32. Температурні цикли. Цикл Карно
термодинами́ческие ци́клы — круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление,объём,температура,энтропия), совпадают.
Термодинамические циклы являются моделями процессов, происходящих в реальных тепловых машинах для превращения тепла в механическую работу.
Компонентами любой тепловой машиныявляютсярабочее тело, нагреватель и холодильник (с помощью которых меняется состояние рабочего тела).
Обратимым называют цикл, который можно провести как в прямом, так и в обратном направлении в замкнутой системе. Суммарнаяэнтропиясистемы при прохождении такого цикла не меняется. Единственным обратимым циклом для машины, в которой передача тепла осуществляется только между рабочим телом, нагревателем и холодильником, являетсяЦикл Карно. Существуют также другие циклы (например,цикл Стирлингаицикл Эрикссона), в которых обратимость достигается путём введения дополнительного теплового резервуара — регенератора. Общим (т.е. указанные циклы частный случай) для всех этих циклов с регенерацией являетсяЦикл Рейтлингера. Можно показать (см. статьюЦикл Карно), что обратимые циклы обладают наибольшей эффективностью.
Цикл Карно́ — ідеальний термодинамічний цикл. Цикл складається з чотирьох стадій:
Робоча речовина нагрівається за сталої температури(ізотермічний процес).
Робоча речовина розширюється за сталої ентропії(адіабатичний процес).
Робоча речовина охолоджується за сталої температури(ізотермічний процес).
Робоча речовина стискається за сталої ентропії(адіабатичний процес).
Коефіцієнт
корисної діїдля двигуна, що працює
зациклом
Карно,
залежить лише від різниці температур
нагрівача
і
охолоджувача
.
Для збільшення коефіцієнта корисної дії циклу Карно необхідно зробити температуру нагрівача якомога більшою, а температуру охолоджувача — якомога меншою.
Дру́гий закон термодина́міки — один із основних законів фізики, закон про неспадання ентропіївізольованій системі. Він накладає обмеження на кількість корисноїроботи, яку може здійснититепловий двигун. На засадничому рівні другий закон термодинаміки визначає напрямок протікання процесів у фізичній системі - від порядку до безпорядку. Існує багато різних формулювань другого закону термодинаміки, загалом еквівалентних між собою. Длясистемиіз сталоютемпературоюіснує певнафункція стануS —ентропія, яка визначається таким чином, що
1. Адіабатичний перехідіз рівноважного стану A в рівноважний стан B можливий лише тоді, коли
.
2. Приріст ентропії у квазістаціонарному процесідорівнює
,
де T — температура.
Вічний двигун другого роду за задумом повинен був би перетворювати всю отриману теплотув роботу. Це не суперечить закону збереження енергії, але вступає в протиріччя іздругим законом термодинаміки.
33.Статистичне тлумачення другого закону термодинамікиРозглядаючи другий закон термодинаміки і висновки з нього, ми не цікавилися внутрішньою будовою тіл, а весь час користувалися термодинамічним методом дослідження. Розглянемо питання про зв’язок другого начала термодинаміки з молекулярно-кінетичною теорією будови речовини. З’ясування цього зв’язку дає змогу глибше зрозуміти фізичний зміст другого начала термодинаміки.
З молекулярно-кінетичної теорії випливає, що кожному стану тіла (наприклад, газу) відповідає певний розподіл його молекул за об’ємом і певний розподіл молекул за швидкостями.
Припустимо, що в посудині перебувають лише три “мічені” молекули газу , які рухаються з однаковою швидкістю, а весь об’єм посудини поділено на три рівні частини І, ІІ, ІІІ (див. таблицю). Різні стани газурозрізняються лише за розподілом молекуліпо трьох комірках об’єму. Всього можливі 27 різних розподілів. Молекули газу рухаються хаотично.
Якби ми спостерігали довгий час за можливими розподілами молекул і то виявили би, що в середньому всі 27 розподілів зустрічаються однаково часто. Вони рівномірні. Під ймовірністю даного розподілу розуміють таку границю де частина всього часу спостереження за розподілом частинок у системі, протягом якого відбувається даний розподіл.
Ймовірність розподілу , що обчислюється за рівнянням, відмінна від імовірності термодинамічного стану системи, який відповідає цьому розподілу. Річ у тому, що в однорідному газі всі молекули однакові. Тому всі стани, що відповідають однаковій кількості молекул у кожній комірці, будуть тотожними незалежно від того, які саме молекули газу знаходяться в кожній комірці.
Отже, ймовірність будь-якого стану тіла більша від ймовірності окремого розподілу
Термодинамічна ймовірність будь-якого стану тіла або системи дорівнює кількості найрізноманітніших мікророзподілів частинок за координатами і швидкостями, які відповідають даному термодинамічному стану ().Больцман встановив зв’язок між ентропією системи і термодинамічною ймовірністю її стану .Це співвідношення називається формулою Больцмана. Отже, ентропія визначається логарифмом кількості мікророзподілів частинок, за допомогою якого може бути реалізований даний макростан.
Ентропія може розглядатися як міра імовірності стану термодинамічної системи. Формула Больцмана дає змогу дати ентропії таке статистичне тлумачення: ентропія є мірою невпорядкованості системи. Ентропія досягає найбільшого значення при найбільш ймовірному стані системи. Найбільш ймовірним є стан термодинамічної рівноваги, в такому стані механічна система має мінімальну потенціальну енергію. Отже, максимум ентропії відповідає стану рівноваги ізольованої системи.
Згідно із уявленнями термодинаміки процеси в замкненій системі йдуть в бік зростання ентропії до максимуму. Якщо ентропію трактувати статистично, то це означає, що процеси в замкненій системі йдуть в напрямку збільшення кількості мікростанів, доки ймовірність станів не стане максимальною.Другий закон термодинаміки еквівалентний твердженню про неможливість зменшення ентропії ізольованої системи. Формула Больцмана дозволяє дати таке статистичне тлумачення цьому закону: термодинамічна ймовірність стану ізольованої системи при всіх процесах, що в ній відбуваються, не може зменшуватися.
Отже, при всякому процесі, що відбувається в ізольованій системі, зміна термодинамічної імовірності її стану додатна або дорівнює нулю
Тепловá смерть — термін, що описує кінцевий стан будь-якої замкнутої термодинамічної системи. При цьому ніякого направленого обмінуенергієюспостерігатися не буде, оскільки всі види енергії перейдуть втеплову.Термодинамікарозглядає систему, що перебуває в стані теплової смерті як систему, в якійтермодинамічна ентропіямаксимальна.
Ідею про те, що еволюція Всесвіту неминуче призведе до стану теплової смерті й завершення всіх фізичних процесів висловив у 1852роціВільям Томсон(лордКельвін). Висновок про теплової смерті Всесвіту був сформульований Р. Клаузіусом в 1865 році на основі другого початку термодинаміки. За другим початку, будь-яка фізична система, не обмінюється енергією з іншими системами (для Всесвіту в цілому такий обмін, очевидно, виключений), прагне до найбільш вірогідного рівноважного стану - до так званого стану з максимумом ентропії. Такий стан відповідало б теплової смерті Всесвіту. Ще до створення сучасної космології були зроблені численні спроби спростувати висновок про теплової смерті Всесвіту. Найбільш відома з них флуктуаційна гіпотеза Л. Больцмана (1872 рік), відповідно до якої Всесвіт одвічно перебуває в рівноважному ізотермічному стані, але за законом випадку то в одному, то в іншому її місці інколи відбуваються відхилення від цього стану; вони відбуваються тим рідше, ніж велику область захоплюють і чим значніше ступінь відхилення. [Правити] Сучасний стан всесвіту
Основна стаття: Реліктове випромінювання На сучасному етапі існування (13,72 млрд років) Всесвіт випромінює як абсолютно чорне тіло з температурою 2,725 К. Максимум спектру випромінювання припадає на частоту 160,4 ГГц (мікрохвильове випромінювання), що відповідає довжині хвилі 1,9 мм. Воно изотропно з точністю до 0,001%. Ні довести, ні спростувати гіпотезу теплової смерті Всесвіту сучасними науковими силами не представляється можливим [джерело не вказано 199 днів], оскільки наші знання про неї все ще мізерно малі, і ми не можемо з повною впевненістю стверджувати, що Всесвіт не перебуває під дією зовнішніх сил , або може розглядатися як замкнута термодинамічна система [джерело не вказано 199 днів]. Однак саме поняття теплової смерті стало першим кроком до усвідомлення можливої кінцівки існування Всесвіту, хоча нам і невідомо, коли і за яким сценарієм відбудеться її загибель. [Правити]