Круговые процессы. Второе начало термодинамики.

Круговым процессом, или циклом, называется такой процесс, когда система, пройдя через ряд промежуточных состояний, возвращается в исходное состояние. Графически круговой процесс изображен на рис. 6.8 замкнутой кривой и состоит из участка расширения (1а2) и сжатия (2b1).

Рис.6.8

Для расширения газу от тела с температурой Т₁, называемогонагревателем, сообщается количество теплотыQ₁. В процессе сжатия газ отдает количество теплотыQ₂телу с температурой Т₂< Т₁, называемомухолодильником.

Если цикл идет по часовой стрелке, то он называется прямым. Положительная работа расширения А, совершаемая газом и численно равная площади фигуры (V₁1a2V₂), больше отрицательной работы сжатия А₂, совершаемой над газом и выражаемой площадью фигуры (V₂2b1V₁). Следовательно, работа А, совершенная за цикл и численно равная площади фигуры(1а2b1), будет положительна:

А = А₁– А₂> 0

Прямой цикл используется в тепловых машинах– периодически действующих устройствах, превращающих тепло, полученное от нагревателя, в работу А.

Так как в результате кругового процесса система возвращается в исходное состояние, то изменение внутренней энергии, как функции состояния, ΔU= 0.

Следовательно, согласно первого закона термодинамики (6.21) для кругового процесса

Q=A

Учитывая, что Q=Q₁–Q₂, имеем:

А = Q₁–Q₂

Определим термический коэффициент полезного действияцикла, как отношение работы А к полученной системой теплоте:

(6.46)

Может ли КПД теплового двигателя быть равен 100 %?

Это будет (согласно 6.46) только, если Q₂= 0. Как показал С. Карно, такое невозможно: для работы теплового двигателя необходимо часть тепла, полученного от нагревателя, отдать холодильнику. Это утверждение о невозможности создания теплового двигателя, работающего с одним только источником теплоты (вечный двигатель второго рода) составляет содержаниевторого закона термодинамики: невозможен вечный двигатель второго рода, т.е. процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты, полученной от нагревателя, в работу.

Цикл (рис.6.8) может идти и против часовой стрелки. Тогда его работа будет отрицательна. Такой цикл называется обратным и используется в холодильных машинахдля переноса (за счет работы внешних сил) теплоты от тела с более высокой температурой к телу с температурой более низкой. Процесс перехода системы из состояния 1 в состояние 2 называетсяобратимым, если после возвращения системы в исходное состояние ни в системе, ни в окружающей среде никаких изменений не происходит. Любой процесс, не удовлетворяющий этим условиям, называетсянеобратимым.

Все реальные процессы необратимы. Примером необратимости является процесс теплообмена, при котором теплота самопроизвольно переходит от горячего тела к холодному, однако обратного самопроизвольного процесса произойти не может.

Таким образом, обратимые процессы – понятие идеализированное. Однако их изучение важно, поскольку многие реальные процессы в природе и технике близки к обратимым, и именно они являются наиболее экономичными.