Второй закон термодинамики (начало)

Второй закон термодинамики (начало)

План лекции.

I и II законы термодинамики – как исключение вечного двигателя I-го и II-го рода.

Равновесное состояние термодинамической системы, обратимый и необратимый процессы, циклы.

3. Цикл Карно: диаграммы цикла Карно; КПД цикла Карно; КПД реальных тепловых машин; теоремы Карно; обратный цикл Карно; холодильные машины; коэффициент преобразования.

II начало термодинамики, его формулировки.

Энтропия.

Второй закон термодинамики – является фундаментальным законом природы. Имеет большое практическое и философское применение.

Чтобы конструировать оптимальные системы, потребляющие горючее и производящие работу, необходимо уяснить ограничения, налагаемые II Н.Т.

Одна из формулировок:

Невозможно совершить работу за счет энергии тел, находящихся в тепловом равновесии.

Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии исключает возможность построения вечного двигателя первого рода, который бы совершал работу из ничего, без источника.

Второй закон термодинамики исключает возможность построения вечного двигателя второго рода – за счет тел находящихся в тепловом равновесии и за счет непосредственной передачи теплоты от менее нагретого к более нагретому телу или прямого преобразования теплоты в работу.

Равновесным называется состояние системы, в котором система может находиться сколь угодно долго и параметры:

p, V, T=const.

Если изолированная система переходит из состояния А в состояние В и обратно в А, и в системе и окружающих телах никаких изменений не происходит, то процесс обратимый.

При невыполнении этих условий – необратимый.

Если система переходит из А в В, а обратный переход осуществляется через другие промежуточные состояния, то это круговой процесс или цикл.

Циклы могут быть как обратимыми, так и необратимыми. Вообще тепловые процессы являются необратимыми. Необратимы все процессы, связанные с трением тел.

Однако, в ряде случаев, исключив контакт с окружающей средой (аддиабатически) можно приблизиться к обратимому процессу.

Различают прямой и обратный цикл.

Прямой цикл: при расширении 1-2 поглощается Q₁ теплота, при сжатии 2-1 выделяется Q₂.

Работа: А=Q₁-Q₂.

Обратный цикл: А=Q₂-Q₁. Цикл холодильной машины.

На этом принципе работают холодильники, тепловые насосы.

Это отношение тепла, отобранного у охлаждающегося тела, к затраченной на это работе.

Так, в домашнем холодильнике, T₂ – резервуара холода (-23⁰C) 250⁰K. Горячий резервуар – воздух комнаты T₁ (37⁰С) 310⁰K (в окрестности теплообменника).

;

Однако, непосредственно отнять от нагретого тела тепло и превратить его в работу невозможно, необходимо промежуточное тело, рабочее тело, через которое необходимо осуществлять это превращение. При этом всегда окажется, что рабочее тело для совершения работы необходимо нагреть за счет энергии источника, и не вся эта энергия перейдет в работу, большая часть уйдет в окружающую среду.

Например, почему бы не использовать энергию тепловую, заложенную в океане? Даже при η=1% получили бы огромную энергию 10 ²⁴ Дж. А солнечная радиация восстановила бы тепло океана. Однако, второй закон термодинамики утверждает: невозможно прямое преобразование теплового движения молекул в работу без какой-либо машины.

Выводы:

Второй закон термодинамики (начало)

План лекции.