Лекция № 4. Второй закон термодинамики

4.1. Понятие о круговом процессе

Термодинамические процессы, в результате которых рабочее тело, проходя последовательно различные состояния, возвращается снова в первоначальное состояние, называются замкнутыми процессами или циклами.

В координатах (так же как и в любой другой системе координат, по осям которой откладываются параметры состояния) такие процессы изображаются замкнутыми контурами. Любая точка кривой, представляющей цикл, может быть принята за начало и конец. Однако обычно за начало цикла принимается начало подвода теплоты к рабочему телу.

Замкнутые процессы имеют большое значение в термодинамике, так как они позволяют работу любого теплового двигателя или теплосиловой установки с определенным приближением сопоставить с процессами, осуществляемыми в цикле.

В каждом двигателе, в котором теплота превращается в работу, рабочее тело должно расширяться. Продолжительное и безостановочное действие двигателя для получения большого количества энергии требует непрерывного повторения рабочим телом процесса расширения. Это возможно осуществить двумя путями.

В первом случае рабочее тело расширяется и удаляется из двигателя, а на его место впускается новая порция рабочего вещества, которое вновь расширяется.

Во втором случае рабочее тело после расширения возвращается в исходное состояние путем сжатия, после чего оно снова расширяется.

Если в первом случае необходимо иметь новые порции рабочего тела, то во втором случае можно длительное время обходиться одним и тем же рабочим телом.

Понятно, что во втором случае на сжатие рабочего тела должна тратиться работа внешних сил. Если мы хотим получить от такой машины полезную работу, то очевидно, на сжатие должно тратиться меньше работы, чем получается при расширении.

И зменение состояния рабочего тела во втором случае можно представить в ─ диаграмме замкнутой кривой ACBDA (рисунок 1).

Рисунок 1. Графическое определение работы замкнутого цикла

Рабочее тело при этом попеременно расширяется и сжимается, возвращаясь, каждый раз в первоначальное состояние. Такой замкнутый процесс называется круговым процессом или циклом.

На участке ACB от некоторого источника к 1 кг рабочего тела подводится определенное количество теплоты , при этом внутренняя энергия изменяется на величину и совершается работа .

На участке BDA от рабочего тела отводится количество теплоты , внутренняя энергия при этом уменьшается на величину , а для того, чтобы газ вернуть в исходное состояние А, потребовалось бы совершить работу над газом .

Первый закон термодинамики для процесса расширения на участке ACB запишется в виде

а на участке BDA

Разность количества подведенной и отведенной теплоты равна

Поскольку после возвращения в исходное состояние параметры рабочего тела будут такими же, что и в начале, то

Тогда

(4.1)

Величина представляет собой работу замкнутого цикла, равную разности работы расширения на участке ACB и сжатия на участке BDA, определяемую площадью заштрихованной поверхности ACBDA.

Очевидно, , если направление обхода процесса осуществляется по часовой стрелке при положении осей, указанном на рисунке 4.1, и , если направление обхода противоположно.

В случае мы имеем дело с тепловым двигателем, а при  с рабочей машиной, в которой работа совершается за счет внешних сил.

Замкнутый процесс может быть обратимым и необратимым. Циклы, состоящие только из обратимых процессов, будут обратимыми циклами. В противном случае имеем необратимые циклы.

Степень использования теплоты в цикле определяется термическим коэффициентом полезного действия , представляющим отношение количества теплоты, превращенной в работу, к количеству затраченной теплоты

(4.2)