Второй закон термодинамики

Несмотря на эквивалентность теплоты и работы, процессы их взаимного превращения неравнозначны. Опыт показывает, что механическая энергия может быть полностью превращена в теплоту путем трения. Однако теплоту нельзя полностью превратить в механическую энергию в периодически повторяющемся процессе. Это связно с существованием

Термодинамическая схема теплового двигателя Рис. 10.4. Круговой процесс (цикл) вр, v- и T 5-координатах

Рис. 10.3. Термодинамическая схема теплового двигателя Рис. 10.4. Круговой процесс (цикл) вр, v- и Tt 5-координатах

фундаментального закона природы, называемого вторым законам термодинамики. Чтобы выяснить его сущность, обратимся к принципиальной схеме теплового двигателя (рис. 10.3).

Как показал опыт, все без исключения тепловые двигатели должны иметь горячий источник теплоты, рабочее тело, совершающее замкнутый процесс (цикл), и холодный источник теплоты.

Практически в существующих тепловых двигателях горячими источниками служат химические реакции сжигания топлива или внутриядерные реакции, а в качестве холодного источника используется окружающая среда (атмосфера). В качестве рабочих тел применяются газы или пары.

Работа теплового двигателя (рис. 10.4) осуществляется следующим образом. Расширяясь по линии 152, рабочее тело совершает работу, равную площади 1522'Г. В непрерывно действующей тепловой машине этот процесс должен повторяться многократно. Для этого нужно уметь возвращать рабочее тело в исходное состояние. Такой переход можно осуществить в процессе 251, но при этом потребуется совершить над рабочим телом ту же самую работу. Ясно, что это не имеет смысла, так как суммарная работа (работа цикла) окажется равной нулю.

Для того чтобы двигатель непрерывно производил механическую энергию, работа расширения должна быть больше работы сжатия. Поэтому кривая сжатия 2А1 должна лежать ниже кривой расширения. Затраченная работа в процессе 2Л изображается площадью 2AWT. В результате каждый килограмм рабочего тела совершает за цикл полезную работу /ц, эквивалентную площади 152Л1, ограниченной контуром цикла. Цикл можно разбить на два участка: А15 - подвод теплоты q, и В2А - отвод теплоты qi. В точках Я и 5 нет ни подвода, ни отвода теплоты (в этих точках поток теплоты меняет знак). Таким образом, для непрерывной работы двигателя необходим циклический процесс, в котором к рабочему телу подводится теплота q от горячего источника и отводится от него теплота qi к холодному источнику. В Ту 5-диаграмме теплота q эквивалентна площади A'ABBaq2- площади А'А2ВВ'.

Применим первый закон термодинамики к циклу, который совершает 1 кг рабочего тела:

Здесь § означает интегрирование по замкнутому контуру В2А.

Внутренняя энергия системы является функцией состояния. При возвращении рабочего тела в исходное состояние система также приобретает исходное значение. Поэтому § dw = 0, и предыдущее выражение превращается в равенство:

где qn=§ du - часть теплоты горячего источника, которая превращена в работу и равна разности qx -q2, а также эквивалентна площади, ограниченной контуром цикла в Т, 5-диаграмме.

Отношение работы, производимой двигателем за цикл, к количеству теплоты, подведенной от горячего источника за этот цикл, называется термическим коэффициентом полезного действия (КПД) цикла:

Коэффициент полезного действия оценивает степень совершенства цикла теплового двигателя. Чем больше КПД цикла, тем большая часть подведенной теплоты превращается в работу.

Соотношение qu = /ц является математическим выражением принципа эквивалентности тепловой и механической энергии.

Если исключить из схемы теплового двигателя холодный источник, то формально принцип эквивалентности не будет нарушен. Однако, как показывает опыт и проведенный анализ работы двигателя, такой двигатель работать не будет.

Тепловой двигатель без холодного источника теплоты (двигатель, полностью превращающий в работу всю теплоту, полученную от горячего источника) называется вечным двигателем второго рода.

Таким образом, второй закон термодинамики можно сформулировать в виде следующего утверждения: «Вечный двигатель второго рода невозможен». В более расшифрованном виде эту формулировку дал В. Томсон в 1851 г.: «Невозможна периодически действующая тепловая машина, единственным результатом действия которой было бы получение работы за счет отнятия теплоты от некоторого источника».

Проблема создания вечного двигателя привлекала исследователей на протяжении длительного времени. Человечество овладело бы неисчерпаемыми запасами внутренней энергии тел, будь построен вечный двигатель второго рода. Действительно, количество теплоты, выделяющейся при охлаждении, например, земного шара всего на 1 К равно 5-1027 Дж (масса земного шара 6 1024 кг, удельная теплоемкость - 840 Дж/(кг К). Для сравнения следует указать, что в 2000 г. мировое потребление всех энергорс- сурсов не превысило 5 1020 Дж, т.е. в 10 млн раз меньше.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >