Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

При выводе Н-теоремы Больцман кроме механики Ньютона опирался на предположение о молекулярном хаосе, которое, однако, не всегда верно. По теории вероятности, возможность того, что молекулы газа в упомянутом ранее сосуде будут двигаться не хаотично, а устремятся в какую-то одну его половину, не является нулевой, хотя и исчезающе мала. Поэтому можно сказать, что в принципе могут быть случаи, когда энтропия убывает, а хаотическое движение молекул будет упорядочиваться. Таким образом, Н-теорема Больцмана описывает механизм перехода газа из состояния с низкой энтропией в равновесное, но не объясняет, почему это происходит в одном и том же направлении во времени, а именно из прошлого в будущее. А раз это так, то больцмановская модель лишается временной асимметрии.

Но временная асимметрия - это реальный факт. Упорядоченность реальных систем может возникать за счет внешних воздействий, а не за счет внутренних беспорядочных флуктуаций (дом, например, воздвигается строителями, а не в результате внутренних хаотических движений). В реальности все системы формируются под воздействием окружающей среды. Для различения реальных систем, которые, отделясь от окружающей Вселенной, приходят в состояние с низкой энтропией, и больцмановских постоянно изолированных от окружающей среды систем, Г.Рейхенбах назвал первые ветвящимися структурами - в их иерархии упорядоченность каждой зависит от предыдущей. Ветвящаяся структура ведет себя асимметрично во времени по причине скрытого воздействия извне. При этом причина асимметрии - не в самой системе, а в воздействии. В реальном мире больцмановских систем нет.

Асимметричные во времени процессы существуют и в областях за пределами термодинамики. Примером таких процессов могут служить волны (в том числе радиоволны). Так, радиоволны распространяются от передатчика в окружающее пространство, но не наоборот. Аналогично обстоит дело с распространением волн от брошенного в пруд камня. Волны, бегущие от источника (предположим, брошенного в пруд камня) в разные стороны, называют запаздывающими. В принципе возможны и опережающие волны, которые могут возникнуть тогда, когда возмущения сначала проходят через удаленную точку, а затем сходятся в месте распространения источника волны. Изолированный пруд есть симметричная во времени система, как и больцмановский сосуд с газом. Брошенный в него камень создает ветвящуюся структуру. Радиоволна же обратно не вернется, ибо распространяется в безграничном пространстве. Здесь мы имеем дело с неограниченной диссипацией (рассеянием) волн и частиц, являющей собой еще один тип необратимой временной асимметрии. Значит, образование ветвящихся структур и необратимая асимметрия бесконечного волнового движения делают необходимым учет крупномасштабных свойств Вселенной.

Таким образом, дискуссия по поводу второго начала термодинамики привела к выводу, что законы микромира ситуацию с "демоном Максвелла" делают неосуществимой, но вместе с тем она способствовала уяснению того, что второе начало термодинамики является законом статистическим.

ТРЕТЬЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

Третье начало термодинамики (теорема Нернста) : энтропия физической системы при стремлении температуры к абсолютному нулю не зависит от параметров системы и остается неизменной. Другие формулировки теоремы: при стремлении температуры к абсолютному нулю все изменения состояния системы не изменяют ее энтропии; при помощи конечной последовательности термодинамических процессов нельзя достичь температуры абсолютного нуля. М.Планк дополнил теорему гипотезой, согласно которой энтропия всех тел при абсолютном нуле температуры равна нулю. Из теоремы вытекают важные следствия о свойствах веществ при температурах, близких к абсолютному нулю: приобретают нулевое значение удельные теплоемкости при постоянных объеме и давлении, термический коэффициент расширения и давления. Кроме того, из теоремы следует недостижимость абсолютного нуля температуры при конечной последовательности термодинамических процессов.

Если первое начало термодинамики утверждает, что теплота есть форма энергии, измеряемая механической мерой, и невозможность вечного двигателя первого рода, то второе начало термодинамики объявляет невозможным создание вечного двигателя второго рода. Первое начало ввело функцию состояния - энергию, второе начало ввело функцию состояния - энтропию. Если энергия закрытой системы остается неизменной, то энтропия этой системы, состоящая из энтропий ее частей, при каждом изменении увеличивается - уменьшение энтропии считается противоречащим законам природы. Сосуществование таких независимых друг от друга функций состояния, как энергия и энтропия, дает возможность делать высказывания о тепловом поведении тел на основе математического анализа. Поскольку обе функции состояния вычислялись лишь по отношению к произвольно выбранному начальному состоянию, определения энергии и энтропии не были совершенными. Третье начало термодинамики позволило устранить этот недостаток. Важное значение для развития термодинамики имели установленные Ж.Л.Гей-Люссаком законы - закон теплового расширения и закон объемных отношений. Б.Клапейрон установил зависимость между физическими величинами, определяющими состояние идеального газа (давлением, объемом и температурой), обобщенное Д.И.Менделеевым.

Таким образом, концепции классической Термодинамики описывают состояния теплового равновесия и равновесные (протекающие бесконечно медленно, поэтому время в основные уравнения не входит) процессы. Термодинамика неравновесных процессов возникает позднее - в 30-х гг. ХХ века. В ней состояние системы определяется через плотность, давление, температуру и другие локальные термодинамические параметры, которые рассматриваются как функции координат и времени. Уравнения неравновесной термодинамики описывают состояние системы во времени.

ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ

Паровая машина. Первые практически действующие универсальные паровые машины были созданы русским изобретателем Иваном Ивановичем Ползуновым и англичанином Джемсом Уаттом.

В машине Ползунова из котла по трубам пар с давлением, немного превышающим атмосферное, поступал поочередно в два цилиндра с поршнями. Для улучшения уплотнения поршни заливались водой. Посредством тяг с цепями движение поршней передавалось мехам для трех ме­деплавильных печей.

Постройка машины Ползунова была закончена в августе 1766 г. Она имела высоту 11 м, емкость котла 7 м³, высоту цилиндров 2,8 м, мощность 29 кВт.

Машина Ползунова создавала непрерывное усилие и была первой универсальной машиной, кото­рую можно было применять для приведения в движение любых заводских механизмов.

В паровой машине Д. Уатта два цилиндра были заменены од­ним закрытым. Пар поступал по­переменно по обе стороны порш­ня, толкая его то в одну, то в дру­гую сторону. В такой машине двойного действия отработавший пар конденсировался не в цилин­дре, а в отдельном от него сосу­де — конденсаторе. Постоянство числа оборотов маховика поддер­живалось центробежным регуля­тором. Разработка парового двигателя была завершена Д. Уаттом в 1784 г.

Главным недостатком первых паровых машин был низкий КПД. У паровозов КПД не превы­шал 9%.

Паровая турбина и ТЭЦ. Зна­чительного повышения КПД уда­лось достигнуть в результате изобретения паровой турбины.

Первая паровая турбина, на­шедшая практическое примене­ние, была изготовлена шведским инженером Густавом Лавалем в 1889 г. Для работы паровой турбины за счет энергии, осво­бождаемой при сжигании камен­ного угля или мазута, вода в кот­ле нагревается и превращается в пар. Пар нагревается до темпе­ратуры более 500 °С и при вы­соком давлении выпускается из котла через сопло. При выхо­де пара внутренняя энергия нагретого пара преобразуется в кинетическую энергию струи па­ра. Скорость струи пара может достигнуть 1000 м/с. Струя пара направляется на лопатки турби­ны и приводит турбину во вра­щение. На одном валу с турбиной находится ротор электрического генератора. Таким образом энер­гия топлива в конечном счете преобразуется в электрическую энергию.

Современные паровые турби­ны обладают высоким КПД пре­образования кинетической энер­гии струи пара в механическую энергию, превышающим 90%. Поэтому электрические генерато­ры практически всех тепловых и атомных электростанций мира, дающие более 80% всей выра­батываемой электроэнергии, при­водятся в действие паровыми турбинами.

Температура пара, применяе­мого в современных паротурбин­ных установках, не превышает 580 °С (температура нагревателя Т1=853 К), а температура пара на выходе из турбины обычно не ниже 30 °С (температура холо­дильника Т2=303 К); поэтому максимальное значение КПД па­ротурбинной установки как теп­ловой машины равно:

а реальные значения КПД паро­турбинных конденсационных электростанций составляют лишь око­ло 40%.

Мощность современных энер­гоблоков котел — турбина — ге­нератор достигает 1,2*10⁶ кВт.

Для повышения КПД на мно­гих электростанциях тепло, от­бираемое от паровой турбины, используется для нагревания во­ды. Горячая вода поступает в систему бытового и промышлен­ного теплоснабжения.

Коэффициент полезного ис­пользования топлива в такой теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) повы­шается до 60—70%.

Тепловые машины и транс­порт. Различные виды тепловых машин являются основой совре­менного транспорта. Тепловые машины приводят в движение ав­томобили и тепловозы, речные и морские корабли, самолеты и кос­мические ракеты. Одной из наи­более распространенных тепло­вых машин, используемых в раз­личных транспортных средст­вах, является двигатель внут­реннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгора­ния. Среди способов увеличения КПД тепловых двигателей один оказался особенно эффективным. Сущность его состояла в устране­нии части потерь теплоты пере­несением места сжигания топлива и нагревания рабочего тела внутрь цилиндра.

Отсюда и происхождение на­звания — «двигатель внутренне­го сгорания».

Первый двигатель внутрен­него сгорания был создан в 1860 г. Французским инженером Этье-ном Ленуаром, но эта машина была еще весьма несовершенной.

В 1862 г. французский изобретатель Бо де Роша предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл: 1) всасывание; 2) сжа­тие; 3) горение и расширение; 4) выхлоп. Эта идея была исполь­зована немецким изобретателей Н. Отто, построившим в 1878 г. первый четырехтактный газовый двигатель внутреннего сгорания. КПД этого двигателя достигал 22%, что превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех предшествующих типов.

Развитие нефтяной промыш­ленности в конце XIX в. дало новые виды топлива — керосин и бензин. В бензиновом двигателе для более полного сгорания топлива перед впуском в цилиндр его смешивают с воздухом в специальных смесителях, называемых карбюраторами. Воздушно- бензиновую смесь называют горючей смесью.

Для полного сгорания в составе смеси на один килограмм бензина должно приходиться не менее пятнадцати килограммов воздуха. Это означает, что рабочим телом в двигателях внутреннего сгорания фактически является воздух, а не пары бензина. В отличие от паровых машин здесь топливо сжигается для нагревания газа, а не для превращения жидкости в пар. Правда, наряду с нагреванием воздуха происходит и частичное изменение его состава: вместо молекул кислорода появляется несколько большее количество молекул углекислого газа и водяного пара. Азот, составляющий более ¾ воздуха, испытывает лишь нагревание.

Впуск Сжатие Рабочий ход Выхлоп

Рис. 1

При движении поршня от верхнего положения до нижнего через выпускной клапан происходит засасывание горучей смеси в цилиндр (рис.1). Этот процесс происходит при постоянном давлении. При обратном ходе поршня начинается сжатие горю­чей смеси. Сжатие происходит быстро, и поэтому процесс близок к адиабатическому.

В конце такта сжатия проис­ходит воспламенение горючей смеси электрической искрой. Быс­трое сгорание паров бензина со­провождается передачей рабо­чему телу — воздуху — количе­ства тепла, резким возраста­нием температуры, давления воз­духа и продуктов сгорания. За короткое время горения смеси поршень практически не изменяет своего положения в цилиндре, поэтому процесс нагревания газа в цилиндре можно считать изохорическим.

Под действием давления горячих газов поршень совершает рабочий ход, газы адиабатически расширяются от объема vi до объема V2.

В конце рабочего такта от­крывается выпускной клапан и рабочее тело соединяется с окру­жающей атмосферой. Выпуск от­работанных газов сопровождает­ся передачей количества тепла Q2 окружащему воздуху, играюще­му роль охладителя.

Д
ля поршневых двигателей внутреннего сгорания важной характеристикой, определяющей полноту сгорания топлива и зна­чительно влияющей на величину КПД, является степень сжатия горючей смеси:

где V2 и V1 — объемы в начале и в конце сжатия. С увеличе­нием степени сжатия возрастает начальная температура горючей смеси в конце такта сжатия, что способствует более полному ее сгоранию. В карбюраторных дви­гателях увеличению степени сжа­тия выше 8—9 препятствует само­воспламенение (детонация) горю­чей смеси, происходящее еще до того, как поршень достигнет верх­ней мертвой точки. Это явление оказывает разрушающее действие на двигатель и снижает его мощ­ность и КПД. Достигнуть высо­ких степеней сжатия без детонации удалось увеличением скорос­ти движения поршня при повышении числа оборотов двигателя до 5—6 тыс. об/мин и применением бензина со специальными антидетонационными присадками.

Характеристики

Список файлов реферата