Второй закон термодинамики - формулы и определение с примерами

Содержание:

Второй закон термодинамики:

Иногда можно встретить такие механические явления, в которых процесс протекает одинаково как в прямом, так и в обратном направлении. Например, сняв на видео повторяющиеся колебательные движения математического или пружинного маятника, происходящие за небольшой промежуток времени, и продемонстрировав явление в обратном направлении, можно увидеть, что колебания, происходящие в обратном направлении, в точности повторяют колебания, происходящие в прямом направлении.

Однако все естественные явления, происходящие в природе, можно сказать, однонаправленные; например, рост растений, падение массы воды в водопаде, старение человека и другие. Также имеется определенная направленность явлений в повседневной жизни, в которых мы участвуем; например, мяч после удара футболиста сначала ускоряется, а затем, замедляясь, останавливается; или падающий с высоты камень, ударившись о землю, останавливается, кипящая вода в чайнике, оставленном без внимания на кухне, полностью превращается в пар и др.

Второй закон термодинамики

Первый закон термодинамики — это закон сохранения энергии для тепловых процессов. Этот закон подтверждает невозможность создания вечного двигателя первого рода. Однако этот закон не определяет, в каком направлении протекают тепловые процессы. Например, приведем в соприкосновение друг с другом два тела с разными температурами. Через некоторый промежуток времени между ними установится тепловое равновесие, то есть выполняется первый закон термодинамики - какое количество теплоты отдаст более горячее тело, такое же количество теплоты получит более холоднее тело. Если бы этот процесс произошел наоборот, то есть холодное тело самопроизвольно (без внешнего вмешательства) передало бы количество теплоты горячему телу, то первый закон термодинамики также бы выполнялся. Однако ни один из экспериментов, проводимых учеными в течение веков, не установил протекание этого процесса самопроизвольно.

Другими словами, процесс теплопередачи в термодинамической системе, имеющий конечное значение разности изменения температур, необратим. Эта идея, сформулированная немецким ученым Р.Клаузиусом (1822-1888) в 1850 году, лежит в основе второго закона термодинамики:

Невозможен процесс, результатом которого является только самопроизвольный переход количества теплоты от холодного тела к теплому. Тепловая энергия самопроизвольно может передаваться только в направлении теплового равновесия, то есть от теплого тела к холодному.

Второй закон термодинамики определяет закономерность направления термодинамического процесса. Он показывает, что процесс передачи тепла от холодного тела к теплому не может протекать самопроизвольно, этот процесс можно реализовать в результате совершения работы.

В дальнейших исследованиях было определено, что не только тепловые процессы, но и вообщем, все естественные процессы, происходящие в природе, необратимы.

Необратимый процесс — это процесс, самопроизвольное протекание которого в противоположном направлении невозможно.

Принцип работы теплового двигателя

Принцип работы тепловых машин основан на применении второго закона термодинамики и составляет его научную основу.

Тепловая машина - это термодинамическая система, выполняющая циклический процесс (совершающая механическую работу), передавая количество теплоты от одного тела другому.

Тепловые машины бывают двух видов: тепловые двигатели и холодильные установки.

Тепловым двигателем называется установка, преобразующая внутреннюю энергию различного вида топлива в механическую энергию.

Независимо от особенностей строения, все тепловые двигатели состоят из трех основных частей:

1. Нагреватель - это часть двигателя, сохраняющая постоянную высокую температуру
2. Рабочее тело — это газ или пар, совершающий механическую работу в результате расширения-сжатия.
3. Холодильник - это часть двигателя с температурой

Принципиальная схема работы теплового двигателя следующая: рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты отдает холодильнику количество теплоты  и за один цикл совершается полезная работа  (c): 

Для непрерывной работы теплового двигателя процесс, происходящий в двигателе, должен быть циклическим. С этой целью двигатель регулируется, так, чтобы рабочее тело (газ), вначале расширившись после получения количества теплоты, толкает поршень в цилиндре и совершает работу над ним, а затем, сжимаясь, возвращается в первоначальное состояние. После этого газ снова расширяется, и процесс циклически повторяется (трение подвижных частей двигателя и теплообмен с окружающей средой сводится до минимума) (см.: с).

В 1851 году английский ученый Уильям (Кельвин) Томсон (1824-1907), изучив принцип работы теплового двигателя, дал новое прочтение II закона термодинамики:

Тепловой двигатель, выполняющий циклический процесс, без холодильника работать не может.

Действительно, количество теплоты полученное от нагревателя, затрачивается на совершение полезной работы в двигателе не полностью, на это уходит только его определенная часть, остальная же его часть - количество теплоты передается холодильнику. Характеристика, определяющая, какая часть количества теплоты, полученного от нагревателя, затрачивается на совершение полезной работы, называется коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя.

Коэффициентом полезного действия  теплового двигателя называют отношение совершенной им полезной работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Невозможность работы теплового двигателя без холодильника приводит к тому, что их КПД всегда меньше 100%. Это значит, что II закон термодинамики подтверждает невозможность создания вечного двигателя второго рода (регреtuum mobile II):

Вечный двигатель второго рода (регреtuum mobile II) - это двигатель, превращающий полностью количество теплоты, полученное от нагревателя, в полезную работу.

В 1824 году французский инженер Сади Карно (1796-1832) разработал теорию принципа работы идеального теплового двигателя (двигатель, принцип работы которого подчиняется газовым законам). По этой теории, максимальное КПД идеального теплового двигателя зависит только от абсолютных температур нагревателя и холодильника:

Из выражения (7.29) видно, что для увеличения КПД двигателя необходимо повышение температуры нагревателя и понижения температуры холодильника.

Циклический процесс, реализуемый идеальным тепловым двигателем, состоит из двух изотерм и двух адиабат и называется циклом Карно (d). Для тепловых двигателей этот цикл называется прямым циклом.

Принцип работы холодильных установок

Для работы двигателя в режиме холодильной установки должен выполняться процесс, обратный циклу Карно - обратный цикл (е).

Из схемы превращения энергии в холодильной установке видно, что рабочее тело, расширяясь, получает от холодильной камеры определенное количество теплоты В это время внешние силы, совершая работу сжимают рабочее тело, в результате оно передает нагревателю определенное количество теплоты (f):

Таким образом, процесс передачи количества теплоты от холодного тела к теплому в термодинамической системе происходит не самостоятельно, а в результате совершения работы внешними силами.

Важной характеристикой холодильной установки является коэффициент охлаждения.

Коэффициентом охлаждения холодильной установки называют отношение количества теплоты, полученного от холодильника, к работе, совершенной внешними силами (например, электродвигателем):

Коэффициент охлаждения идеальной холодильной установки: