Для выяснения сущности формулировок второго законатермодинамики рассмотрим схему работы теплового поршневого двигателя.
На коленчатом валу двигателя установлен маховик.Положим, что в надпоршневом пространстве двигателя имеется 1 кг постоянного несменяемого рабочеготела. Его начальные параметры при положении поршня в крайнем левом положении(в. м. т.), характеризуются величинами рх,vx, Tx и щ. Отэтого начального состояния при движении поршня к н. м. т. газ, совершая обратимый процесс, расширяется до объема v% и совершает работу против внешних сил. При положениипоршня в н. м. т., когда он совершил полный ход S = 2R, коленчатый вал повернулся на полоборота. Газ в этотмомент (точка 2 на диаграмме)будет иметь следующие параметры: р2< ри v2 > иг,Тг < Тхи щ <L щ. Поскольку процесс происходит без теплообмена, работа 1расш, определяемаяплощадью 12bal, совершалась за счет уменьшения внутренней энергии. Этаработа накапливается в виде кинетической энергии в маховике.Для повторения процесса, что является сущностьюпериодически действующей машины, необходимо, чтобы рабочее тело было возвращенов первоначальное состояние. Для этого используют запасенную в маховикекинетическую энергию, за счет которой производится процесс сжатия так, чтобыгаз прошел через те промежуточные состояния, что и в процессе расширения. Приэтом процесс 21, так как онявляется обратимым, проходит через те же промежуточные состояния, что и процесс12, и работа сжатия 1СЖ определяется площадью 21аЪ2. Из этого следует, что врассматриваемом замкнутом цикле 121, когдаколенчатый вал совершил полный оборот и рабочее тело пришло в первоначальноесостояние / = I Следовательно,такой идеальный двигатель, сколько бы циклов он не совершил, не можетпроизвести полезной работы, которую можно было бы использовать, например, дляприведения в движение автомобиля или для каких-либо других целей*.Для того чтобы в тепловой машине можно было получитьполезную работу, необходимо при положении поршня в н. м. т. (точка 2) отвести часть теплоты к холодномуисточнику, имеющему температуру Тхол<С Т2. Представим, что этот отвод теплоты производится принеподвижном положении поршня в процессе v = = const от точки 2 доточки 3 и холодному источникуотдано количество теплоты, равное q2. При этом параметры газа в точке 3 будут Рз < Pi' vz = из> Т3 <с Т2 ш щ<С и2. Используя энергию, накопленную в маховике, совершимпроцесс сжатия 34, при которомпоршень вернется в в. м. т. Работа, затраченная на сжатие, будет определяться площадью ЗЪа4, которая меньшеплощади 12Ъа4.Для осуществления цикла в периодически действующеймашине необходимо, чтобы параметры газа снова имели начальные значения (точка 1). Для этого при неподвижномположении поршня в в. м. т. в процессе v = const подведем к газутеплоту в количестве qx от источника теплоты, имеющего температуру Тг > Т1. При соблюденииуказанных условий можно обеспечить непрерывное повторение процессов,представляющих собой замкнутый круговой цикл 12341. Рассмотренный цикл в координатах Т - s показан на рис. 22,6. Пл. 12Ъа341 определяет количество подведенной теплоты q1, а пл. 2Ъа32 -количество отведенной теплоты q2.В тепловом двигателе работа цикла 1Ц = 1расш - 1СЖ. В координатах р - V она определяется пл. 12341 = пл. 12Ъа1 -пл. ЗЪа43. При этом какие-либодополнительные источники подвода и отвода теплоты, кроме указанных выше,отсутствуют и, как видно из рассмотрения цикла, в координатах Т - s количествотеплоты, превращенное в работу.Из рассмотрения цикла видно, что при получениимеханической энергии за счет тепловой невозможно всю подведенную тепловуюэнергию превратить в механическую. Оказывается, и это установленомногочисленными опытами, в периодически действующей тепловой машине невозможнополучить полезную работу при наличии только одного источника, от которого подводится теплота к рабочему телу. Для получениямеханической энергии необходимо иметь источник теплоты с высокой температурой (Тг > Тх), от которого крабочему телу подводится теплота в количестве qt, и источник теплоты с более низкой температурой {Тх <С Т^), к которому отводится частьтеплоты от рабочего тела, не превращаемой в полезную работу.Эффективность цикла оценивается по величине отношенияколичества теплоты, использованной для совершения полезной работы цикла, к количеству подведенной теплоты.Для идеальной тепловой машины зту оценку производят повеличине термического к. п. д. Так как д2 не может быть равна нулю,то значение t]t не может достичь единицы.Сказанное выше определяет сущность второго законатермодинамики, имеющего различные формулировки. В одной из них говорится, чтоневозможно построить периодически действующий двигатель, который производил бытолько поднятие груза и охлаждение источника теплоты (Планк, 1852 г).Из курса физики известна другая формулировка второгозакона термодинамики: невозможно построить вечный двигатель второго рода. Смыслэтой формулировки заключается в том, что нельзя построить двигатель, в которомвся подведенная к рабочему телу теплота превращается в работу.Анализируя приведенный на рис. 22 цикл, видим, чтоосуществить процессы расширения и сжатия можно по-разному, например, процессы Т2' и 3'4'. При этом величины lFacia и 1СЖ,qx, q2 и 1Цбудут различными, посколько они зависят от характера протеканияотдельных процессов и всего цикла.При возвращении рабочего тела в первоначальноесостояние, все его параметры будут такими, как и до осуществления цикла. Вданном случае изменение внутренней энергии Аи = О независимо от того, как совершался замкнутый цикл. Этоотносится также к изменению энтальпии и энтропии. В замкнутом обратимом циклеДг = 0 и As = 0.В циклах, осуществляемых в реальных тепловых машинах,происходящие процессы необратимы. Рассмотрим изолированную систему, в которойпроисходит необратимая передача теплоты от источника Аг с температурой Тг к телу А.2,имеющему температуру Т2< Тг. Положим,что количество теплоты Д д, передаваемоеот источника А± телу А2, несопоставимо мало посравнению с тем запасом теплоты, которое имеется в телах А\ и А2, поэтому температуры Тг и Т2 постоянны.Следовательно, если в изолированной системе имеют местонеобратимые процессы, то энтропия такой системы увеличивается. Самопроизвольные(без затраты внешней работы) процессы передачи теплоты всегда происходят отисточника с высшей температурой к источнику с низшей, что приводит квыравниванию температур в изолированной системе, когда энтропия системыдостигает максимума. Попытка Клаузиуса распространить этот вывод иа бесконечнуюВселенную привела его к абсурдному заключению о так называемой тепловой смерти Вселенной.Материалистическая философия утверждает, что в бесконечной Вселенной могутосуществляться процессы, идущие в обратном направлении, т. е. с уменьшениемэнтропии. Практические исследования подтверждают такую возможность.
|
