1598082719-8919f39816a16b7b9e8153327d533cc4 (805677), страница 49
Текст из файла (страница 49)
Например, в предыдущем параграфе были рассмотрены энергетические соотношения для обратимого цикла Карно, совершаемого идеальным газом. 3, Примером необратимого процесса может служить торможение тела вследствие трения. Если на движущееся в какой-либо среде тело не действуют другие силы, кроме сил трения, то скорость тела постепенно уменьшается н оно, в конце концов, останавливается. При этом энергия механического движения тела, как целого, расходуется на увеличение энергии теплового движения частиц тела и окружающей среды. Следовательно, за счет кинетической энергии тела %', возрастает внутренняя энергия тела и среды, нагревающихся при трении (ЛО = = М7„).
Этот п р я м о й п р о ц е с с протекаетсовершенно самопроизвольно: для его осуществления нетребуется протекания вще каких- либо процессов в окружающих телах. Иначе обстоит дело с обратным процессом. Для возвращения системы в исходное состояние необходимо, чтобы остановившееся тело вновь пришло в движение за счет соответствующего охлаждения его самого и окружающей среды.
Опыты показывают, что хаотическое движение частиц тела не может самопроизвольно вызвать появление упорядоченного движения этих частиц как целого. Для осуществления такого процесса необходим дополнительный, так называемый компенсирующий процесс. Он должен заключаться в охлаждении тела и среды до первоначальной температуры, т, е.
в отдаче ими холодильнику теплоты я = йг, и в совершении над телом работы А' = Ж,. Поэтому, хотя в результате прямого и обратного процессов система тело — среда и возвращается в исходное состояние, состояния внешних вел и з м е н я ю т с я. Следовательно, всг процессьц сопровождающиеся трением, являются необратимыми. Процесс теплообмена между двумя телами, имеющими различную температуру, приводит к выравниванию средних энергий хаотического (теплового) движения частиц обоих тел. Энергия частиц более нагретого тела уменьшается, а энергия частиц более холодного тела увеличивается — температуры тел выравниваются. Этот процесс идет самопроизвольно, как только обеспечен тепловой контакт между телами.
Иначе обстоит дело с обратным процессом — процессом нагревания одного тела за счет охлаждения другого, имевшего вначале такую же температуру, что и первое. Известно, что самопроизвольно такой процесс не происходит. Для его осуществления нужно использовать холодильную машину, работа которой неизбежно сопряжена с изменением состояния других, внешних, тел. Следовательно, процесс тгплообмгна при конечной разности температур тоже является нгобраошмым.
Аналогично можно показать необратимость процессов растворения и диффузии. 4, Из рассмотренных примеров необратимых процессов видно, что все они в одном направлении протекают самопроизвольно, а для совершения каждого из этих процессов в обратном направлении необходимо, чтобы параллельно происходил какой-то другой, компенсирующий процесс. Все реальные процессы протекают не бесконечно медленно, а с конечной скоростью. Следовательно, они сопровождаются трением и теплообменом при конечной по величине разности между температурой рабочего тела и температурами нагревателей и холодильников.
Поэтому, строго говоря, все реальные процессы необратимы. Однако во многих случаях эти процессы близки к равновесным н их можно приближенно рассматривать как обратимые процессы. $ 12.3. Второй закон термодинамики 1 В предыдущем параграфе для доказательства необратимости процессов движения с трением и теплообмена при конечной разности между температурами тел мы вынуждены были ссылаться на результаты опытов. Это не случайно.
Дело в том, что для описания термодинамических процессов одного первого начала термодинамики недостаточно. Выражая всеобщий закон сохранения и превращения энергии, первое начало не позволяетопределить н а п р а вл е н и е протекания процессов. В самом деле, процесс самопроизвольной передачи энергии в форме теплоты от холодного тела к горячему ни в какой мере не противоречит первому закону термодинамики, если только уменьшение внутренней энергии первого тела равно энергии, полученной вторым.
Однако при опускании раскаленного куска железа в холодную воду никогда не наблюдается явление дальнейшего нагревания железа за счет соответствующего охлаждения воды. Далее, первое начало не исключает возможности такого процесса, е д и н с т в е н н ы м результатом которого было бы превращение теплоты, полученной от некоторого тела, в эквивалентную ей работу. Так, например, основываясь на первом начале, можно было бы попытаться построить периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет охлаждения одного источника теплоты (например, за счет внутренней энергии океанов). Такой двигатель называют вечным двигателем второго рода.
Обобщение огромного экспериментального материала привело к выводу о невозможности построения вечного двигателя второго рода. Этот вывод получил название второго закона (начала) термодинамики. Существует ряд различных по форме, но совершенно одинаковых по существу формулировок второго начала. Мы ограничимся следующими двумя: а) невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение всей теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу; — 254— (12.8) Если учесть, что Я» < О, то ~2 !'«2! т, (12.8') Таким образом, для сравнения температур двух тел Т, и Т«нужно осуществить обратимый цикл Карно, в котором эти тела используют в качестве нагревателя и холодильника.
Отношение температур тел равно отношению численных значений отданных или полученных имн — 255— б) невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от холодного тела к горячему. Можно показать, что из отрицания справедливости первого утверждения следует отрицание справедливости второго, и наоборот. Тем самым доказывается полная эквивалентность обеих формулировок закона.
2. Второй закон термодинамики указывает на неравноценность двух форм передачи энергии — работы и теплоты. Этот закон показывает, что процесс перехода упорядоченного движения тела как целого в неупорядоченное движение его частиц необратим. Упорядоченное движение может переходить в неупорядоченное без каких-либо дополнительных (компенсирующих) процессов, как это происходит, например, при внутреннем трении.
Переход же неупорядоченного движения частип в упорядоченное движение тел, или, как часто, но не совсем точно, говорят «переход теплоты в работу» возможен лишь при условии, что он сопровождается каким-либо компенсирующим процессом. Так, например, при изотермическом расширении идеальный газ совершает работу, которая полностью эквивалентна теплоте, сообщаемой газу. Таким образом, теплота, полученная от нагревателя, целиком превращается в эквивалентную работу.
Однако газ при этом расширяется, его удельный объем возрастает. Поэтому газ не возвращается в исходное состояние и «превращение теплоты в работу» не является единственным результатом рассматриваемого процесса. Тепловая машина, работающая по прямому циклу Карно, производит работу за счет подводимой от нагревателя теплоты.
Но при этом часть полученной теплоты передается холодильнику. Следовательно, работа за цикл не эквивалентна всей подведенной теплоте. В холодильной машине, работающей по обратному циклу Карно, теплота передается от холодного тела к горячему.
Однако для осуществления этого процесса необходим компенсирующий процесс совершения работы внешними силами. 3. На основании второго закона термодинамики можно показать, что коэффициент полезного действия обратимого цикла Карно не зависит от состава рабочего тела и всегда выражается формулой (12.6). Это положение, называемое теоремой Карно, служит основанием для установления так называемой термодииамической шкалы температуры.
Из формулы (!2.6) имеем в этом цикле количеств теплоты. По теореме Карно химический состав рабочего тела, осуществляющего цикл, не влияет на результаты сравнения температур. Поэтому установленная таким образом термодинамическая шкала температуры не связана со свойствами какого- либо определенного термометрического тела. В этом ее большое достоинство. Однако вследствие необратимости реальных термодинамических процессов указанный выше способ сравнения температур практически неосуществим и имеет лишь принципиальное значение. 4.
Можно доказать, что термический коэффициент полезного действия добр любого обратимого цикла (например, цикла С,аС»йС„изображенного на рис. 12.1) не превосходит коэффициента полезного действия чк обратимого цикла Карно, осуществляемого между нагревателем и холодильником с температурами Т, и Т«. При этом под Т, и Т, нужно понимать максимальную и минимальную температуры рабочего тела в рассматриваемом цикле: 11 1 а 1 макс аман (12.9) '4обр ~ "1к 1 макс 5. Необратимые процессы вследствие их неравновесности нельзя изображать в р — У или какой-либо другой диаграмме состояния (см, й 10.4). Это сильно осложняет исследование необратимых процессов и циклов. Однако обычно на практикенужно знать инте грал ь ны е характеристики необратимого процесса, который переводит рабочее тело из состояния Се в состояние С,. Важно знать, какая работа Ан„бр совершена телом и какое количество теплоты Я„„б» оно получило.
Поэтому необратимый процесс может быть заменен «эквивалентным» ему о б р а т и м ы м процессом С1С,. Этот процесс переводит тело из состояния С, в состояние С, таким образом, чтобы совершаемая при этом телом работа А и получаемая им теплота Я равнялись, соответственно, Анеобр И 'ннеобр А = Анеобр И Я = Рнеобр. Удобство такой замены состоит в том, что «эквивалентный» обратимый процесс может быть изображен в р — Р' и др. диаграммах состояния. Таким образом удается условно изобразить любой необратимый процесс.
При этом нужно иметь в виду, что в действительном необратимом процессе рабочее тело проходит вовсе не через те состояния, которым соответствуют промежуточные точки кривой, «изображающей» этот процесс в диаграмме. б. Рассмотрим необратимый цикл Карно, осуществляемый рабочим телом, которое обменивается энергией в форме теплоты с двумя телами, имеющими температуры Т, и Т,.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
