Принцип действия тепловой и холодильной машин

В результате цикла тепловой машины некоторое количество теплоты Q₁ забирается при температуре Т₁ от какого-то внешнего по отношению к рассматриваемой системе тела – это тело обычно называется нагревателем (рис.8.11).

 

Часть этой теплоты прев-ращается в работу, а часть Q2 - отдается по-прежнему в виде теплоты, но при более низкой температуре Т2, второму, вне-шнему по отношению к системе телу, называемому холодильником. Воспользовавшись этой терминологией, можно ска-зать, что коэффициент полез-ного действия цикла Карно равен отношению разности

Т1 - нагреватель   Q1-Q2 – работа     Т2 - холодильник   Рис.8.11

температур нагревателя и холодильника и абсолютной температуре нагревателя.

С помощью цикла Карно можно описать и принцип действия холодильной машины (рис.8.12). Известно, что процессы изотермического и адиабатического сжатия и расширения обратимы. Можно первоначально предоставить газу, занимающему при температуре Т₁ объем V₁ адиабатно расширяться до объема V₄, вызвав тем самым понижение температуры до Т₂.

 

Если теперь предоставить газу расширяться изотерми-чески до объема V3, то он совершит работу . Эта работа будет происходить за счет внешнего источника, находящегося при температуре Т2, более низкой, чем исходная температура Т1.

p p1V1T1 p2V2T1     p3V3T2 p4V4T2   V Рис.8.12

Для возвращения газа в начальное состояние его сжимают адиабатно до объема V₂ и изотермически до объема V₁. Изотермическое сжатие требует затраты внешними силами работы

.

Работа, затраченная на сжатие, значительно больше, чем полученная при расширении.

Таким образом, в результате затраты работы удается перевести некоторое количество теплоты от тела более холодного к телу более нагретому. Описанный цикл называется циклом холодильной машины.

 

Второе начало термодинамики

Второе начало термодинамики, как и первое, может быть сформулировано несколькими способами. Во-первых, второе начало термодинамики гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела менее нагретого к телу, более нагретому. Более строго можно сформулировать: невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от тела менее нагретому к телу, более нагретому.

Не нужно думать, что второе начало термодинамики вообще запрещает переход тепла от тела менее нагретого к телу, более нагретому. Мы только что рассмотрели такой переход. Однако этот переход не был бы единственным результатом процесса. Переход сопровождался изменениями в окружающих телах, связанными с совершением над системой работы.

Второе начало термодинамики может быть также сформулировано следующим образом: невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых явилось бы отнятие от некоторого тела определенного количества теплоты и превращение этого тепла полностью в работу.

В тепловой машине превращение тепла в работу обязательно сопровождается дополнительным процессом – передачей некоторого количества тепла Q₂ более холодному телу, вследствие чего полученное от более нагретого тела количество тепла Q₁ не может быть полностью превращено в работу, т.е. невозможен тепловой двигатель, который обладал бы коэффициентом полезного действия равным единице.

Двигатель такого рода получил название вечного двигателя второго рода. Исходя из этого, второе начало термодинамики может быть сформулировано также в виде принципа невозможности построения вечного двигателя второго рода