Лекция 13 Второе и третье начало термодинамики

Лекция № 13 Второе и третье начало термодинамики.

Циклические (круговые) процессы

Обратимым называют цикл, который можно провести как в прямом, так и в обратном направлении. Расширение газа в пустоту – пример необратимого процесса. Его нельзя провести в противоположном направлении.

Термодинамические циклы используются в тепловых машинах для превращения тепловой энергии (то есть, внутренней энергии) в механическую работу, а также для охлаждения (при использовании обратного цикла). Тепловая машина состоит из рабочего тела, которое и проходит цикл, нагревателя и холодильника (с помощью которых меняется состояние рабочего тела) Тепловая машина использующая внешнюю работу над рабочим телом и передающая тепло от менее нагретого тела к более нагретому телу называется тепловым насосом или холодильником.

Цикл Карно.

Цикл Карно состоит из четырёх стадий:

Теорема Карно КПД идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя и холодильника, не зависит от устройства машины и вида рабочего тела Для реальной тепловой машины: КПД всякой тепловой машины, работающей по циклу Карно с теми же температурами нагревателя и холодильника, что и идеальная тепловая машина, не может превосходить КПД идеальной машины.

Неравенство Клаузиуса.

Тепловой насос или холодильная установка. Тепловой насос — устройство для переноса теплоты от источника с более низкой температурой к источнику с более высокой температурой, охлаждающий газ в холодильниках совершает так называемый обратный цикл Карно. При этом основная передача тепла основана не на цикле Карно, а на фазовых переходах - испарении и конденсации. В принципе возможно создание холодильника использующего только цикл Карно, но при этом для достижения высокой производительности потребуется или компрессор, создающий очень высокое давление, или очень большая площадь охлаждающего и нагревающего теплообменника.

Принцип работы тепловых насосов и обычных холодильников одинаков и основан на двух хорошо знакомых всем физических явлениях: Первое: когда вещество испаряется, оно поглощает тепло, а когда конденсируется, отдает его. Этой закономерностью объясняется эффект охлаждения жидкости в бутылке, обернутой мокрой тряпкой (испаряющаяся вода отбирает часть тепла), а также более высокая поражающая способность ожога паром (температура кипящей жидкости и насыщенного пара одинакова, но энергия пара больше, поэтому такой ожог опаснее). Второе: когда давление меняется, меняется температура испарения и конденсации вещества — чем выше давление, тем выше температура, и наоборот. По этой причине в кастрюле-"скороварке" пища готовится быстрее, чем обычно (давление в ней повышается, а вслед за этим повышается и температура кипения воды). Зато в горах, где атмосферное давление ниже, чтобы сварить пищу, требуется больше времени.

Схема компрессионного теплового насоса Основными составляющими частями холодильника являются: компрессор, получающий энергию от электрической сети. конденсатор, находящийся снаружи холодильника испаритель, находящийся внутри холодильника терморегулирующий расширительный вентиль, ТРВ, являющийся дросселирующим устройством хладагент, циркулирующее в системе вещество с определёнными физическими характеристиками. Схема работы холодильника: 1. Конденсатор 2. Дроссель 3. Испаритель 4. Компрессор

Рабочий цикл Жидкий хладагент продавливается через дроссель, его давление падает, и он поступает в испаритель, где вскипает, отбирая теплоту, поставляемую коллектором из окружающей среды. Далее газ, в который превратился хладагент, всасывается в компрессор, сжимается и, нагретый, выталкивается в конденсатор. Конденсатор является теплоотдающим узлом теплонасоса: здесь теплота принимается водой в системе отопительного контура. При этом газ охлаждается и конденсируется, чтобы вновь подвергнуться разряжению в расширительном вентиле и вернуться в испаритель. После этого рабочий цикл начинается сначала.

Термодинамическое определение энтропии

Свойства энтропии

Способы реализации макросостояний Число способов Обычная вероятность A B P - 1, 2, 3, 4 1 1/16 1 2 3 4 2, 3, 4 1, 2, 3 4 4/16 1, 2 1, 3 1, 4 2, 3 2, 4 3, 4 2, 3 1, 4 1, 3 1, 2 6 6/16 1, 2, 3 1, 2, 4 1, 3, 4 2, 3, 4 4 3 2 1 4 4/16 1, 2, 3, 4 - 1 1/16

Статистическое определение энтропии: принцип Больцмана

Именно поэтому расширение газа в пустоту носит необратимый характер. А вероятность того, что в результате теплового движения все молекулы соберутся в одной половине практически равна нулю. Именно в этом состоит принцип возрастания энтропии. В этом заключается стрела времени.

Второе начало термодинамики Р. Клаузиус и У. Томсон предложили различные по виду, но эквивалентные формулировки второго закона термодинамики (1822 – 1888) (1824 – 1907) Клаузиус: невозможен процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от холодного тела к нагретому. Томсон: невозможен процесс, единственным результатом которого является совершение работы за счет охлаждения одного тела.

Устанавливает необратимость макроскопических процессов, протекающих с конечной скоростью: В замкнутой макроскопической системе при любом процессе энтропия либо возрастает, либо остается неизменной – закон возрастания энтропии. Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения. Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами. Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая, что невозможно всю внутреннюю энергию системы превратить в полезную работу.

Третье начало термодинамики