1598005370-70491a7283ca3540dddce2de932120e0 (811201), страница 14
Текст из файла (страница 14)
~, тепло термическая энергия механическая энергия тепло Подобная машина превращала бы, таким образом, термическую энергию в механическую в определенных пропорциях, вытекающих из первого начала термодинамики, а затем переводила бы ее обратно в термическую в тех же пропорциях. Воэможность создания машины, производящей полезную работу через нормальный круговой цикл превращения энергии, не противоречит закону сохранения энергии.
Но практически такая машина, временно забирающая энергию из почти неисчерпаемого водного резервуара Земли н возвращающая эту энергию обратно, все же была бы перпетуум мобиле, Известно, что на Земле имеется приблизительно 1млрд.км' воды. Если охладить эту воду только на 0,001 градуса, то этим можно отобрать у воды 10" кВт/ч энергии. Для сравнения укажем, что современное мировое потребление электроэнергии составляет около 10п кВт/ч.
Таким образом, даже незначительное охлаждение мирового океана позволило бы получить столько энергии, сколько хватило бы при современном уровне потребления на 1000 лет. Более того, подобные машины„превращая эту 60 цесс пойдет в обратном направлении, и все, что находится внутри холодильника, начнет отбирать тепло от окружающего воздуха. Невозможно также создать такую длительно работающую машину, в которой происходил бы переход термической энергии между двумя телами с одинаковой температурой.
Термическая энергия в форме тепла может переходить сама по себе от более нагретого тела к менее нагретому. При этом процессе из тепла можно получить работу, но и в данном случае в непрерывно работающей машине нельзя полностью превратить тепло в работу. Невозможность создания перпетуум мобиле второго рода следует из того, что термическая энергия не может быть полностью превращена в работу. Полное же превращение механической работы в термическую осуществимо. Существуют ли ограничения для взаимного превращения других видов энергии? Опыт показывает, что не существуют.
Другие виды энергии могут принципиально безгранично переходить из одного в другой, хотя при этом какая-то незначительная часть энергии любого вида, как правило, переходит в термическую. В результате КПД таких превращений всегда меньше 100сА. Поэтому весьма невыгодно использовать химическую энергию топлива тем способом, который на сегодняшний день наиболее распространен: вначале путем сжигания превращать ее в термическую энергию, а затем из термической при помощи двигателей получать работу или электрическую энергию.
Целесообразно химическую энергию непосредственно превращать в электрическую, что может осуществляться в гальванических элементах. я 4. ДВА НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ Как мы видели, термическая энергия, с которой мы постоянно сталкиваемся в жизни, обладает некоторыми особыми свойствами по сравнению с другими видами энергии.
Эти особые свойства, характерные именно для термической энергии или тепла, привели к созданию и развитию самостоятельной науки, называемой термодинамикой, которая изучает процессы термической энергии, ее превращения в работу и другие виды энергии только с макроскопической точки зрения, без учета структуры материи, Анализ термических явлений на молекулярном уровне производится при статистическом рассмотрении кинетических и других свойств молекул 1например в кинетической теории газов).
Поскольку изменение термической энергии связано с переходом ее в форме тепла от одного тела к другому, можно сказать, что термодинамика — зто наука, занимающаяся изучением процессов превращения мпла. Основу термодинамики составляют два закона, так называемые начала термодинамики, которые были выведены при обобщении накопленных опытных фактов. 62 Первое начало Первое начало термодинамики — это закон сохранения энергии применительно к тем превращениям, при которых происходит преобразование термической энергии, сопровождаемое выделением тепла. Все разнообразные формы энергии, встречающиеся в природе, можно с точки зрения термодинамики обьединить в три группы:1) внутренняя энергия, 2) тепло„З) работа, Согласно этой классификации, под внутренней энергией (Ц) понимают всю энергию, содержащуюся в данном теле (например в 1моле), т.е, суммарную энергию вращательного и поступательного движения молекул, колебания атомов, движения электронов, а также движения атомных ядер как целого и элементарных частиц, из которых они состоят, и т.д.
Таким образом, внутренняя энергия объединяет термическую н химическую энергии, не включая ни кинетической, ни потенциальной энергии тела как целого. Наши ученые пока еще не могут даже для простейших тел точно определить величину внутренней энергии.
Непосредственно же в эксперименте проявляются только изменения внутренней энергии ( Ы.1), и все закономерности, установленные на основании эксперимента, также относятся лишь к изменениям внутренней энергии. Эти изменения проявляются либо в виде тепла Я), либо в виде какой-то другой формы энергии, Поскольку все виды энергии, за исключением тепла, могут быть в принципе без всяких ограничений превращены в.работу или друг в "друга, в термодинамике все они объединяются под одним названием - работа (А). Такая классификация различных видов энергии позволяет сформулировать первое начало термодинамики: увеличение внутренней энергии ( Л Щ какого-либо тела определяется количеством подведенного тепла и работой, произведенной над этим телом или системой (работу производят внешние силы). Математически этот закон выражается так: А() = О+А.
(П Если в изучаемом процессе тело теряет тепло, то Я отрицательно (если тело производит внешнюю работу, то отрицательно А). Из первого начала термодинамики вытекает целый ряд закономерностей, представляющих не только теоретический интерес, но и имеющих важное практическое значение, например при конструировании тепловых двигателей. Однако этот закон, несмотря на его особую важность и всеобщность, отражает лишь одну сторону явления. Первое начало термодинамики показывает взаимосвязь различных видов энергии в процессе их превращения, но не говорит о том действительно ли произойдет в 63 данных условиях зто превращение, в каком направлении пойдет процесс и каков будет результат превращения: возникнет ли один или несколько видов энергии.
Первое начало термодинамики не указывает на особенности термической энергии или тепла, отличающих их от других видов энергии. Особые свойства термической энергии и ограничения, наложенные на возможность ее превращения в другие виды энергии отражены во втором начале термодинамики. Этот закон отвечает на основной вопрос: при каких условиях и в каких соотношениях тепло может быть превращено в работу или другие виды энергии? Максимальная работа Коэффициент полезного действия машины зависит от ее принципа действия, конструкции и качества. Более полное использование способности машины производить работу может повысить ее КПД. Однако эта способность сама зависит от многих дополнительных условий, и поэтому невозможно точно установить, насколько полно машина может быть использована. Но если машина, осуществляющая превращение энергии, технически совершенна, а ее способность производить работу полностью использована, можно дать однозначный ответ на вопрос о величине максимальной работы, принципиальйо получаемой в каком-либо определенном процессе (например при сгорании 1 кг угля).
Для этого нужно выяснить, при.каких условиях машина работает с наибольшим КПД. Разберем этот вопрос на примере простейшей машины, состоящей из цилиндра с невесомым поршнем, движущимся беэ трения, но герметически прилегающим к стенкам цилиндра. Конструкция многих реальных машин основана на такой системе (рис.б). Пусть газ в цилиндре первоначально находится под давлением Р атм. (Р>1атм.) и расширяется от объема У~ до объема Ул при этом поршень проходит путь Б (в сантиметрах). Какова'же величина работы, произведенной газом, при таком процессе? Она зависеть от веса груза, подымаемого поршнем. Если сделать над поршнем вакуум, а весом груза пренебречь, то можно считать, что газ при.расширении не производит никакой работы. Если же на поршень действует атмосферное давление и груз, то газ, расширяясь, совершает работу против этих сил тем большую, чем больше вес груза.
Мы видим, что работа, совершаемая газом при одном и том же изменении состояния (расширение газа от объема % до объема У~ при постоянной температуре), зависит от условий, в которых протекает этот процесс. Увеличивая груз, можно увеличить работу газа, но только до того момента, когда уравниваются силы, действующие на поршень сверху (груз и атмосферное давление) и снизу (давление газа).
В этот момент поршень остановится, наша "система" (поршень и газ в цилиндре) будет находиться в состоянии равновесия. Если дальше увеличивать груз, то процесс пойдет в 64 обратном направлении, то есть нерасширяющийся газ будет производить работу, а внешние силы работать над газом, заставляя его сжиматься. При заданном давлении газа Р мы получим максимальную работу, если вес груза над поршнем на бесконечно малую величину меньше веса, необходимого для поддержания равновесия. Это-наибольший возможный груз, который расширяющийся газ может поднять в данных условиях.
В таком случае газ производит максимальную работу, но при этом объем газа не может измениться на конечную величину (например от Ч~ до Чз), поскольку после расширения газа на бесконечно малую величину наступает новое состояние равновесия. Если газ расширяется при постоянной температуре, то его давление падает, поэтому после подъема нашего максимального груза на бесконечно малую величину равновесие между весом груза и силами, действующими на поршень снизу, мгновенно восстановится.
Для того чтобы газ дальше мог производить работу, нужно снова уменьшать вес груза, Максимальная работа получается только в том случае„если каждое уменьшение веса груза обеспечивает расширение газа на бесконечно малую величину. Максимальная работа складывается из большого числа бесконечно малых порций.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
