Механика, молекулярная физика и термодинамика
Методическое пособие - Физика
Другие методички по предмету Физика
совершение им работы против внешних сил:
.
2.5. Адиабатический процесс
Адиабатическим называется процесс, при котором отсутствует теплообмен
(Q = 0) между физической системой и окружающей средой. Близкими к адиабатическим являются все быстропротекающие процессы. Из первого начала термодинамики для адиабатического процесса следует, что , т.е. работа совершается за счет убыли внутренней энергии системы. Используя первое начало термодинамини и соотношение (44) можно получить уравнения адиабатического процесса
.
Вычислим работу, совершаемую газом в адиабатическом процессе. Если газ расширяется от объема V1 до V2, то его температура падает от T1 до T2 и работа расширения идеального газа
.
Это выражение для работы при адиабатическом процессе можно преобразовать к виду
.
- Обратимые и необратимые процессы. Коэффициент полезного действия теплового двигателя.
К обратимым процессам относятся процессы, после проведения которых в прямом и обратном направлениях в окружающих систему телах не остается никаких изменений. Для обратимых процессов характерно следующее: если в ходе прямого процесса система получила количество тепла Q и совершила работу А, то в ходе обратного процесса система отдает количество тепла Q=-Q и над ней совершается работа А=-А. К обратимым процессам относятся все равновесные процессы. В случае необратимого процесса, после возвращения системы в исходное состояние, в окружающих систему телах остаются изменения (изменяются положения тел и их температуры). Все реальные процессы в большей или меньшей степени необратимы.
В процессе преобразования тепла в работу используется тепловой двигатель, работающий по какому либо круговому процессу (циклу). Коэффициент полезного действия такого двигателя (термический К.П.Д.) определяет долю тепла, превращаемую в работу.
,
где А - работа, совершенная двигателем за цикл, Q1- количество тепла, полученного двигателем, Q2- количество тепла, отданного двигателем в окружающую среду.
Работу теплового двигателя можно представить на диаграмме состояний в виде некоторого теплового кругового процесса (рис.19).
Общая работа А определяется площадью цикла 1а2в1. Если за цикл совершается А>0, то цикл называется прямым, и если А<0, обратным.
Прямой цикл используется в тепловом двигателе, совершающем работу за счет получения извне теплоты. Обратный цикл используется в холодильных машинах, в которых за счет работы внешних сил теплота переносится к телу с более высокой температурой (рис.20).
Важной задачей термодинамики является изучение процессов преобразования тепла в работу и установления возможных границ повышения термического К.П.Д.
- Второе начало термодинамики
Анализ выражения для К.П.Д. показывает, что максимальный К.П.Д. равный 1 возможен, если двигатель все получаемое количество тепла будет преобразовывать в работу. Все опытные факты свидетельствуют о невозможности создания такого двигателя (вечный двигатель второго рода) и это было сформулировано в виде второго начала термодинамики.
Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара
Вильям Томсон (лорд Кельвин).
Теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к телу более нагретому
Рудольф Клаузиус.
Второе начало термодинамики не только установило границы преобразования тепла в работу, но и позволило построить рациональную шкалу температур (термодинамическая шкала температур) и установить направление процессов, происходящих в теплоизолированных системах.
2.8. Цикл Карно и теорема Карно.
В 1824 г. С. Карно предложил и исследовал идеальный тепловой цикл, названный в последствии циклом Карно. Этот цикл состоит из двух изотерм и двух адиабат (рис.21). Карно также сформулировал две теоремы, определяющие максимальное значение К.П.Д. теплового двигателя.
Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур Т1 и Т2 нагревателя и холодильника, но не зависит от устройства машины, а также от вида используемого рабочего вещества.
Коэффициент полезного действия всякой тепловой машины не может превосходить коэффициента полезного действия идеальной машины, работающей по циклу Карно с теми же самыми температурами нагревателя и холодильника.
Рис. 2112, 34, изотермические расширение и сжатие,
23, 4-1 адиабатические расширение и сжатие.
В процессе 12 , поэтому
Q1 =.
В процессе 34 U = const, поэтому
.
Используя соотношения (48) можно показать, что . Тогда
.
2.9. Термодинамическое неравенство Клаузиуса. Энтропия
Рассматривая процессы превращения тепла в работу, Р. Клаузиус сформулировал термодинамическое неравенство, носящее его имя.
Приведенное количество тепла, полученное системой в ходе произвольного кругового процесса, не может быть больше нуля
где Q количество тепла, полученного системой при температуре Т, Q1 - количество тепла, получаемое системой от участков окружающей среды с температурой Т1, Q2 количество тепла, отдаваемое системой участкам окружающей среды при температуре Т2. Неравенство Клаузиуса позволяет установить верхний предел термического К.П.Д. пр?/p>