25. Недостаточность первого закона термодинамики. Качественная неэквива­лентность теплоты и работы.

Из второго закона термодинамики следует качественная неэквивалентность работы и

теплоты. Работа без ограничений может быть передана другому телу или полностью

преобразована в теплоту. Теплота же может быть передана без компенсации только телу с

температурой, не большей, чем температура передающего ее тела. Полученная от горячего (верхнего) теплового источника теплота не может быть полностью преобразована в работу, так как часть ее обязательно должна быть отдана холодному (нижнему) тепловому источнику.

26. Содержание и формулировки второго закона термодинамики, его физи­ческая сущность.

Используя опытные данные, Р.Клаузиус (1850) дал следующую формулировку второго закона термодинамики: "теплота не может самопроизвольно, т.е. без компенсации, переходить от холодного тела к горячему". Аналогичное утверждение в несколько иной форме было высказано еще в 1750 г. М.В.Ломоносовым, но оставалось неизвестным до конца XIX в. (как большинство его постулатов и принципов), когда русский физикохимик Н.А.Меншуткин открыл его для мировой науки как гениального физикохимика.

В.Томсон (1851) дал другую формулировку второго закона: "невозможно получать работу при наличии только одного источника тепла в циклически действующей машине". Р.Клаузиус сформулировал постулат о рассеянии энергии, являющийся также одним из выражений второго закона термодинамики. Согласно этому постулату "в замкнутой системе всякая энергия стремится к рассеянию, т.е. к переходу в равномерно распределенную тепловую энергию". Другими словами, она обесценивается (вырождается).

27. Основной термодинамический цикл - цикл Карно, его кпд

В 1824 г. С.Карно впервые рассмотрел обратимый термодинамический цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот цикл представляет собой замкнутый процесс, совершаемый рабочим телом в идеальной тепловой машине при наличии двух истопников теплоты: нагревателя (горячего источника) с температурой T₁ и холодильника (холодного и сточника) с температурой T₂ Цикл Карно в pv-диаграмме изображен на рис. 5.3.

Процессы 1—2 и 3—4 являются изотермическими, а 2—3 и 4—1 — адиабатными. Начальная температура рабочего тела в цикле принимается равной температуре нагревателя T₁. При изотермическом расширении от состояния 1 до состояния 2 рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты q₁ при температуре T₁. На участке 2—3 рабочее тело адиабатно расширяется. При этом температура рабочего тела понижается от T₁ до T₂, а давление падает от p₂ до p₃. При сжатии по изотерме 3—4 от рабочего тела отводится к холодильнику количество теплоты q₂ при температуре T₂. Дальнейшее сжатие по адиабате 4—1 приводит к повышению температуры рабочего тела от T₂ до T₁, а рабочее тело возвращается в первоначальное состояние.

Термический к. п. д. цикла

Количество теплоты q₁ и q₂ определим из уравнений

Подставляя полученные значения q₁ и q₂ в уравнение (5.2), находим

Покажем, что

Для адиабатных процессов расширения 2—3 и сжатия 4—1 соответственно имеем

откуда

С учетом соотношения уравнение принимает вид

Из уравнения следует:

1. Термический к. п. д. цикла Карно зависит только от абсолютных температур нагревателя T₁ и холодильника T₂. Он возрастает с увеличением температуры T₁ и уменьшением T₂, то есть чем больше разность температур T₁—T₂, тем выше к. п. д. цикла Карно.

2. Термический к. п. д. цикла Карно всегда меньше единицы. Равенство η_t=1 возможно только при T₂=О или T₁=∞, что практически невозможно реализовать.

Теплота q₁, подводимая к рабочему телу в цикле Карно, не может быть полностью превращена в работу, значительное количество теплоты отводится к теплоприемнику.

3. Термический к. п. д. цикла Карно при T₁=T₂ равен нулю, таким образом, невозможно превращение теплоты в работу, если все тела системы имеют одинаковую температуру, то есть находятся между собой в тепловом равновесии.

4. Термический к. п. д. цикла Карно не зависит от устройства двигателя и физических свойств рабочего тела, а зависит лишь от температур нагревателя T₁ и холодильника T₂. Это положение известно под названием теоремы Карно. Последнее следует из того, что формула (5.5) не содержит величин, характеризующих свойства рабочего тела.