Методические указания. Непрерывное получение работы за счет подведения теплоты возможно только в цикле и невозможно в разомкнутом процессе

Непрерывное получение работы за счет подведения теплоты возможно только в цикле и невозможно в разомкнутом процессе. Поэтому тщательно изучите все вопросы, относящиеся к циклам, особенно к циклу Карно, который имеет большое значение в термодинамике. С его помощью выводят все аналитические зависимости. Формула для к.п.д. цикла Карно, по существу, также является техническим выражением существа второго закона термодинамики в применении к тепловым машинам. Обратимый цикл Карно при выбранных температурах T_max горячего источника теплоты и T_min холодильника имеет наивысший термический к.п.д. среди любых других обратимых циклов.

Первый закон термодинамики не устанавливает условий, при которых теплота в машине превращается в работу. Отсюда вытекает, что теплота, подведенная к рабочему телу в цикле (q_Ц), равна работе, полученной в результате совершения цикла (l_Ц). Последнее может привести к неверному выводу о полном превращении теплоты в работу цикла, что равносильно возможности создания вечного двигателя второго рода. Это противоречие легко устранить с помощью понятия энтропии как функции состояния. Проинтегрировав выражение ds = dq/T по замкнутому контуру цикла, получим ds = dq/T = 0, так как s — функция состояния. Учитывая, что абсолютная температура Т не может быть отрицательной, приходим к выводу, что интеграл dq/T может быть равен нулю только в том случае, если на отдельных участках цикла будет неравенство dq< 0, т. е. будет осуществляться отвод теплоты. Следовательно, при совершении цикла наряду с подводом теплоты к рабочему телу (dq> 0) обязательно должны быть процессы с отводом теплоты (dq< 0). Именно это и означает, что подведенную к рабочему телу теплоту в цикле нельзя полностью превратить в работу.

Несмотря на наличие в литературе большого количества формулировок второго закона термодинамики, сущность этого закона сводится к двум положениям: 1) теплота не может самопроизвольно переходить от холодного тела к горячему без затраты работы; 2) для превращения теплоты в работу в периодически действующей машине необходимо наличие не менее двух источников теплоты: теплоотдатчика (горячего) и теплоприемника (холодного). При этом только часть теплоты, переданной телу от горячего источника, может быть превращена в работу, остальная часть должна быть отдана холодному источнику.

В отличие oт первого закона термодинамики, являющегося абсолютным законом природы, справедливым как для макромира, так и для микромира, второй закон термодинамики таковым не является. Объясняется это тем, что он получен из наблюдений над объектами, имеющими конечные размеры в окружающих нас земных условиях, и не может произвольно распространяться как на бесконечную вселенную, так и на бесконечный микромир.

Если рассматривается изолированная система, состоящая из теплоотдатчика, рабочего тела, совершающего обратимый цикл Карно, и теплоприемника, то:

а) в случае обратимых процессов передачи теплоты (т.е. при бесконечно малой разнице температур) от теплоотдатчика рабочему телу и от него теплоприемнику энтропия системы остается постоянной;

б) в случае, если один из процессов, например теплоотдача от источника к рабочему телу, протекает при конечной разнице температур, энтропия системы возрастает.

Независимо от обратимости процесса энтропия рабочего тела в цикле (как функция состояния) всегда остается неизменной (∆ S_PT= 0).

Все реальные процессы являются необратимыми, поэтому энтропия изолированной системы, в которой протекают такие процессы, всегда возрастает (∆ S_C> 0). Возрастание энтропии в необратимых процессах само по себе ни о чем не говорит. Однако возрастание энтропии приводит к уменьшению работоспособности изолированной системы. Для количественной оценки потери работоспособности системы вводится понятие удельной эксергии, под которой понимают максимальную удельную работу, совершаемую системой при ее переходе от данного состояния до равновесия с окружающей средой. Следует понимать, почему потеря эксергии, ведущая к уменьшению работоспособности системы из-за необратимости процесса, определяется произведением наименьшей температуры системы на приращение энтропии.

Литература: [1] с. 57—62, 138—144, [2] с. 96—123.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое термодинамический цикл? 2. В чем состоит термическая и механическая необратимости процессов? 3. Что такое прямой и обратный (обратимые) циклы Карно? 4. Что называют термическим к.п.д. и холодильным коэффициентом произвольного цикла, чему они равны для цикла Карно? 5. Почему обратимый цикл Карно является самым эффективным среди других циклов, осуществляемых в заданном интервале температур? 6. В чем сущность второго закона термодинамики? Приведите основные формулировки этого закона. 7. Приведите аналитическое выражение второго закона термодинамики для обратимых и необратимых процессов. 8. Как изменяется энтропия изолированной системы при протекании в ней обратимых и необратимых процессов. 9. Что такое эксергия? Чем определяется уменьшение работоспособности изолированной системы?

Тема 4. Термодинамические процессы

Общие вопросы исследования процессов изменения состояния любых рабочих тел. Термодинамические процессы идеальных газов. Политропные процессы. Уравнение политропы. Определение показателя политропы и теплоемкости политропного процесса. Основные термодинамические процессы: изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный как частные случаи политропного процесса. Изображение политропных процессов в (pv- и Ts -диаграммах. Отличие реального газа от идеального. Термодинамические процессы изменения состояния водяного пара как реального газа. Процессы парообразования в pv- и Ts -диаграммах.