2.3.1. Обратимые и круговые процессы

Обратимым процессом называется такой процесс, который может быть проведен в обратном направлении таким образом, что система будет проходить через те же термодинамические состояния, что и при прямом процессе, но в обратной последовательности. Обратимым может быть только равновесный процесс.

Обратимый процесс обладает следующим свойством: если при прямом ходе на каком-то элементарном участке система получает тепло dQ и совершает работу dA, то при обратном ходе на том же участке система отдает тепло dQ" = dQ и над ней совершается работа dA" = dA. По этой причине после протекания обратимого процесса в одном, а затем в обратном направлении и возвращения системы в первоначальное состояние в окружающих систему телах не должно произойти никаких изменений.

Круговым процессом (циклом) называется такой процесс, при котором система после ряда изменений возвращается в исходное состояние. На графике цикл изображается замкнутой кривой (Рис. 2.3.1).

Рис. 2.3.1. Круговой термодинамический процесс

Работа, совершаемая при круговом процессе, численно равна площади, охватываемой кривой. Действительно, работа на участке 1-2 положительна и численно равна площади, отмеченной наклоненной вправо штриховкой. Работа на участке 2-1 отрицательна и численно равна площади, отмеченной наклоненной влево штриховкой. Следовательно, работа за цикл численно равна площади, охватываемой кривой.

После совершения цикла система возвращается в исходное состояние.

2.3.2. Коэффициент полезного
действия тепловой машины

Всякий двигатель представляет собой систему, совершающую многократно некоторый круговой процесс (цикл). Пусть в ходе цикла рабочее вещество (например, газ) сначала расширяется до объема V 2 , а затем снова сжимается до первоначального объема V 1 (Рис. 2.3.2).

Рис. 2.3.2. К расчету кпд тепловой машины

Чтобы работа за цикл была больше нуля, давление (а, следовательно, и температура) в процессе расширения должно быть больше, чем при сжатии. Для этого рабочему веществу нужно в ходе расширения сообщать, а в ходе сжатия отнимать от него тепло.

Напишем первое начало термодинамики для обеих частей цикла. При расширении внутренняя энергия изменяется от значения U 1 до U 2 , при этом система получает тепло Q 1 и совершает работу А 1 . Поэтому выполняется:

При сжатии система совершает работу А 2 и отдает тепло Q 2 , что равносильно получению тепла –Q 2 . Следовательно,

Складывая уравнения (2.3.1) и (2.3.2), получаем:

Поскольку А 1 + А 2 есть полная работа А, совершаемая системой за цикл, можно записать:

Периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне тепла, называется тепловой машиной .

Первое начало термодинамики иногда формулируют так: периодически действующий вечный двигатель (перпетуум мобиле) первого рода, совершающий работу в большем количестве, чем он получает энергии извне, невозможен .

Как следует из (2.3.4), не все получаемое извне тепло Q 1 используется для получения полезной работы. Для того, чтобы двигатель работал циклами, часть тепла Q 2 должна быть возвращена во внешнюю среду и, следовательно, не используется по назначению. Очевидно, что чем полнее тепловая машина превращает получаемое извне тепло Q 1 в полезную работу А, тем эта машина выгоднее. Поэтому тепловую машину принято характеризовать коэффициентом полезного действия (КПД), который определяется как отношение совершаемой за цикл работы к получаемому за цикл количеству тепла Q 1:

Из определения КПД следует, что он не может быть больше единицы.

2.3.3. Второе начало термодинамики

Второе начало термодинамики, как и первое, может быть сформулировано несколькими способами. В наиболее очевидной формулировке второе начало гласит, что:

невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому. Более строго, невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.

Еще одна формулировка: невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых явилось бы отнятие от некоторого тела определенного количества тепла и превращение этого тепла в работу полностью.

Работа может быть полностью превращена в тепло, например, посредством трения, обратное неверно.

2.3.4. Цикл Карно

Предположим, что какое-либо тело может вступать в теплообмен с двумя тепловыми резервуарами, имеющими температуры Т 1 и Т 2 и обладающими бесконечно большой теплоемкостью. Это означает, что получение или отдача этими резервуарами конечного количества тепла не изменяет их температуры. Выясним, какой обратимый цикл может совершать тело в таких условиях.

Рассматриваемый цикл может состоять как из процессов, в ходе которых тело обменивается теплом с резервуарами, так и из процессов, не сопровождающихся теплообменом с окружающей средой, т.е. происходящих адиабатически.

Процесс, сопровождающийся обменом тепла с резервуарами, может быть обратимым только в том случае, если в ходе этого процесса температура тела будет равна температуре соответствующего резервуара. Это - изотермический процесс, протекающий при температуре резервуара.

Обратимый цикл, совершаемый телом (или системой), вступающим в теплообмен с двумя тепловыми резервуарами бесконечно большой емкости, будет состоять из двух изотер (при температурах резервуаров) и двух адиабат. Это - цикл Карно .

Рассмотрим, как может быть осуществлен цикл Карно с газом в качестве рабочего вещества. Поместим газ в цилиндр, закрытый плотно пригнанным поршнем. Пусть стенки и поршень сделаны из непроводящих тепло материалов, дно цилиндра, напротив, изготовлено из материала с высокой теплопроводностью. Теплоемкость цилиндра и поршня считается бесконечно малой.

Пусть первоначально поршень занимает положение, отвечающее объему V 1 и температуре газа Т 1 . Поставим цилиндр на резервуар, имеющий температуру Т 1 , и предоставим газу возможность очень медленно расширяться до объема V 2 . При этом газ получит от резервуара тепло Q 1 (Рис. 2.3.3).

Рис. 2.3.3. Тепловая машина, работающая по циклу Карно

Затем снимем цилиндр с резервуара, закроем дно теплоизолирующей крышкой и позволим газу расширяться адиабатически до тех пор, пока его температура не упадет до значения Т 2 . Объем газа в результате станет равным V 3 . Убрав теплоизолирующую крышку, поставим цилиндр на резервуар, имеющий температуру Т 2 и сожмем газ изотермически до такого объема V 4 , чтобы при последующем адиабатическом сжатии при достижении температуры Т 1 объем получил значение V 1 (иначе цикл не замкнется). Наконец, снимем цилиндр с резервуара, закроем дно теплоизолирующей крышкой и, сжимая газ адиабатически, приведем его в первоначальное состояние (температура Т 1 , объем V 1).

Если газ идеальный, соответствующий цикл на (р-V) диаграмме имеет вид, показанный на Рис. 2.3.4.

Рис. 2.3.4. (р-V) диаграмма цикла Карно

2.3.5. КПД цикла Карно для идеального газа

Рассмотрим цикл Карно для идеального газа. КПД тепловой машины равен:

где Q 1 - тепло, получаемое за цикл от нагревателя, Q 2 - тепло, отдаваемое за цикл холодильнику.

При изотермическом процессе внутренняя энергия идеального газа остается постоянной. Поэтому количество полученного газом тепла Q 1 равно работе А 12 , совершаемой газом при переходе из состояния 1 в состояние 2 (Рис. 2.3.4). Эту работу можно рассчитать так:

Используя уравнение Клапейрона-Менделеева, получим:

где m - масса идеального газа а тепловой машине.

Количество отдаваемого холодильнику тепла Q 2 равно работе А 34 , затрачиваемой на сжатие газа при переводе его из состояния 3 в состояние 4. Эта работа равна:

Для того, чтобы цикл был замкнутым, нужно, чтобы состояния 4 и 1 лежали на одной и той же адиабате. Отсюда с помощью (2.1.68) можно получить:

Аналогично, поскольку состояния 2 и 3 лежат на одной и той же адиабате, выполняется:

Деля (2.3.11) на (2.3.10), приходим к условию замкнутости цикла:

Окончательно, учитывая условие (2.3.12), для КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно для идеального газа, получаем:

Следовательно, КПД цикла Карно для идеального газа оказывается зависящим только от температуры нагревателя и холодильника.

Даже для наилучшей тепловой машины, работающей по циклу Карно, КПД всегда значительно меньше единицы. Если, например, температура нагревателя Т 1 = 373К (температура кипения воды), а температура холодильника Т 2 = 293К (комнатная температура), то η = 22%. И этот КПД является верхним (и недостижимым) пределом. В реальных машинах, например, на паровозах, редко превосходил 10%.

2.3.6. Энтропия

Обратим внимание на те изменения, которые претерпело рабочее тело в процессе кругового цикла Карно. Из исходного состояния 1 (давление р 1 , температура Т 1) рабочее тело путем последовательного проведения изотермического и адиабатического расширений перешло в состояние 3, когда оно приняло температуру холодильника Т 2 . Это изменение состояния произошло за счет тепла Q 1 , доставленного рабочему телу нагревателем. Обратный переход рабочего тела из состояния 3 в исходное состояние 1 был осуществлен двумя последовательно проведенными изотермическим и адиабатическим сжатиями тела. Выделившееся при этом возвращении в исходное состояние количество тепла равно Q 2 , причем Q 2 < Q 1 . Таким образом, оказывается, что обратимый переход одного и того же тела из состояния 1 → 3 и обратный переход 3 → 1 сопровождаются неодинаковыми количествами поглощенного и выделенного тепла. Очевидно, что это связано с тем, что оба перехода были проведены различными путями: в одном случае (1 → 3) процесс расширения происходил при давлении более высоком, чем процессы сжатия в другом (3 → 1). Ясно, что если бы мы осуществили переход 3 → 1 тем же путем, что и прямой, т.е. по кривой 3 → 2 → 1, а не по кривой 3 → 4 → 1 (), то количество тепла, затраченного при прямом переходе, в точности равнялось бы количеству тепла, выделившемуся при обратном переходе.

Отсюда следует важный вывод: количество тепла, которое должно быть доставлено телу или отнято у него при переходе из одного состояния в другое, не определяется однозначно начальным и конечным состояниями, но существенно зависит от способа осуществления этого перехода.

Однако, хотя сами количества тепла - Q 1 , доставленного рабочему телу нагревателем при температуре Т 1 , и Q 2 , переданное рабочим телом холодильнику при температуре Т 2 , не равны между собой, то, как следует из сопоставления формул (), () и (), отношения этих теплот к тем температурам, при которых они были поглощены или отданы, численно равны между собой (но имеют противоположные знаки):

Отношение называют, следуя Лоренцу, приведенной теплотой . Из (2.3.15) следует, что приведенные теплоты, полученные и отданные рабочим телом при круговом процессе, равны между собой.

Обобщим данный результат. Любое изменение состояния тела или системы тел в общем случае можно представить как результат бесконечно большого числа бесконечно малых изменений. При каждом таком бесконечно малом изменении система либо поглощает, либо выделяет бесконечно малое количество тепла dQ (если процесс не адиабатический). Пусть dQ > 0, когда система поглощает тепло.где dQ - количество тепла, отнятое от тела М при температуре Т, dQ" - количество тепла, переданное резервуару с температурой Т 1 .

Если Т 1 < T, резервуар играет роль холодильника, а тело М - нагревателя, и наоборот.

После того, как телом М будет завершен круговой процесс, общее количествo теплоты, потерянное телом, как следует из (2.3.17), должно быть равно величине . Поскольку теплоемкость резервуара велика и его температура остается постоянной, эта величина будет равна: .

Процесс, совершенный телом, - круговой. Поэтому оно в конце концов не испытало никаких изменений. Если бы интеграл (2.3.16) оказался положительным, то это означало бы, что потерянное телом количество тепла целиком превратилось в работу, тогда как тело М своего состояния не изменило. Однако это противоречит второму началу термодинамики. Значит, предположение о том, что , несостоятельно. Аналогично можно показать, что указанный интеграл не может быть отрицательным. Но если он не может быть ни положительным, ни отрицательным, то это означает, что для обратимых круговых процессов выполняется:

Энтропия изолированной системы может только возрастать (если в системе протекает необратимый процесс), или оставаться постоянной в случае обратимого процесса.

Нернстом доказана теорема (иногда называемая третьим началом термодинамики), согласно которой при стремлении абсолютной температуры к нулю энтропия любого тела также стремится к нулю:

Тогда энтропию состояния тела при температуре Т можно вычислить так.

Первое начало термодинамики, выражая закон сохранения и превращения энергии, не позволяет установить направление протекания термодинамических процессов. Кроме того, можно представить множество процессов, не противоречащих первому началу, в которых энергия сохраняется, а в природе они не осуществляются. Появление второго начала термодинамики - необходимость дать ответ на вопрос, какие процессы в природе возможны, а какие нет - определяет направление развития процессов.

Используя понятие энтропии и неравенство Клаузиуса, второе начало термодинамики можно сформулировать как закон возрастания энтропии замкнутой системы при необратимых процессах: любой необратимый процесс в замкнутой системе происходит так, что энтропия системы при этом возрастает.

Можно дать наиболее краткую формулировку второго начала термодинамики: в процессах, происходящих в замкнутой системе, энтропия не убывает. Здесь существенно, что речь идет о замкнутых системах, так как в незамкнутых системах энтропия может вести себя любым образом (убывать, возрастать, оставаться постоянной). Кроме того, отметим еще раз, что энтропия остается постоянной в замкнутой системе при обратимых процессах. При необратимых процессах в замкнутой системе энтропия всегда возрастает.

2.10 Тепловые двигатели и холодильные машины.
Цикл Карно и его коэффициент полезного действия
для идеального газа.

Изформулировки второго начала термодинамики по Кельвину следует, что вечныи двигатель второго рода – периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет охлаждения одного источника теплоты, - невозможен. Для иллюстрации этого положения рассмотрим работу теплового двигателя.

Принцип действия теплового двигателя приведен на рис.63. От термостата с более высокой температурой T 1 , называемого нагревателем за цикл отнимается количество теплоты Q 1 , а термостату с более низкой температурой Т 2 , называемому холодильником , за цикл передается количество теплоты Q 2 , при этом совершается работа A=Q 1 –Q 2 .

Чтобы термический коэффициент полезного действия теплового двигателя был h =1, должно быть выполнено условие Q 2 =0, т.е. тепловой двигатель должен иметь один источник теплоты, а это невозможно. Так, французский физик и инженер Н. Л. С. Карно показал, что для работы теплового двигателя необходимо не менее двух источников теплоты с различными температурами, иначе это противоречило бы второму началу термодинамики.

Рис. 2.10.1 Рис. 2.10.2

Процесс, обратный происходящему в тепловом двигателе, используется в холодильной машине, принцип действия которой представлен на
рис. 2.10.2.

Системой за цикл от термостата с более низкой температурой Т 2 отнимается количество теплоты Q 2 и отдается термостату с более высокой температурой T 1 количество теплоты Q 1 . Для кругового процесса Q=A, но, по условию, Q=Q 2 –Q 1 <0, поэтому А<0 и Q 2 –Q 1 = -А, или Q 1 =Q 2 +А, т.е. количество теплоты Q 1 , отданное системой источнику теплоты при более высокой температуре T 1 , больше количества теплоты Q 2 , полученного от источника теплоты при более низкой температуре Т 2 , на величину работы, совершенной над системой. Следовательно, без совершения работы нельзя отбирать теплоту от менее нагретого тела и отдавать ее более нагретому. Это утверждение есть не что
иное, как второе начало термодинамики в формулировке Клаузиуса.

Однако второе начало термодинамики не следует представлять так, что оно совсем запрещает переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. Ведь именно такой переход осуществляется в холодильной машине. Но при этом надо помнить, что внешние силы совершают работу над системой, т.е. этот переход не является единственным результатом процесса.

Основываясь на втором начале термодинамики, К а р н о вывел теорему носящую теперь его имя: из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей (Т 1) и холодильников (Т 2 ), наибольшим кпд обладают обратимые машины; при этом кпд обратимых машин, работающих при одинаковых температурах нагревателей (Т 1) и холодильников (Т 2), равны друг другу и не зависят от природы рабочего тела.

Карно теоретически проанализировал обратимый наиболее экономичный цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, и называемый
циклом Карно. Рассмотрим прямой цикл Карно, в котором в качестве рабочего тела используется идеальный газ, заключенный в сосуд с подвижным поршнем.

При изотермическом процессе U=const, поэтому количество теплоты Q 1 , полученное газом от нагревателя, равно работе расширения А 12 , совершаемой газом при переходе из состояния 1 в состояние 2:

. (2.10.1)

При адиабатическом расширении 2-3 теплообмен с окружающей средой отсутствует, и работа расширения А 23 совершается за счет изменения внутренней энергии:

.

Второе начало (закон) термодинамики. Энтропия. Цикл Карно.

Круговые процессы (циклы)

Первый закон термодинамики утверждает, что теплота может превращаться в работу, а работа в теплоту и не устанавливает условий, при которых возможны эти превращения.

Превращение работы в теплоту происходит всегда полностью и безусловно. Обратный процесс превращения теплоты в работу при непрерывном её переходе возможен только при определенных условиях и не полностью. Теплота сам собой может переходить только от более нагретых тел к холодным. Переход теплоты от холодных тел к нагретым сам собой не происходит. Для этого нужно затратить дополнительную энергию.

Таким образом, для полного анализа явления и процессов необходимо иметь кроме первого закона термодинамики еще дополнительную закономерность. Этим законом является второй закон термодинамики. Он устанавливает, возможен или невозможен тот или иной процесс, в каком направлении протекает процесс, когда достигается термодинамическое равновесие и при каких условиях можно получить максимальную работу.

Формулировки второго закона термодинамики.

Для существования теплового двигателя необходимы два источника - горячий источник и холодный источник (окружающая среда). Если тепловой двигатель работает только от одного источника, то он называется вечным двигателем 2-го рода.

Первая формулировка (Оствальда):

"вечный двигатель 2-го рода невозможен".

Вечный двигатель первого рода это тепловой двигатель, у которого L>Q1, где Q1 - подведенная теплота. Первый закон термодинамики "позволяет" возможность создать тепловой двигатель, полностью превращающий подведенную теплоту Q1в работу L, т.е. L = Q1. Второй закон накладывает более жесткие ограничения и утверждает, что работа должна быть меньше подведенной теплоты (L

Вечный двигатель 2-го рода можно осуществить, если теплоту Q2 передать от холодного источника к горячему. Но для этого теплота самопроизвольно должна перейти от холодного тела к горячему, что невозможно. Отсюда следует вторая формулировка (Клаузиуса):

"теплота не может самопроизвольно переходит от более холодного тела к более нагретому".

Для работы теплового двигателя необходимы два источника - горячий и холодный. Третья формулировка (Карно):

"там где есть разница температур, возможно совершение работы".

Все эти формулировки взаимосвязаны, из одной формулировки можно получить другую. Одной из функций состояния термодинамической системы является энтропия. Энтропией называется величина, определяемая выражением:

dS = ?Q / T. [Дж/К] (7)

или для удельной энтропии:

ds = ?q /T [Дж/(кг·К)] (8)

Энтропия есть однозначная функция состояния тела, принимающая для каждого состояния вполне определенное значение. Она является экстенсивным (зависит от массы вещества) параметром состояния и в любом термодинамическом процессе полностью определяется начальным и конечным состоянием тела и не зависит от пути протекания процесса.

Энтропию можно определить как функцию основных параметров состояния:

S = f1(P,V); S = f2(P,T); S = f3(V,T); (9)

или для удельной энтропии:

s = f1(P,v); s = f2(P,T); S = f3(v,T); (10)

Так как энтропия не зависит от вида процесса и определяется начальными и конечными состояниями рабочего тела, то находят только её изменение в данном процессе, по следующим уравнениям:

S = cv·ln(T2/T1) + R?·ln(v2/v1); (11)

S = cp·ln(T2/T1) - R?·ln(P2/P1); (12)

S = cv·ln(Р2/Р1) + cр·ln(v 2/v 1). (13)

Если энтропия системы возрастает (?s > 0), то к системе подводится тепло.

Если энтропия системы уменьшается (?s < 0), то от системы отводится тепло.

Если энтропия системы не изменяется (?s = 0, s = сonst), то к системе не подводится и от неё не отводится тепло (адиабатный процесс или изоэнтропный процесс).

Термодинамическим процессом называют переход системы из одного равновесного состояния в другое. Если система в результате совершения нескольких процессов приходит в первоначальное состояние, то говорят, что она совершила замкнутый процесс или цикл. Циклом Карно называется круговой цикл, состоящий из 2-х изотермических (протекающих при постоянной температуре) и из 2-х адиабатных процессов (протекающих без теплообмена с окружающей средой). Обратимый цикл Карно в p-v- и T-s- диаграммах показан на рис.1: 1-2 - обратимое адиабатное расширение при s1=сonst. Температура уменьшается от Т1 до Т2.

2-3 - изотермическое сжатие, отвод теплоты q2 к холодному источнику от рабочего тела.

3-4 - обратимое адиабатное сжатие при s2=сonst. Температура повышается от Т3 до Т4.

4-1 - изотермическое расширение, подвод теплоты q1 к горячего источника к рабочему телу.

Основной характеристикой любого цикла является термический коэффициент полезного действия (т.к.п.д.).

T = Lц / Qц, (14)

или?t = (Q1 - Q2) / Q1.

Рис.1.

Для обратимого цикла Карно термический к.п.д. определяется по формуле:

Tк = (Т1 - Т2) / Т1. (15)

Отсюда следует первая теорема Карно:

"термический к.п.д. обратимого цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела и определяется только температурами источников".

Из сравнения произвольного обратимого цикла и цикла Карно вытекает 2-я теорема Карно:

"обратимый цикл Карно является наивыгоднейшим циклом в заданном интервале температур"

Следовательно, термический к.п.д. цикла Карно всегда больше термического к.п.д. произвольного цикла:

Tк > ?t. (16)

Дальнейшие работы по термодинамике показали, что энтропия имеет глубокий физический смысл. В необратимых процессах она возрастает и достигает максимума, когда система приходит в состояние теплового равновесия. Например, в Солнечной системе, согласно второму закону термодинамики, идут процессы, приводящие к возрастанию энтропии. Происходит рассеяние энергии Солнца, что в конечном итоге приведёт Солнечную систему в состояние теплового равновесия с очень низкой температурой. Клаузиус назвал это явление тепловой смертью Солнечной системы. Он же распространил этот вывод и на всю Вселенную и предсказал тепловую смерть Вселенной. Однако данные астрофизики последних десятилетий показывают, что во Вселенной идут процессы, противоречащие второму закону термодинамики. В отдельных её частях вспыхивают сверхновые звёзды, т.е. идут процессы с уменьшением энтропии, что противоречит второму началу. Следовательно, второй закон термодинамики нельзя распространять на всю Вселенную, как это сделал Клаузиус.

В термодинамике цикл Карно́ или процесс Карно - это обратимый круговой процесс, состоящий из двух адиабатических и двух изотермических процессов . В процессе Карно термодинамическая система выполняет механическую работу и обменивается теплотой с двумя тепловыми резервуарами, имеющими постоянные, но различающиеся температуры. Резервуар с более высокой температурой называется нагревателем, а с более низкой температурой - холодильником

Цикл Карно назван в честь французского учёного и инженера Сади Карно, который впервые его описал в своём сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» в 1824 году

Поскольку обратимые процессы могут осуществляться лишь с бесконечно малой скоростью, мощность тепловой машины в цикле Карно равна нулю. Мощность реальных тепловых машин не может быть равна нулю, поэтому реальные процессы могут приближаться к идеальному обратимому процессу Карно только с большей или меньшей степенью точности. В цикле Карно тепловая машина преобразует теплоту в работу с максимально возможным коэффициентом полезного действия из всех тепловых машин, у которых максимальная и минимальная температуры в рабочем цикле совпадают соответственно с температурами нагревателя и холодильника в цикле Карно.

Описание цикла Карно

Цикл Карно в координатах T-S

Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой , холодильника с температурой и рабочего тела.

Цикл Карно состоит из четырёх обратимых стадий, две из которых осуществляются при постоянной температуре (изотермически), а две - при постоянной энтропии (адиабатически). Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T (температура) и S (энтропия).

1. Изотермическое расширение (на рис. 1 - процесс A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру , то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты . При этом объём рабочего тела увеличивается, оно совершает механическую работу, а его энтропия возрастает.

2. Адиабатическое расширение (на рис. 1 - процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом температура тела уменьшается до температуры холодильника , тело совершает механическую работу, а энтропия остаётся постоянной.

3. Изотермическое сжатие (на рис. 1 - процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее температуру , приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты . Над телом совершается работа, его энтропия уменьшается.

4. Адиабатическое сжатие (на рис. 1 - процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается под действием внешней силы без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя, над телом совершается работа, его энтропия остаётся постоянной.

Кпд тепловой машины Карно

Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно

Аналогично, при изотермическом сжатии рабочее тело отдаёт холодильнику

Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен

.

Круговой процесс - процесс, при котором газ, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное.
Если круговой процесс на диаграмме P-V протекает по часовой стрелке, то часть тепловой энергии, полученной от нагревателя, превращается в работу. Так работает тепловая машина.
Если круговой процесс на диаграмме P-V протекает против часовой стрелки, то тепловая энергия передается от холодильника (тела с меньшей температурой) к нагревателю (телу с большей температурой) за счет работы внешней силы. Так работает холодильная машина.

Цикл Карно́ - идеальный термодинамический цикл . Тепловая машина Карно , работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Состоит из 2 адиабатических и 2 изотермических процессов .

Цикл Карно назван в честь французского военного инженера Сади Карно , который впервые его исследовал в 1824 году .

Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропияадиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.

Цикл Карно состоит из четырёх стадий: 1. Изотермическое расширение (на рисунке - процесс A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру, то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты . При этом объём рабочего тела увеличивается. 2. Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение (на рисунке - процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника. 3. Изотермическое сжатие (на рисунке - процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты . 4. Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие (на рисунке - процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя.

Вычисление совершаемой веществом работы, за единичный цикл Карно при постоянных не одинаковых температурах Т1 и Т2 от нагревателя и холодильника, можно вычислить с помощью расчета:

А = Q1 - Q2 = (Т1-Т2/T1) *Q1 Данная работа количественно приравнивается к площади АВСD с ограничивающими отрезками в виде изотерм и адиабат которые и создают данный цикл.

Теорема Карно (с выводом).

Из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей T 1 и холодильников T 2 , наибольшим КПД обладают обратимые машины. При этом КПД обратимых машин, работающих при одинаковых температурах нагревателей и холодильников, равны друг другу и не зависят от природы рабочего тела, а определяются только температурами нагревателя и холодильника.
Для построения рабочего цикла использует обратимые процессы. Например, цикл Карно состоит из двух изотерм (1–2, 2-4) и двух адиабат (2-3, 4–1), в которых теплота и изменение внутренней энергии полностью превращаются в работу (рис. 19).

Рис. 19. Цикл Карно

Общее изменение энтропии в цикле: ΔS=ΔS 12 +ΔS 23 +ΔS 34 +ΔS 41.
Так как мы рассматриваем только обратимые процессы, общее изменение энтропии ΔS=0.
Последовательные термодинамические процессы в цикле Карно:

Общее изменение энтропии в равновесном цикле: ΔS=(|Q 1 |/T 1)+0-(|Q 2 |/T 2)+0=0⇒T 2 /T 1 =|Q 2 |/|Q 1 |,

поэтому: η max =1-(T 2 /T 1) - максимальный КПД теплового двигателя.
Следствия:
1. КПД цикла Карно не зависит от рода рабочего тела.
2. КПД определяется только разницей температур нагревателя и холодильника.
3. КПД не может быть 100% даже у идеальной тепловой машины, так как при этом температура холодильника должна быть T 2 =0, что запрещено законами квантовой механики и третьим законом термодинамики.
4. Невозможно создать вечный двигатель второго рода, работающий в тепловом равновесии без перепада температур, т.е. при T 2 =T 1 , так как в этом случае η max =0.

II начало термодинамики.

Первое начало термодинамики, выражая закон сохранения и превращения энергии, не позволяет установить направление протекания термодинамических процессов. Кроме того, можно представить множество процессов, не противоречащих первому началу, в которых энергия сохраняется, а в природе они не осуществляются. Появление второго начала термодинамики связано с необходимостью дать ответ на вопрос, какие процессы в природе возможны, а какие нет. Второе начало термодинамики определяет направление протекания термодинамических процессов.

Используя понятие энтропии и неравенство Клаузиуса, второе начало термодинамики можно сформулировать как закон возрастания энтропии замкнутой системы при необратимых процессах: любой необратимый процесс в замкнутой системе происходит так, что энтропия системы при этом возрастает.

Можно дать более краткую формулировку второго начала термодинамики: в процессах, происходящих в замкнутой системе, энтропия не убывает. Здесь существенно, что речь идет о замкнутых системах, так как в незамкнутых системах энтропия может вести себя любым образом (убывать, возрастать, оставаться постоянной). Кроме того, отметим еще раз, что энтропия остается постоянной в замкнутой системе только при обратимых процессах. При необратимых процессах в замкнутой системе энтропия всегда возрастает.

Формула Больцмана (2.134) позволяет объяснить постулируемое вторым началом термодинамики возрастание энтропии в замкнутой системе при необратимых процессах: возрастание энтропии означает переход системы из менее вероятных в более вероятные состояния. Таким образом, формула Больцмана позволяет дать статистическое толкование второго начала термодинамики. Оно, являясь статистическим законом, описывает закономерности хаотического движения большого числа частиц, составляющих замкнутую систему.

Укажем еще две формулировки второго начала термодинамики:

1) по Кельвину: невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу;

2) по Клаузиусу: невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому.

Можно довольно просто доказать эквивалентность формулировок Кельвина и Клаузиуса. Кроме того, показано, что если в замкнутой системе провести воображаемый процесс, противоречащий второму началу термодинамики в формулировке Клаузиуса, то он сопровождается уменьшением энтропии. Это же доказывает эквивалентность формулировки Клаузиуса (а следовательно, и Кельвина) и статистической формулировки, согласно которой энтропия замкнутой системы не может убывать.

В середине XIX в. возникла проблема так называемой тепловой смерти вселенной. Рассматривая Вселенную как замкнутую систему к применяя к ней второе начало термодинамики, Клаузиус свел его содержание к утверждению, что энтропия Вселенной должна достигнуть своего максимума. Это означает, что со временем все формы движения должны перейти в тепловую. Переход же теплоты от горячих тел к холодным приведет к тому, что температура всех тел во Вселенной сравняется, т. е. наступит полное тепловое равновесие и все процессы во Вселенной прекратятся – наступит тепловая смерть Вселенной. Ошибочность вывода о тепловой смерти заключается в том, что бессмысленно применять второе начало термодинамики к незамкнутым системам, например к такой безграничной в бесконечно развивающейся системе, как Вселенная.

Энтропия по Клаузиусу.

К макроскопическим параметрам термодинамической системы относятся давление, объём и температура. Однако существует ещё одна важная физическая величина, которую используют для описания состояний и процессов в термодинамических системах. Её называют энтропией.

Впервые это понятие ввёл в 1865 г. немецкий физик Рудольф Клаузиус. Энтропией он назвал функцию состояния термодинамической системы, определяющую меру необратимого рассеивания энергии.

Что же такое энтропия? Прежде чем ответить на этот вопрос, познакомимся с понятием «приведенной теплоты». Любой термодинамический процесс, проходящий в системе, состоит из какого-то количества переходов системы из одного состояния в другое. Приведенной теплотой называют отношение количества теплоты в изотермическом процессе к температуре, при которой происходит передача этой теплоты.

Q" = Q/T .

Для любого незамкнутого термодинамического процесса существует такая функция системы, изменение которой при переходе из одного состояния в другое равно сумме приведенных теплот. Этой функции Клаузиус дал название «энтропия » и обозначил её буквой S , а отношение общего количества теплоты ∆Q к величине абсолютной температурыТ назвал изменением энтропии .

Обратим внимание на то, что формула Клаузиуса определяет не само значение энтропии, а только её изменение.

Что же представляет собой «необратимое рассевание энергии» в термодинамике?

Одна из формулировок второго закона термодинамики выглядит следующим образом: "Невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение в работу всего количества теплоты, полученного системой ". То есть часть теплоты превращается в работу, а какая-то её часть рассеивается. Этот процесс необратим. В дальнейшем рассеиваемая энергия уже не может совершать работу. Например, в реальном тепловом двигателе рабочему телу передаётся не вся теплота. Часть её рассеивается во внешнюю среду, нагревая её.

В идеальной тепловой машине, работающей по циклу Карно, сумма всех приведенных теплот равна нулю. Это утверждение справедливо и для любого квазистатического (обратимого) цикла. И неважно, из какого количества переходов из одного состояния в другое состоит такой процесс.

Если разбить произвольный термодинамический процесс на участки бесконечно малой величины, то приведенная теплота на каждом таком участке будет равна δQ/T . Полный дифференциал энтропии dS = δQ/T .

Энтропию называют мерой способности теплоты необратимо рассеиваться. Её изменение показывает, какое количество энергии беспорядочно рассеивается в окружающую среду в виде теплоты.

В замкнутой изолированной системе, не обменивающейся теплом с окружающей средой, при обратимых процессах энтропия не изменяется. Это означает, что дифференциал dS = 0 . В реальных и необратимых процессах передача тепла происходит от тёплого тела к холодному. В таких процессах энтропия всегда увеличивается (dS ˃ 0 ). Следовательно, она указывает направление протекания термодинамического процесса.

Формула Клаузиуса, записанная в виде dS = δQ/T , справедлива лишь для квазистатических процессов. Это идеализированные процессы, являющиеся чередой состояний равновесия, следующих непрерывно друг за другом. Их ввели в термодинамику для того, чтобы упростить исследования реальных термодинамических процессов. Считается, что в любой момент времени квазистатическая система находится в состоянии термодинамического равновесия. Такой процесс называют также квазиравновесным.

Конечно, в природе таких процессов не существует. Ведь любое изменение в системе нарушает её равновесное состояние. В ней начинают происходить различные переходные процессы и процессы релаксации, стремящиеся вернуть систему в состояние равновесия. Но термодинамические процессы, протекающие достаточно медленно, вполне могут рассматриваться как квазистатические.

На практике существует множество термодинамических задач, для решения которых требуется создание сложной аппаратуры, создание давления в несколько сот тысяч атмосфер, поддержание очень высокой температуры в течение длительного времени. А квазистатические процессы позволяют рассчитать энтропию для таких реальных процессов, предсказать, как может проходить тот или иной процесс, реализовать который на практике очень сложно.