепловых двигателей он сравнивал с работой двигателей водяных. Производство работы в последних двигателях связано с падением воды с более высокого на более низкий уровень. Так и возможность производства работы тепловыми двигателями обусловлена по Карно переходом теплоты от тела более нагретого к телу менее нагретому. Исходя из этой аналогии, Карно вывел ряд правильных положений, с которыми мы ознакомимся в дальнейшем. Ошибка Карно состояла лишь в том, что он вместе со своими современниками считал, что во всех процессах теплота не может создаваться и уничтожаться.
Опьгпгые факты говорят против воз~ожности построения перпетуум мобиле второго рода. Поэтому невозможность построения такого перпетуум мобиле была возведена в постулат. Он называется поглпулатом отарово начала термодинамики и является обобщением опытных фактов. ~[оказательствоьг этого постулата является согласие всех вьггекающих из него следствий с опытом. До сих пор, применяя этот постулат к макроскопическим системам. размеры которых не очень малы. физика нигде не натолкнулась на противоречия. Поэтому ! Гл. 11! Второе начало термодинимики постулат второ~о начала термодинамики покоится нв надежной экспериментальной основе. Приведем три точных формулировки постулата. 3.
Вильям Томсон (получивший позднее за научные заслуги титул лорда Кальвина) в 1851 г. дал такую формулировку постулата второго начала термодинамики; «Неоозмозюеэ«кругооой процесс, едино«поемным результатом которого было бы произоодстоо работы за счет оклагисде««ил тетлооого резероуара».
Напомним, что под тео.юным резервуаром понимают тело или систему тел, находящуюся в состоянии термодинвмичсского равновесия и обладаюп1ую запасом внутренней энергии. Но тепловой резервуар сам макроскопичсской работы нс совершает, а может только передавать внутреннюю энергию другому телу или системе тел. Если последняя система производит работу за счет внутренней энергии теплового резервуара, то она называется в термодинамике рабочим телом, Таким образом. со~ ласно Томсону, нсоозмолсеп круговой процесс, единстоеппым результатом которого было бы произоодстоо работе«за счет умепьоленил аэ«утре»и«ей энергии теплооого резерэоуара. 4. Можно конкретизировать, в чем должно выражаться производство внешней работы, и таким путем получить л«ножество разнообразных формулировок основного постулата.
Одна из них принадлежит Планку (1858 — 1847). Она состоит в следуюп1ени «Неоозмозюпо построить периодически дейстоующрдо машину, едш»«тэаеютым резульпштом которой было бы под>сигпие груза за с'шт оклазкденил теплооого резервуара». Указание на периодичность действия машины в формулировке Планка существенно.
Точно так же в формулировке Томсона существенно, что процесс должен быть круговым. Действительно, возможен процесс (но не круговой), единственным ргзутьтатом которого было бы поднятие груза за счет внутренней энергии, заимствованной от теплового резервуара. 1!панк приводит следующий пример. «г!опустим, что в цилиндре с поршнем (снь рис. 7) находится идеальнгий газ. На поршне лежит груз Р.
Приведем дно цилиндра в тепловой контакт с достаточно большим тепловым резервуаром, телэпература которого превышает температуру газа на бесконечно малую величину. Затем будем бесконечно малыми порциями разгружать поршень. Тогда газ будет изотермически расширяться. производя работу А по поднятию груза. По первому началу а=из — Н,+А. Так как внутренняя энергия идеального газа Н зависит только от температуры,которая в описанном процессе не меняется,то !7г — ~l~ —— = 0 и. следователы<о, Таким образом, теплота Я, заимствованная у теплового резервуара, полностью перешла в работу поднятия груза. Это не противоречит постулату второго начала термодинамики, так как описанный процесс не круговой, т. с.
машина не является периодически действующей. Вот з 28) Различи»>с фоймули1>овки основного постулата если бы удалось каким утодно способом, оставляя груз в поднятом положении, сжать груз, приведя его в начальное состояние. и вернуть поршень в исходное положение таким образом, чтобы во всех остальных телах (за исключением теплового резервуара, часть внутренней энергии которого пошла на производсгво раг>огы) ие произошло никакис изменений, то тогда получилось бы противоречие с постулатом второго начала термодинамики, ибо постулат второго начала термодинамики утверждает, что сделать это невозможно никакими способами.
Формулировка Планка отличается от формулировки Томсона лишь по форме.,'(ля удобства условимся называть процессом уомсонаПланка воображаемый круговой процесс, единственным результатом которого является производство работы за счет охлаждения теплового резервуара. Тогда постулат сводится к утверждению, что процесс Томсона — Пла>г»и >гевозмоз>се>ь 5. Клаузиус (1822 1888) в 1850 в дал существенно иную формулировку основного постулата. Он выдвинул следуюп1ее положение: «Теплота не может самопроизвольно переходить от те«>а менее нагретого к телу более нагретому». Под теплотой здесь надо понимать внутреннюю энергию тела. Постулат Клаузиуса никоим образом не сводится к утверждению, что при непосредственном тепловом контакте двух тел теплота всегда переходит от тела более нагретого к телу менее нагретому.
Это утверждение вообще не составляет содержания физического закона. а является просто определением того, какое из двух тел условились назь>вать более, а какое менее нагретым (см. 2 4, и. 4). Передачу теплоты (точнее, внутренней энергии) можно осуществить не только тепловым контактом, но и бесчисленным множеством других способов. Например. все тела излучают и поглощают видимые или невидимые лучи (электромагнитные волны).
Излучение одно>о тела можно с помощью линзы или сферического зеркала сконцентрировать на другом теле и таким путем передать ему тепло. Однако не всякая передача возможна. Содержание постулага Клаузиуса как раз и состоит в том, что невозможно каким бьг то ни было способом забрать теплоту от тела менее нагретого. целиком передать его телу более нагретол>у и притом так, чтобы в природе больше не произошло никаких изменений. Любой воображаемый процесс, в котором осуществляется такая передача тепла, называется процессом Клаузиуса. Таким образом, постулат утверждает, что процесс Кларзирса >гевозмозк>е>ь Но постулат Клаузиуса не утверждает, что передача тепла от тела менее нагретого к телу более нагретому вообще невозможна.
Она невозможна при условии, что ио всех остальных телах иикакит: изменений ис доло>сио произойти. В эгом смысле слова «самопроизвольно, употребленного при формулироике второго начала термодинамики. Если же допустить другие процессы, то передача теплоты от тела менее нагретого к телу более нагретому становится невозможной. Такие процессы называются компсисир>дощими процессами или, короче, компенсациями.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
