У системі тіл, що знаходяться в термодинамічній рівновазі, без зовнішнього втручання неможливі ніякі реальні процеси. Отже, за допомогою тіл, що знаходяться в термодинамічній рівновазі, неможливо здійснити ніякої роботи, так робота пов'язана з механічним рухом, тобто з переходом теплової енергії в кінетичну.
Твердження про неможливість отримання роботи за рахунок енергії тіл, що знаходяться в термодинамічній рівновазі, складає сутність другого початку термодинаміки. (Тепло не може переходити від менш нагрітого тіла до більш нагрітого. Тепло передається в одному напрямку Теплові процеси завжди прагнуть до рівноваги.)
Навколишнє середовище володіє значними запасами теплової енергії. Двигун, що працює тільки за рахунок енергії перебувають у тепловій рівновазі тіл, був би для практики вічним двигуном. Другий закон термодинаміки виключає можливість створення такого вічного двигуна другого роду.
Незворотність теплових процесів має імовірнісний характер. Мимовільний перехід тіла з рівноважного стану в нерівноважний не неможливий, а лише пригнічує малоймовірний. У кінцевому результаті незворотність теплових процесів обумовлюється колосальне число молекул, з яких складається тіло.
Молекули газу прагнуть до найбільш вірогідного стану, тобто стану з безладним розподілом молекул, при якому приблизно однакове число молекул рухається вгору і вниз, вправо і вліво, при якому в кожному обсязі знаходиться приблизно однакове число молекул, однакова частка швидких і повільних молекул у верхній і нижній частинах якого-небудь посудини. Будь-яке відхилення від такого безладу, хаосу, тобто від рівномірного і безладного перемішування молекул по місцях і швидкостям, пов'язано зі зменшенням ймовірності, або являє собою менш ймовірна подія. Навпаки, явища, пов'язані з перемішуванням, зі створенням хаосу з порядку, збільшують ймовірність стану. Тільки при зовнішньому впливі можливе народження порядку з хаосу, при якому порядок витісняє хаос. В якості прикладів, які демонструють порядок, можна навести створені природою мінерали, побудовані людиною великі і малі споруди або просто радують око своєрідні фігури.
Кількісною характеристикою теплового стану тіла є число мікроскопічних способів, якими цей стан може бути здійснено. Це число називається статистичним вагою стану; позначимо його буквою Г. Тіло, надане самому собі, прагне перейти в стан з великим статистичними вагою. Прийнято користуватися не самим числом Г, а його логарифмом, який ще множиться на постійну Больцмана k. Певну таким чином величину S = k lnГ називають ентропією тіла.
Неважко переконатися в тому, що ентропія складної системи дорівнює сумі ентропії її частин. Ентропія - міра безладу системи. Ентропія - частини теплової енергії до абсолютній температурі, яку не можна перетворити на роботу: rS = rQ / Т.
Закон, який визначає напрямок теплових процесів, можна сформулювати як закон зростання ентропії: для всіх відбуваються в замкнутій системі теплових процесів ентропія системи зростає, максимально можливе значення ентропії замкнутої системи досягається в тепловій рівновазі: rS І 0.
Дане твердження прийнято вважати кількісної формулюванням другого закону термодинаміки, відкритого Р. Ю. Клаузіусом (його молекулярно-кінетичне тлумачення дано Л. Больцманом).
Ідеального випадку - повністю оборотного процесу замкнутої системи - відповідає неизменяющиеся ентропія. Всі природні процеси відбуваються так, що ймовірність стану зростає, що означає перехід від порядку до хаосу. Значить, ентропія характеризує міру хаосу, яка для всіх природних процесів зростає. У зв'язку з цим закон про неможливість вічного двигуна другого роду, закон про прагнення тіл до рівноважного стану отримують своє пояснення. Чому механічний рух переходить в теплове? Та тому, що механічний рух впорядковано, а теплове безладно, хаотично.
Основні принципи дії теплових машин. Цикл Карно і теорема Карно.
Основні частини теплової машини. З'ясуємо, які основні частини повинна мати теплова машина, призначена для здійснення механічної роботи А 'за рахунок кількості теплоти Q, отриманого при спалюванні палива. Зазвичай в теплових машинах механічна робота здійснюється розширюється газом. Газ, що здійснює роботу при розширенні, називається робочим тілом. Робочим тілом часто служить повітря або водяні пари. Розширення газу відбувається в результаті підвищення його температури і тиску при нагріванні. Пристрій, від якого робоче тіло отримує кількість теплоти Q, називається нагрівачем.
Спрощена модель теплової машини, складається з циліндра, заповненого повітрям, і поршня.
Помістимо на поршень тіло масою т, попередньо вживши заходів проти стиснення газу в циліндрі під дією вантажу (наприклад, встановивши спеціальні упори всередині циліндра, що запобігають подальше опускання поршня). Розташуємо під циліндром нагрівач. У міру нагрівання газу в циліндрі його тиск зростає, однак обсяг залишається незмінним до тих пір, поки при деякому значенні температури Т2 тиск не досягне значення рг, при якому вага поршня з вантажем mg і сила атмосферного тиску, рівна p1S, зрівнюються з силою тиску газу на поршень ргS. Цьому процесу відповідає ізохорами.
При подальшому нагріванні газу поршень прийде в рух. Тиск поршня з вантажем на газ залишається постійним, тому розширення відбувається за Ізобаричний законом. При підйомі вантажу на висоту h обсяг газу в циліндрі збільшується від V1 до V2, температура в кінці ізобарного процесу розширення газу досягає значення Тз. Цьому процесу відповідає ізобар. Коли поршень торкнеться обмежувача у верхній частині циліндра, знімемо вантаж і припинимо нагрівання. Мета досягнута, вантаж піднятий. Однак подібна машина одноразової дії не представляє інтересу для практики. Щоб підняти інший вантаж, необхідно опустити поршень, тобто стиснути газ. Але якщо стискати газ при температурі Тз до обсягу V1, то робота, що здійснюються при стисненні газу, виявиться більше роботи, досконалої газом при Ізобаричний розширенні. Отже, таким шляхом не вдасться здійснити періодичний процес здійснення механічної роботи за рахунок передачі теплоти від нагрівача робочому тілу машини. Для зменшення роботи, що здійснюється при стисненні газу в циліндрі, його потрібно перед стисненням охолодити. Тоді стиснення буде відбуватися при тиску p1 меншому рг, і робота, що здійснюються при стисненні, виявиться менше роботи, досконалої газом при розширенні. Отже, для періодичної роботи теплової машини необхідна ще одна частина машини, звана холодильником.
Робочий цикл теплової машини. Для охолодження газу направимо на дно циліндра струмінь холодної води. Зниження температури газу буде відбуватися при незмінному обсязі до тих пір, поки тиск газу в циліндрі не досягне значення p1 при температурі Т4. Цьому процесу відповідає ізохорами. Для повернення газу в початковий стан, що характеризується тиском p1, обсягом V1 і температурою Т1, необхідно продовжити його охолодження до температури T1. Цьому процесу відповідає ізобар. Процеси, в результаті здійснення яких газ повертається в початковий стан, називають круговими або циклічними. Робочий цикл розглянутої теплової машини складається з двох ізохорами і двох ізобар, (що утворюють прямокутник.).
Робочий цикл теплової машини і її ККД. У результаті здійснення робочого циклу газ повертається в початковий стан, його внутрішня енергія приймає первісне значення. Отже, за цикл зміна внутрішньої енергії робочого тіла дорівнює нулю: rU = 0.
Відповідно до першого закону термодинаміки rU = Q - A '= 0, або A' = Q.
Робота А ', досконала робочим тілом за цикл, дорівнює отриманому за цикл кількості теплоти Q. Кількість теплоти Q, отримане робочим тілом за цикл, дорівнює різниці кількості теплоти Q1, отриманого від нагрівача, і кількості теплоти Q2, відданого холодильника: Q = Q1-Q2.
Отже, A '= Q1-Q2.
Коефіцієнт корисної дії h, що дорівнює відношенню корисно використаної енергії до витраченої енергії, для теплової машини виявляється рівним
h = A '/ Q1, або h = (Q1-Q2) / Q1
Французький інженер Саді Карно (1796-1832) в 1824 р. встановив надзвичайно важливу для практики залежність ККД теплової машини від температури T1 нагрівача і температури Т2 холодильника: незалежно від конструкції і вибору робочого тіла максимальне значення-ККД теплової машини визначається виразом h (max) = (Т1-Т2) / Т1.
Будь-яка реальна теплова машина може мати ККД, що не перевищує це максимальне значення:
(Т1-Т2) / Т1 І h
Вираз для максимального значення ККД теплової машини показує, що для підвищення коефіцієнта корисної дії теплових машин існує два шляхи - підвищення температури T1 нагрівача і зниження температури T2 холодильника. ККД теплової машини міг би стати рівним одиниці, якби була можливість використовувати холодильник з температурою, що дорівнює абсолютному нулю.
Однак цей шлях навіть теоретично неможливий, оскільки абсолютний нуль, згідно з уявленнями термодинаміки, не може бути досягнутий. Найбільш прийнятними холодильниками для реальних теплових машин є атмосферне повітря або вода при температурі близько 300 К. Отже, основний шлях підвищення ККД теплових машин - це підвищення температури нагрівача.
При підготовці цієї роботи були використані матеріали з сайту http://www.studentu.ru