Второй закон термодинамики (начало)
План лекции.
1. 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.
1. 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.
Второй закон термодинамики исключает возможность построения вечного двигателя второго рода – за счет тел находящихся в тепловом равновесии и за счет… Равновесным называется состояние системы, в котором система может находиться… 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.
Работа: А=Q1-Q2 .
Обратный цикл: А=Q2-Q1. Цикл холодильной машины.
3. Рассмотрим тепловую машину, КПД которой самый высокий, самая эффективная среди всех тепловых машин. Её называют…
На этом принципе работают холодильники, тепловые насосы.
Это отношение тепла, отобранного у охлаждающегося тела, к затраченной на это работе.
;
Т.е. на каждый Дж. электроэнергии приходится 4,2 Дж тепла, отнятого от… Но опять надо учитывать, что это идеальный случай, без потерь, цикл Карно, и формула:
Итак, Второе начало термодинамики позволяют построить тепловые машины, преобразующие тепло в работу.
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:
Итак, можно построить тепловую машину, преобразующую тепло в работу.
Работа, получаемая при тепловом процессе, максимальна, если процесс обратим.
КПД обратимых процессов выше, чем у необратимых. Реальные процессы необратимы.
Максимальное КПД у тепловых машин, работающих, по циклу Карно, это идеальный случай, исключающий потери на трение.
Нельзя забрать тепло более холодного тела и превратить его в полезную работу без дополнительных затрат энергии, самопроизвольно этот процесс недостижим (холодильная машина).
Невозможны процессы единственным конечным результатом которых явилась бы отнятие от некоторого тела определенного количества тепла и превращение этого тепла в работу.