Другий принцип термодинаміки

ФІЗИКА

Частина 2 МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА І ТЕРМОДИНАМІКА

Розділ 7 ОСНОВИ ТЕРМОДИНАМІКИ

7.7. Другий принцип термодинаміки

Перший принцип термодинаміки стверджує, що не можна створити таку машину, яка б породжувала енергію. Проте він нічого не говорить, наприклад, про таку теплову машину, яка б усю теплоту, відібрану в тіла, повністю перетворювала в роботу і обходилась, отже, без холодильника або будь-якого тіла, яке б заміняло його. (У парових машинах холодильником є конденсатор або в менш економічних – атмосферне повітря.) Якби це стало практично можливим, то така машина була б вічним двигуном другого роду.

Під вічним двигуном другого роду розуміють такий тепловий двигун, який, повторюючи довільне число разів той самий процес, був би здатний повністю перетворити в роботу всю теплоту, що надходить від якого-небудь тіла або тіл, які є джерелом теплоти, і при цьому обходиться без інших тіл, які б відбирали теплоту, не перетворену в роботу. Якби за допомогою вічного двигуна другого роду ми навчилися безпосередньо перетворювати одержану від води океанів теплоту в роботу, то океан був би, по суті, невичерпним джерелом енергії. Так, при зниженні температури світового океану лише на соту частину градуса енергії, яку б дістали від нього, вистачило б для всього людства на 1700 років.

Досвід засвідчує, що описані вічні двигуни першого й другого роду можуть існувати тільки в людській фантазії, реально їх бути не може. Намагання побудувати вічні двигуни заздалегідь приречені на невдачу. Зусилля потрібно спрямувати не на здійснення їх, а насамперед на те, щоб усвідомити, чому такі двигуни не можуть існувати.

Другий принцип вказує на те, що процес, при якому відбувається перехід теплоти в роботу, можливий тільки тоді, коли він компенсується певними змінами термодинамічного стану тіл, що беруть участь у процесі. Некомпенсований перехід теплоти в роботу неможливий. Під компенсацією розуміють зміну стану робочого тіла або якогось третього тіла, залученого до процесу. Другий принцип дещо обмежує перетворення однієї форми передачі енергії – теплоти – в іншу форму передачі енергії – роботу. Внаслідок цього для розуміння суті другого принципу завжди треба сукупно розглядати принаймні три тіла: перше – віддає деяку кількість теплоти (нагрівник), друге – теплоту відбирає від першого (робоче тіло) і третє – від другого дістає...

енергію у формі роботи. Якщо ж потрібно, щоб у кінці процесу одне з цих тіл (робоче) повернулося до свого початкового стану, то залучають у процес ще четверте тіло – холодильник.

Перший принцип термодинаміки встановив кількісний зв’язок між теплотою, роботою і внутрішньою енергією системи, проте нічого не говорить про напрям процесу. Другий принцип термодинаміки якраз вказує на напрям теплових процесів. Отже, неможливі такі процеси, єдиним кінцевим результатом яких був би перехід деякої кількості теплоти від тіла менш нагрітого до тіла більш нагрітого. Другий принцип термодинаміки можна сформулювати так: “перпетуум мобіле” другого роду неможливий.

Тепер розглянемо таке питання: чи може тепловий двигун перетворити всю передану йому теплоту в роботу, чи може ККД (коефіцієнт корисної дії) теплового двигуна дорівнювати одиниці. Нехай робочим тілом буде ідеальний газ. Внутрішня енергія ідеального газу залежить тільки від температури. Отже, при ізотермічному рівноважному розширенні ідеального газу (нехай газ діє на поршень, під яким він міститься) внутрішня енергія залишиться незмінною і вся передана теплота перетвориться в роботу, виконану газом при розширенні. За першим принципом термодинаміки ΔQ = ΔА + ΔU. Якщо U = const, то збільшення Q приведе до збільшення лише А. Проте при використанні газу як робочого тіла в тепловому двигуні після розширення його потрібно повернути до початкового об’єму. На це треба затратити непродуктивно частину роботи, виконаної газом. Для здійснення цього переходу слід залучити в процес ще третє тіло – холодильник, якому у вигляді теплоти буде віддана робота, затрачена на стиснення газу. Тому другий принцип термодинаміки можна ще сформулювати так: неможливий процес, єдиним результатом якого було б повне перетворення всієї теплоти, яку одержали від тіла, в роботу.

Отже, в циклічно діючій тепловій машині лише частина теплоти від нагрівника перетворюється в роботу, а друга частина (і досить значна) віддається холодильнику. Тому ККД теплової машини, навіть тоді, коли б вона була сконструйована ідеально (без втрат на тертя), ніколи не дорівнюватиме одиниці. ККД теплової машини залежить від форми циклу і меж температур, в яких робоча речовина виконує цикл. Особливості фізичної і хімічної природи робочої речовини не впливають на ККД. Для теплових машин оптимальним є цикл, описаний вперше основоположником термодинаміки Саді Карно (179G-1832).


1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (No Ratings Yet)
Loading...
Ви зараз читаєте: Другий принцип термодинаміки