Теплотехника

Юсупов В.Ш

на направление процессов передачи тепла между телами.

Второе начало термодинамики запрещает

так называемые вечные двигатели второго рода, показывая, что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю (невозможно построить замкнутый цикл, проходящий через точку с нулевой температурой).

Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.

процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более

холодного тела к более горячему» (такой процесс называется процессом Клаузиуса).
Постулат Томсона (Кельвина): «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара» (такой процесс называется процессом Томсона).

постулат Клаузиуса неверен, то есть существует процесс, единственным результатом которого

была бы передача тепла от более холодного тела к более горячему. Тогда возьмем два тела с различной температурой (нагреватель и холодильник) и проведем несколько циклов тепловой машины, забрав тепло у нагревателя, отдав холодильнику и совершив при этом работу . После этого воспользуемся процессом Клаузиуса и вернем тепло
от холодильника нагревателю. В результате получается, что мы совершили работу только за счет отъёма теплоты от нагревателя, то есть постулат Томсона тоже неверен.

отнять часть тепла у более холодного тела и превратить в

механическую работу. Эту работу можно превратить в тепло, например, с помощью трения, нагрев более горячее тело. Значит, из неверности постулата Томсона следует неверность постулата Клаузиуса.

Таким образом, постулаты Клаузиуса и Томсона эквивалентны.

основывается на представлении об энтропии как о функции состояния системы,

что также должно быть постулировано.

Для любой квазиравновесной термодинамической системы существует однозначная функция термодинамического состояния , называемая энтропией, такая, что ее полный дифференциал .

В состоянии с максимальной энтропией макроскопические необратимые процессы (а процесс передачи тепла всегда является необратимым из-за постулата Клаузиуса) невозможны.

энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск Законы термодинамики

Статья является частью

серии «Термодинамика».
Исходные положения термодинамики
Первый закон термодинамики
Второй закон термодинамики
Третий закон термодинамики
Разделы термодинамики
Начала термодинамики
Уравнение состояния
Термодинамические величины
Термодинамические потенциалы
Термодинамические циклы
Фазовые переходы

представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем.

Первое начало термодинамики

было сформулировано в середине XIX века в результате работ немецкого учёного Ю. Р. Майера, английского физика Дж. П. Джоуля и немецкого физика Г. Гельмгольца. Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.

запас энергии остаётся постоянным.[2] Это — формулировка Дж. П. Джоуля

(1842 г.).

Количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии и совершение работы против внешних сил

Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе, то есть, оно зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход. Это определение особенно важно для химической термодинамики[2] (ввиду сложности рассматриваемых процессов). Иными словами, внутренняя энергия является функцией состояния. В циклическом процессе внутренняя энергия не изменяется.

,сообщённому системе, в сумме с изменением энергии, связанной

с количеством вещества при химическом потенциале , и работы [3], совершённой над системой внешними силами и полями, за вычетом работы , совершённой самой системой против внешних сил

и малого приращения внутренней энергии первый закон

термодинамики имеет вид:

совершённую над системой, а вторая — работу, совершённую самой системой,

подчёркивает, что эти работы могут быть совершены силами разной природы вследствие разных источников сил.
Важно заметить, что и являются полными дифференциалами, а и — нет.

, то это означает, что тепло к системе подводится.
Если

, аналогично — тепло отводится.
Если , то система не обменивается теплом с окружающей средой и называется адиабатически изолированной.

знака. Общее количество теплоты, которое мы назвали просто

— это алгебраическая сумма количеств теплоты, сообщаемых на всех участках этого процесса. В ходе процесса теплота может поступать в систему или уходить из неё разными способами.

,

, , выполнение системой работы приводит к тому, что , и энергия системы
убывает. Поскольку запас внутренней энергии ограничен, то процесс, в котором система бесконечно долгое время выполняет работу без подвода энергии извне, невозможен, что запрещает существование вечных двигателей первого рода.

Здесь — масса газа, — молярная масса газа, — молярная

теплоёмкость при постоянном объёме, — давление, объём и температура газа соответственно, причём последнее равенство верно только для идеального газа.

обратимый круговой процесс, состоящий из двух адиабатических и двух изотермических

процессов[1]. В процессе Карно термодинамическая система выполняет механическую работу и обменивается теплотой с двумя тепловыми резервуарами, имеющими постоянные, но различающиеся температуры. Резервуар с более высокой температурой называется нагревателем, а с более низкой температурой — холодильником].

Карно, который впервые его описал в своём сочинении «О движущей

силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» в 1824 году[].

мощность тепловой машины в цикле Карно равна нулю. Мощность реальных

тепловых машин не может быть равна нулю, поэтому реальные процессы могут приближаться к идеальному обратимому процессу Карно только с большей или меньшей степенью точности. В цикле Карно тепловая машина преобразует теплоту в работу с максимально возможным коэффициентом полезного действия из всех тепловых машин, у которых максимальная и минимальная температуры в рабочем цикле совпадают соответственно с температурами нагревателя и холодильника в цикле Карно[5

вода до её поступления в котельный агрегат подвергается предварительному нагреву

паром, отбираемым из промежуточной ступени паровой турбины. Подогрев реализуется посредством специального теплообменника - регенеративного подогревателя.

этом экономия теплоты в цикле возрастает с повышением начального давления

p1 пара. Это связано с тем что с повышением p1 увеличивается температура кипения воды, а следовательно повышается количество теплоты, которое можно подвести к воде при подогреве её отработанным паром. В настоящее время регенеративный подогрев применяется на всех крупных электростанциях.

Т.к. процессе 1а2б1 обратимый, то для него справедливо равенство Клаузиуса
Разобьем

этот интеграл на два: по пути 1а2 и 2б1

Поменяем пределы интегрирования второго интеграла

или

в другое не зависит от формы (пути) перехода в случае

обратимых процессов. Последнее утверждение носит название теоремы Клаузиуса.