Раздел VI. Второй закон термодинамики.

Первый закон термодинамики говорит о том, что невозможно получить работу без подвода энергии извне, в частности в форме теплоты, то есть закон устанавливает возможность взаимопревращений работы и теплоты, но не устанавливает особенности превращения теплоты в работу и работы в теплоту. Но работа в теплоту превращается легко, просто и без потерь, а для превращения теплоты в работу нужны сложные технические устройства, и это превращение теплоты всегда сопровождается потерями энергии. С точки зрения физики, различие кроется на уровне превращения упорядоченного движения в хаотическое (AQ) и хаотического в упорядоченное (QA).

Все процессы в природе подразделяются на самопроизвольные и вынужденные. Самопроизвольные: падение давления в сосуде при разгерметизации, диффузия газов, передача теплоты от более к менее нагретому телу и т.д., и в общем случае – превращении работы в теплоту. Вынужденные: нагнетание давления, разделение газов и т.д., и в общем случае – превращение теплоты в работу.

Ранняя формулировка 2-ого закона термодинамики (формулировка Томсона): «Невозможно провести отрицательный (вынужденный) процесс без компенсации его положительным самопроизвольным процессом».

Пример:Таяние снега – вынужденный процесс, так как сопровождается самопроизвольным процессом передачей тепла от более нагретого тела к менее нагретому (от Солнца к Земле).

Известны также другие формулировки второго закона термодинамики:

• «Каждый вынужденный процесс избегает одиночества и требует сопровождения себя самопроизвольным процессом»;

• «Невозможно построить тепловой двигатель, термический КПД которого превышал бы термо-КПД цикла Карно»;

• «Энтропия в адиабатически изолированных системах всегда возрастает»;

• «Вечный двигатель 2-ого рода невозможен».

Вечный двигатель 2-ого рода – двигатель, единственным источником теплоты которого, являлась бы теплота окружающей среды.

С точки зрения первого закона термодинамики это возможно, но второй закон термодинамики утверждает, что должно быть как минимум два источника теплоты: нагреватель (ВИТ) и холодильник (НИТ).

Рассмотрим прямой обратимый цикл Карно:

Т₁=const

1

2

3

4

dQ=0

dQ=0

Т₂=const

рис.17. Прямой цикл Карно в P-V и T-S координатах.

Для обратимых процессов известно соотношение dQ = TdS.

Для изотермических процессов после интегрирования получаем:

Q₁ = T₁(S₂ – S₁), Q₂ = T₂(S₁ – S₂). Отведенная теплота Q₂ считается отрицательной.

Термический КПД для любых процессов (обратимых и необратимых) имеет общую формулу

(182)

Тогда .

(183)

Из (183) следует теорема Карно:

Термо-КПД обратимого цикла Карно не зависит от состава рабочего тела и определяется только температурами нагревателя T₁ (ВИТ) и холодильника T₂ (НИТ)

Все реальные процессы являются необратимыми, так как всегда сопровождаются дополнительными потерями энергии в окружающую среду, то есть:

Откуда из (182)

(184)

Подставим в (184) значения из (182) и (183) и получим:

, откуда окончательно

(185)

Формула (185) справедлива для необратимых процессов.

Для обратимых процессов, когда , из (182) и (184) получим

, откуда для обратимых процессов

(186)

Рассмотрим на рис.18 произвольный прямой обратимый цикл 1-а-2-в-1 и разобьем его бесчисленным числом адиабат, добавим к ним элементарные изотермические участки и образуем таким образом бесчисленное количество элементарных циклов Карно:

P

1a

2

b