4 Второе начало термодинамики

Первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения энергии для тепловых явлений. Оно устанавливает количественные соотношения между превращениями одних видов энергии в другие.

В отличие от него второе начало определяет условия, при которых возможны эти превращения, а также возможные направления протекания процессов. Оказывается, не все процессы, разрешенные первым началом, возможны.

Существует несколько формулировок второго начала термодинамики.

С одной из формулировок мы уже познакомились.

1) Энтропия изолированной системы не может убывать:

(4.19)

2) Клаузиус(нем. физик, 1850): невозможен самопроизвольный переход от менее нагретого тела к более нагретому телу, или невозможны процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от менее к более нагретому телу.

3) Кельвин(англ. физик, 1851): невозможны процессы, единственным конечным результатом которых было бы превращение тепла полностью в работу.

Казалось бы, что этому противоречит, например, процесс изотермического расширения идеального газа (,), в этом случае согласно первому началу термодинамики- все полученное газом тепло превращается в работу.

Однако это не единственныйконечный результат процесса: при этом происходит изменение объема газа.

Приведенные формулировки второго начала эквивалентны, из одной неизбежно следует другая.

Если бы не второе начало термодинамики, можно было легко решить энергетическую проблему – построить двигатель, который отнимал бы тепло из океанов и целиком превращал его в работу. По сути, такой двигатель был бы равнозначен вечному двигателю. Это позволяет перефразировать формулировку Кельвина так: невозможен перпетуум – мобиле (вечный двигатель) второго рода; т.е. такой периодически действующий двигатель, который получал бы теплоту из одного резервуара и превращал ее полностью в работу. Илиневозможносоздать тепловой двигатель с КПД. Напомним, коэффициент теплового двигателя КПД, где- сообщенное двигателю тепло,- произведенная им работа.

5 Коэффициент полезного действия кпд теплового двигателя. Цикл Карно

Термодинамика возникла как наука о превращении тепла в работу. В задачу этой науки входило создание наиболее эффективных тепловых двигателей.

Тепловым двигателемназывается периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне количества теплоты. На рис. 4 изображен цикл, в ходе которого рабочее тело (например, газ) сначала расширяется до объема, а затем снова сжимается до первоначального объема. Если процесс совершается по часовой стрелке, как на рис.4, то работа, производимая двигателем за цикл,.

Рис. 4

Пусть - поглощенное тепло, а- отдаваемое тепло (,). Опыт показывает, что теплонеизбежно существует в любом тепловом двигателе (как тепловой «шлак»). По первому началу термодинамики за цикл приращения внутренней энергии рабочего вещества, поэтому

(4.20)

Эффективность теплового двигателя определяет его КПД:

(4.21)

Опыт показывает, что всегда . Значениезапрещено вторым началом термодинамики.

Таким образом, любой тепловой двигатель работает по замкнутому циклу, и должно быть два внешних тела, от одного из которых (мы будем называть его нагревателем) рабочее тело получает теплоту, а другому (назовем егохолодильником) рабочее тело отдает теплоту.