Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и для самообразования - Яворский Б.М.
Скачать (прямая ссылка):
а) невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в фор-
150
ОТДЕЛ ii. ГЛ. 4. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
ме теплоты от менее нагретого тела к более нагретому телу (формулировка Клаузиуса);
б) невозможен периодический процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу (формулировка Кельвина).
Второй закон термодинамики может быть сформулирован в виде теоремы Карно (11.4.8.3°—5°).
3°. Второй закон термодинамики указывает на необратимость процесса превращения одной формы передачи энергии — работы в другую форму передачи энергии — теплоту. Например, при относительном движении двух тел с трением происходит необратимый переход энергии упорядоченного движения тела как целого (обратимого перехода быть не может) в энергию беспорядочного теплового движения частиц этих двух тел (см. также 11.4.3.3°).
В формулировках второго закона термодинамики особое значение имеют слова «единственным результатом». Запреты, которые накладываются вторым законом термодинамики, снимаются, если процессы, о которых идет речь, не являются единственными. Передача энергии в форме теплоты от менее нагретого тела к более нагретому возможна, если при этом происходит еще один компенсирующий процесс, осуществляемый, например, в холодильной установке (II.4.11.Г). При изотермическом расширении идеального газа совершается работа, полностью эквивалентная теплоте, сообщаемой газу (11.4.5.3°), но это не является нарушением второго закона термодинамики. При расширении газа возрастает его удельный объем (11.3.1.6°), и состояние газа изменяется. Поэтому превращение теплоты в работу не является единственным результатом рассматриваемого процесса. В обычно применяемой терминологии под «переходом теплоты в работу» следует понимать переход внутренней энергии неупорядоченного движения частиц в энергию упорядоченного движения тел (11.4.3.3°).
4°. Третий закон термодинамики рассматривает поведение термодинамической системы при Т->0*). Третий закон термодинамики приводит к недостижимости абсолютного нуля температуры. Для всех тел при абсолютном нуле обращаются в нуль теплоемкости и коэффициенты расширения (11.4.4.1°, 11.7.3.2°, 3°).
*) Строгая формулировка третьего закона термодинамики не может быть дана в справочном руководстве по элементарной физике.
4.10. ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
151
4.10. Тепловой двигатель
Нагреватель
'тмзи
Рис. II.4.5
1°. Тепловым двигателем называется устройство, которое превращает внутреннюю энергию обычного или ядерного (VI.4.12.7°) топлива в механическую энергию. Энергия, которая выделяется при сгорании топлива или при ядерных реакциях (VI.4.8. Г), передается путем теплообмена (II.4.3.Г) какому-либо газу или жидкости. При расширении их совершается работа против внешних сил и приводится в движение какой-нибудь механизм.
2°. Газ в тепловом двигателе не может беспредельно расширяться, ибо устройство имеет конечные размеры. Поэтому устройство должно быть таким, чтобы после расширения газ был бы снова сжат до первоначального объема. Тепловой двигатель должен работать циклически: в течение цикла (11.4.7. Г) после расширения следует сжатие газа.
Реальные тепловые двигатели работают по разомкнутому циклу: после расширения газ выбрасывается, и сжимается новая порция. Термодинамические процессы (II.3.2.Г), происходящие в тепловом двигателе, могут быть рассмотрены в замкнутом цикле, когда расширяется и сжимается одна и та же порция газа.
3°. Работа расширения газа в течение одного цикла должна превышать работу сжатия, которую совершают над газом внешние силы. Это условие необходимо для того, чтобы двигатель мог совершать полезную работу. Температура газа при его сжатии должна быть ниже, чем при расширении. Тогда давление газа во всех промежуточных состояниях при сжатии будет меньше, чем при расширении, и будет выполнено условие, необходимое для совершения двигателем полезной работы.
4°. Любой тепловой двигатель, независимо от его конструктивных особенностей, состоит из трех основных частей: рабочего тела, нагревателя и холодильника (рис. 11.4.5). Рабочее тело — газ или пар (11.5.1.1°) — при расширении совершает работу, получая от нагревателя некоторое количество теплоты Q1. Температура T1 нагревателя остает-
152
отдел ii. гл. 4. основы термодинамики
ся при этом постоянной за счет сгорания топлива. При сжатии рабочее тело передает некоторое количество теплоты Q2 холодильнику — телу постоянной температуры T2, меньшей, чем T1. Давление газа при сжатии ниже, чем при расширении, и это обеспечивает полезную работу двигателя (п. 3°). Холодильником может служить и окружающая среда (двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели). Коэффициент полезного действия теплового двигателя вычисляется по формуле, приведенной в 11.4.8.2°.
4.11. Холодильная установка
Г. Холодильной установкой называется циклически действующее устройство, которое поддерживает в холодильной камере температуру более низкую, чем в окружающей среде. Это осуществляется путем перехода некоторого количества теплоты от холодного тела к телу с более высокой температурой. Такой переход не противоречит второму началу термодинамики (11.4.9.2°), ибо этот переход теплоты не является единственным процессом. Происходит компенсирующий процесс (11.4.9.3°) превращения механической энергии окружающих тел во внутреннюю энергию нагревателя.
