1611143556-2273da8470727e985a6fa41fb7d7276c (825019), страница 37

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

Текст из файла (страница 37)

Разумеется, па практике н в таком случае всегда останутся какие-то источники необратимости (несовершенство теплоизоляции сосуда с газом, трение при движении поршня). $63) ЦИКЛ КАРНО «Медленность» является вообще характерной особенностью обратимых процессов: процесс должен быть настолько медленным, чтобы участвующие в нем тела как бы успевали в каждый момент времени оказаться в состоянии равновесия, соответствующем имеющимся в этот момент внешним условиям (в примере с расширением газа он должен успевать следовать за поршнем, оставаясь однородным по своему объему). Полная обратимость могла бы быть достигнута лишь в идеальном случае скаль угодно медленного процесса; уже поэтому всякий реальный процесс, происходящий с конечной скоростью, не может быть полностью обратимым.

Мы уже упоминали, что в системе тел, находящейся в тепловом равновесии, без внешнего вмешательства никаких процессов происходить не может. Это обстоятельство имеет и другой аспект: с помощью тел, находящихся в тепловом равновесии, невозможно произвести никакой работы, так как работа связана с механическим движением, т. е. с переходом энергии в кинетическую энергию тел. Это чрезвычайно важное утверждение о невозможности получения работы за счет энергии тел, находящихся в тепловом равновесии, называется вторым законом термодинамики. Мы постоянно окружены значительными запасамн тепловой энергии, находящейся в состоянии, близком к равновесию.

Двигатель, работающий только за счет энергии находящихся в тепловом равновесии тел, был бы для практики своего рода «вечным двигателем». Второй закон термодинамики исключает возможность построения такого, как говорят, вечного двигателя второго родо, подобно тому как первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) исключает возмогк»юсть построения вечного двигателя первого рода, который бы совершал работу «из ничего», без внешнего источника энергии. ф 63. Цикл Карно Таким образом, рабату можно произвести только с помощью системы тел, не находящихся в тепловом равновесии друг с другом.

Представим себе схематически такую систему, как совокупность двух тел с различной температурой. Если мы тепловые пгоцессы )гл. юи просто приведем в соприкосновение оба тела, тотепло перейдет от горячего тела к холодному, но никакой работы при этом произведено не будет. Переход тепла от горячего тела к холодному является необратимым процессом, и этот пример демонстрирует общее правило: необратимые процессы препятствуют совершению работы.

Если мы хотим извлечь из имеющихся в нашем распоряжении тел наибольшую возможную работу, мы должны вести процесс по возможности обратимым образом: избегать всяких необратимых процессов и пользоваться лишь такими процессами, которые могут идти в равной степени в обоих направлениях. Возвращаясь к нашей системе двух тел, обозначим их температуры Т, и Т, (пусть Т,)Т,); будем условно называть более нагретое тело нагревателем, а более холодное— охладителем.

Поскольку непосредственный обмен теплом между этими телами недопустим, то прежде всего ясно, что для производства работы необходимо привлечь еше одно, вспомогательное тело; Т-тг будем называть его рабочим телом. В качестве этого тела можно представить себе цилиигч с дрический сосуд с газом под поршнем. Будем изображать проис- ходящий с рабочим телом проРяс 3. цесс на диаграмме р, $'(рис. 3).

Пусть газ первоначально находился при температуре Т, и его состояние изображалось на диаграмме точкой А. Приведем рабочее тело в соприкосновение с нагревателем и будем расширять газ; при этом газ получит от нагревателя некоторое количество тепла, оставаясь все время при температуре Т, нагревателя (запас тепла у нагревателя предполагается настолько большим, что, отдавая газу некоторое небольшое количество тепла, он не изменит своей температуры).

Таким образом, процесс изотермического расширения газа производится обратимым образом, поскольку переход тепла происходит лишь между телами с одинаковой температурой. На рис. 3 этот процесс иаображается изотермой АВ. % бЗ) ЦИКЛ КАРНО Отсоединим теперь рабочее тело ат нагревателя, тепло- изолируем его и подвергнем дальнейшему расширению, на этот раз адиабатическому. При таком расширении газ охлаждается, и будем продолжать расширение до тех пор, тюка температура газа не упадетдо температуры охладителя Т,. Этот процесс изображается на диаграмме адиабатой ВС, более крутой, чем изотерма АВ, поскольку при адиабатическом расширении давление падает быстрее, чем при изотермическом расширении.

Далее приведем рабочее тело в соприкосновение с охладителем и подвергнем газ нзотермическому (при температуре Т,) сжатию, причем он отдает некоторое количество тепла охладителю. Наконец, отсоединив рабочее тело от охладителя и подвергнув газ адиабатическому сжатию, возвратим его в исходное состояние (для этого надо должным образом подобрать точку Р, т. е. объем, до которого доводится изотермическое сжатие СР). Таким образом, рабочее тело испытало круговой процесс, возвратившись в исходное состояние, но произведя при этом определенную работу, изображающуюся площадью криволинейного четырехугольника АВСР. Совершение этой работы произошло за счет того, что на верхней изатерме рабочее тело отняло у нагревателя большее количество тепла, чем оно отдало охладителю на нижний изотерме.

Все этапы этого кругового процесса обратимы и потому произведенная работа — максикильиая возможная (при заданной затрате тепла нагревателем). Описанный процесс называют циклом Карно. Он показывает, что, в принципе, при наличии двух тел с различной температурой можно совершить работу обратимым образом. Будучи максимальна возможной, эта работа не зависит от свойств вспомогательного рабочего тела.

Отношение произведенной работы к количеству энергии, взятой у горячего тела, называется кавффициентаи полезного действия (к. п. д.) тепловой' машина (обозначим его буквой и). Из сказанного выше ясно, что к. и. д. Цикла Карно является наибольшим, вообще возможным, для любой тепловой машины, работающей при заданных значениях температур своих горячей и холодной частей. Можно тепловые пРОцессы [гл.

юп показать, что этот коэффициент равен т,— т, т, Таким образом, даже в идеальном пределе полностью обратимой работы тепловой машины к. п. д. меньше единицы; доля ТДТ, энергии, отдаваемой нагревателем, бесполезно переходит в виде тепла к охладнтелю. Эта доля тем меньше, чем больше (при заданном Т,) температура Т,. Температурой Т, является обычно температура окружающего воздуха, так что она не может быть поннжена. Поэтому для уменьшения доли бесполезно затрачиваемой энергии в технике стремятся добиться работы двигателя по возможности при более высокой температуре Т,. Коэффициент полезного действия реальной тепловой машины всегда меньше, чем т|„,„„нз-за неизбежно происходящих в ней необратимых процессов. Характеристикой степени совершенства двигателя, его близости к идеальному, может служить величина т~/П,„,— Отношение к.

п. д. реального двигателя к к. п. д. идеальной машины с теми же температурами источника энергии и холодного тела. Это есть, другими словамн, отношение совершаемой тепловой машиной работы к максимальной работе, которая вообще могла бы быть получена в данных условиях, если бы двигатель работал обратимым образом.

5 64. Природа необратимости Все тепловые явления в конечном итоге сводятся к механцческому движению атомов и молекул тела. Поэтому необратимость тепловых процессов на первый взгляд находится в противоречии с обратимостью всех механических движений. На самом деле это противоречие только кажущееся.

Пусть какое-нибудь тело скользит по другому телу. Благодаря трению это движение будет постепенно замедляться и, в конце концов, система придет в состояние теплового равновесия, причем движение прекратится. Кинетическая энергия двигавшегося тела при этом перейдет в тепло, т. е. в кинетическую энергию беспорядочного движения молекул обоих тел.

Очевидно, что этот переход энергии в тепло может осуществиться бесчисленным множеством способов: ф 64] пРЯРОЛА иеоВРАтимостн 211 кинетическая энергия движения тела как целого может распределиться между колоссальным числом молекул колоссальным числом способов. Другими словами, состояние равновесия, в котором макроскопическое движение отсутствует, может осуществиться неизмеримо ббльшим числом способов, чем состояние, в котором значительная энергия сконцентрирована в вцде кинетической энергии упорядоченного движения — движения тела как целого. Таким образом, переход из неравновесного состояния в равновесное представляет собой переход из состояния, которое может осуществиться меньшим числом способов, в состояние, которое может осуществиться несравненно большим числом способов.

Характеристики

Список файлов книги