Тепловая машина Карно. Второе начало термодинамики

и холодильника T2 обладает тепловой двигатель, где рабочее тело расширяется и сжимается по циклу Карно, который состоит из двух изотерм и двух адиабат.
Карно Никола Леонард Сади (1796 – 1832) – французский физик и инженер, один из создателей термодинамики

в этом цикле отсутствуют необратимые процессы, связанные с теплопроводностью.
Рассмотрим цикл Карно.
Пусть в качестве рабочего тела используется идеальный газ, заключенный в сосуд с подвижным поршнем.

Будем считать, что нагреватель и холодильник имеют бесконечную теплоемкость. Это означает, что их температуры остаются неизменными в процессе обмена теплом с рабочим телом.
На диаграмме PV цикл Карно выглядит следующим образом.

совершает работу за счет теплоты , получаемой от нагревателя. Здесь не проис- ходит необратимой передачи тепла от более нагретого тела к менее нагретому, передаваемое тепло сразу переходит в работу. Данный процесс обратим.

Как отмечалось выше, в тепловой машине в ходе расши- рения газа температура должна быть более высокой, чем при его обратном сжатии, поэтому перед сжатием газа его температуру предварительно понижают от Т1 до Т2..

нагрева- телем и совершают процесс адиабатического расширения ВС, в ходе которого газ продолжает совершать работу, но теперь уже за счет своей внутренней энергии, убыль которой и снижает его температуру до Т2

На этом заканчивается первая половина цикла – совершение полезной работы.
В точке С начинают изотермическое сжатие газа, предва- рительно приведя его в контакт с холодильником (процесс CD). Работа внешних сил по сжатию газа переходит в при- ращение его внутр. энергии, которая при постоянной тем- пературе сразу отдается холодильнику в виде теплоты Q2

исходное состояние (точку А). Для этого его изолируют от холодильника и адиабатически сжимают (DА), при этом температура его повышается от Т2 до Т1 за счет того, что работа, внешних сил, совершенная над газом, перехо- дит в его внутреннюю энергию.

На всех стадиях этого кругового процесса нигде не допускается соприкосновение тел с разной температурой, т.е. нет необратимых процессов теплопроводности. Весь цикл проводится обратимо ( в идеале, бесконечно медленно).

состояние, т.е. изменения его внутренней энергии нет (ΔU=0). За цикл газ получил количество теплоты равное Q1-Q2. Тогда из первого начала термодинамики вся эта теплота пошла на совершение газом полезной работы А.
Итак за цикл машина Карно совершает полезную работу равную Q1-Q2. Видно, что не все тепло Q1, получен- ное от нагревателя, идет на свершение работы. Часть тепла Q2 безвозвратно отдается во внешнюю среду.

работы А к теплоте Q1 , полученной от нагревателя
Цикл Карно, рассмотренный нами, был на всех стадиях проведен так, что не было необратимых процессов, (не было соприкосновения тел с разными температурами). Поэтому здесь самый большой КПД. Больше получить в принципе невозможно.

температур нагревателя и холодиль-
ника, не может иметь КПД больший, чем машина, работающая по обратимому циклу Карно при тех же значениях Т1 и Т2 .
2-ая теорема Карно:
КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, не зависит от рода рабочего тела, а определяется только температурой нагревателя Т1 и температурой холодильника Т2 .
Из теоремы Карно следует, что , поэтому
КПД машины Карно

проводить цикл в обратном направлении, тепло будет забираться у холодильника и передаваться нагревателю (за счет работы внешних сил).

Q2↑

Q1↑

количество теплоты Q2 и отдает телу с более высокой температурой T1 количество теплоты Q1.
Эффективность холодильной машины характеризуется ее холодильным коэффициентом, который определяется как отношение отнятой от охлаждаемого тела теплоты к работе, которая затрачивается на приведение
машины в действие.

полученного от нагревателя, в механическую работу. Теплота обусловлена случайным хаотическим движением молекул, а механическая работа — их согласованным направленным движением. Таким образом указанное свойство термодинамических систем можно трактовать как невозможность превращения всей энергии теплового (хаотического) движения молекул в энергию направленного движения макроскопических тел (работу).
Первое начало термодинамики не позволяет уста- новить направление протекания термодинамических процессов.

какие процессы в природе возможны, а какие нет. Второе начало термодинамики дает ответ на этот вопрос. Оно определяет направление протекания термодинамических процессов.
Существует несколько формулировок второго начала.

Формулировки Р. Клаузиуса: «Теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому» или:

«Невозможны такие процессы, единственным результатом которых был бы переход теплоты от тела менее нагретого к телу более нагретому»

некоторого тела определенного количества теплоты и превращение этой теплоты полностью в работу» .
Эта формулировка позволяет утверждать, что невозможен вечный двигатель второго рода:
Такое превращение означало бы, что хаотическое тепловое движение молекул можно превратить в упорядоченное движение макротел (работу).
II-е начало констатирует неуничтожимость хаотического теплового движения в изолированной системе

один из создателей термодинамики и кинетической теории газов.

Уильям Томсон (лорд Кельвин)
1822 – 1888
английский физик

функцию.
Энтропия

(греческая entropia – поворот, превращение)

Энтропия S – мера хаотичности т/д системы.
Требования к новой функции:
1) S - функция состояния, т.е. dS - полный дифференциал
2) S = const в изолированной системе с обратимыми процессами.

Понятие энтропии было впервые введено Клаузиусом в 1865 г.

Из рассмотренного цикла Карно он обратил внимание на отношение теплот к температурам, при которых они были получены или отданы в изотермических процессах:

приведенной теплотой. Для квазистатического процесса приведенная теплота

Это выражение является полным дифференциалом, т.е. сумма приведенных количеств теплоты для обратимого цикла

что для цикла Карно имеем
Учтем, что получаемая газом теплота Q1- поло- жительна, а отдаваемая Q2- отрицательна.
Тогда, суммируя приведенную теплоту на всех участках цикла Карно, получим:

называется:
равенство Клаузиуса

функции равен нулю, то эта функция определяется только состоянием системы и не зависит от пути, каким система пришла в это состояние, то есть она является функцией состояния (пример из механики — потенциальная энергия).
Функция состояния, дифференциалом которой является величина
называется энтропией и обозначается S

Поскольку энтропия — функция состояния, то для замкнутых обратимых процессов

= 0) выбирается состояние с абсолютной температурой T=0.
Энтропия – величина аддитивная, т.е. S=ΣSi
Рассчитаем изменение энтропии в изопроцессах

( ):
Изобарический ( ) :

для любой тепловой машины, использующей любые, в том числе необратимые процессы
Учтем, что отдаваемое газом тепло отрицательно,
Тогда 1-ая теорема Карно принимает вид:
т.е. сумма приведенных количеств теплоты ≤ 0

процессов:
(Неравенство Клаузиуса)

На примере покажем, что из этого вытекает возрастание энтропии в необратимом процессе, протекающем в изолированной системе.

Пусть система переходит из состо- яния 1 в состояние 2 (1а2) в результате необратимого процесса, а возвращает- ся из 2 в 1 (2b1) – в результате обратимого процесса. Для всего цикла справедливо неравенство Клаузиуса.

изолированной системы возрастает

возрастает (dS > 0).
Энтропия достигает своего максимального значе-ния в состоянии термодинамического равновесия.

Для произвольного процесса

где, знак равенства – для обратимого процесса; знак больше  для необратимого.

Тогда для изолированной системы

– математическая запись второго начала термодинамики.

использовано

указывают на поведение энтропии при абсолютном нуле Т = 0º К.
На основании обобщения экспериментальных исследований различных веществ при сверхнизких температурах было сформулировано, что
1. при приближении к абс. нулю энтропия стремится к определенному конечному пределу;
2. все равновесные процессы при абс. нуле происходят без изменения энтропии.
Эти утверждения называют теоремой Нернста или Третьим началом термодинамики.