Материал: Техническая термодинамика. Булыгин Ю.А., Кретинин А.В

55

Процесс расположен выше изотермы и выше адиабаты, т.е. в области процессов с подводом тепла (q>о) и в области процессов c увеличением внутренней энергии ( u 0 ). По условию l<0 . Полученному сочетанию знаков q, u и l соответствует схема

Способы определения n.

Сняв индикаторную диаграмму цикла тепловой машины возможно определить показатели политроп отдельных участков двумя способами:

Показатель политропы n представляет собой тангенс угла наклона этой линии в логарифмической PV- диаграмме. Если кривая процесса не спрямляется полностью, а имеет некоторую кривизну, то тогда эту линию в диаграмме ln p-ln следует разбить на несколько прямолинейных участков, найти значение n для каждого из этих участков и затем вычислить среднее для всей линии значение n. Определив для данного реального процесса величину n, мы сможем воспользоваться полученными выше уравнениями для расчета работы расширения процесса, теплоты процесса, рассчитать температуру в любой точке процесса и т.д.

Связь между n и с:

Политропа n c cP является константой. Теплоемкость политропного процесса с c cV

, выраженная через показатель политропы n имеет вид

c cV n k n 1

Интересно отметить, что при 1<n<k теплоѐмкость c отрицательна. В этих процессах при расширении газ производит работу, значительно превышающую то количество тепла

57

s=const , которая в is диаграмме изображается вертикальной прямой. Пересечение изоэнтропы с изобарой p2=const даѐт точку 2. Однако is диаграммы менее универсальны по сравнению с Ts- диаграммами.

58

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

Односторонность протекания самопроизвольных процессов

Опыт показывает, что часть тепла при преобразовании в работу остается неиспользованной. А вот обратный процесс преобразования работы в тепло всегда и при всяких условиях совершается полностью. Т.е. два процесса q l и l q c

точки зрения полноты их преобразования оказываются неравноценными. Первый закон термодинамики устанавливает баланс энергий в процессе их взаимного преобразования, но не дает никаких указаний на возможность направления протекания процесса.

Ответ на этот вопрос, а также на вопрос об условиях, при которых эти процессы могут совершаться, дает второй закон термодинамики, который, как и первый закон, получен как обобщение многих опытных данных, многих явлений, наблюдаемых человечеством. Второй закон термодинамики является дополнением к первому закону и вместе с ним дает основание для полного и всестороннего исследования взаимного преобразования тепла в работу.

Необходимо обратить внимаете и на его более общее значение как закона, имеющего статистическое толкование и указывающего на направление естественных процессов в природе.

Наблюдения показывают, что одностороннее протекание самопроизвольных процессов свойственно всем явлениям окружающей нас действительности.

Например, расширение газов происходит самопроизвольно, сжатие требует затрата работы. Вода всегда стремится занять наинизший уровень в гидравлической системе, находящейся в поле гравитационных сил тяготения. Смешение двух или нескольких газов также происходит самопроизвольно, обратный процесс разделения их самопроизвольно произойти не может. Наконец, изолированная от внешних воздействий система, находящаяся в неравновесном состоянии, т.е. с различными значениями параметров состояния в разных ее точках, с течением времени самопроизвольно приходит в состояние равновесия, ее параметры состояния выравниваются.

Полное равновесие означает отсутствие условий, характеризующих направление, т.е. отсутствие какого-либо процесса в системе. Отсутствует разность температур, давлений, концентраций, т.е. все интенсивные свойства такой системы выравнены.

Вычисление равновесия играет огромную роль в современной химической термодинамике по определению количества выходов, т.е. конечных продуктов реакций. Эти расчеты имеют важное теоретическое и практическое значение для современных реактивных двигателей. Обратный процесс наблюдается только при наличии внешних воздействий на эту систему.

Из тепловых явлений к числу положительных превращении (терминология Р. Клаузиуса, 1852 г.) относятся:

а) переход тепла от более нагретых тел к менее нагретым; б) преобразование работы в тепло.

Отрицательными же следует считать:

а) переход тепла от менее нагретых тел к более нагретым; б) преобразование тепла в работу.

Следует иметь в виду, что отрицательные превращения совершаются так же часто, как и положительные, но их осуществление возможно за счет положительных (самопроизвольных) превращений, компенсирующих первые.

Одностороннее протекание всех самопроизвольных процессов в изолированной системе и невозможность осуществления обратных процессов без компенсации их, или,

59

иначе говоря, необратимость реальных макропроцессов в природе, и составляет сущность второго начала термодинамики.

Формулировки второго начала термодинамики

Наиболее общая формулировка второго начала термодинамики применительно ко всем явлениям природы;

в изолированной системе самопроизвольно совершаются лишь такие процессы, которые приводят ее из неравновесного (менее вероятного) состояния к равновесному (более вероятному), в котором она может пребывать сколь угодно долго.

Применительно к тепловым явлениям второй закон термодинамики Клаузисом сформулирован в виде постулата (1850 г.): теплота не может сама собой (без компенсации) переходить от менее нагретого тела к более нагретому.

Т.е. первый закон термодинамики является частным выражением всеобщего закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым явлениям, а постулат Клаузиуса является частным выражением более общего принципа односторонности самопроизвольных процессов. Термодинамика своим возникновением как наука обязана появлению тепловых двигателей. В связи с этим формулировки основных законов термодинамики исторически оказались подчиненными интересам теории тепловых двигателей. Первый закон термодинамики (закон эквивалентности) устанавливает количественную связь между теплотой и работой при полном их взаимном

преобразовании q l , в то время как второй закон указывает на тот опытом установленный факт, что в тепловых двигателях не все тепло, сообщенное рабочему телу q , преобразуется в полезную работу l , часть тепла остается неиспользованной:

q1 l q2

Представляет практический интерес выяснение тех или иных условий, при которых может быть достигнуто максимально возможное использование тепла для получения в двигателях работы. Несмотря на неверное представление о теплоте как о вещественной среде (теплород), в 1824г. Сади Карно благодаря правильному методологическому приему пришел к замечательным выводам, которые легли в основу теории тепловых двигателей. Принципы Карно сформулированы следующим образом:

«...Повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы».

«...Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для его развития; ее количество исключительно определяется температурами тел, между которыми в конечном счете производится перенос теплорода».

Согласно Карно термодинамическая система, в которой совершается непрерывное преобразование тепла в работу, должна состоять из источника (тела с большей температурой, отдающего тепло рабочему телу), холодильника (тела с певшей температурой, воспринимающего тепло от ТРТ), рабочего тела и приемника механической работы.

Карно установил также, что в идеальном тепловом двигателе ТРТ должно совершать замкнутый круговой процесс, названный впоследствии циклом Карно. Периодическим повторением цикла достигается непрерывное