Термодинамический и молекулярно-кинетический способы описания. Нулевое начало термодинамики. Внутренняя энергия термодинамической системы. Первое и второе начало термодинамики

тело отдает тепло), следовательно, при необратимом процессе передачи тепла энтропия должна расти. Если бы тепло от холодного тела передавалось нагретому, то получили бы , что противоречит первой из приведённых формулировок второго начала термодинамики.

Отсюда следует, что машина с к.п.д. 100 %, т.е. вечный двигатель второго рода невозможен, так как .

Следовательно, если в процессе передачи тепла  температура нагревателя превышает температуру рабочего тела тепловой машины, то этот процесс необратим. Циклический процесс, происходящий с рабочим телом машины, может быть обратимым, т.е. может быть проведен в обратном направлении, но все тепло  при этом в нагреватель не вернется.

Единственным обратимым процессом передачи тепла является изотермический процесс. Все циклические процессы, при которых процесс передачи тепла не является изотермическим, будут приводить к необратимым изменениям в системе нагреватель - тепловая машина - холодильник.

Цикл Карно

Легко увидеть, что в системе нагреватель - рабочее тело - холодильник существует единственный циклический процесс, для которого прием тепла от нагревателя и передача тепла холодильнику обратимы. Такой цикл состоит из двух изотерм и двух адиабат (рис.2.12) и называется циклом Карно.

При этом система последовательно приводится в тепловой контакт с единственным нагревателем и единственным холодильником. Передача тепла осуществляется изотермически при температуре нагревателя  или при температуре холодильника . При адиабатических переходах передачи тепла нет.

Вычислим к.п.д. цикла Карно. Для этого изобразим его на диаграмме Т – S (рис.2.14), принимая во внимание, что для адиабаты энтропия постоянна. Так как передаваемая теплота равна площади под кривой процесса на Т — S диаграмме , то

 и .

Можно вычислить к.п.д. цикла Карно другим способом, учитывая, что энтропия системы, совершающей этот обратимый цикл (рис.2.14), не должна измениться:

, так как при адиабатическом процессе .

Отсюда  и .

Таким будет к.п.д. всех машин, работающих по циклу Карно, независимо от того, какое рабочее тело (идеальный газ или что-либо другое) используется в них — это утверждение называется первой теоремой Карно.

Рассмотрим теперь работу произвольной тепловой машины с обратимым циклом. Заметим, что совершаемая машиной работа  равна площади внутри кривой цикла на диаграмме Т — S (рис.2.15).

Нагреватель отдает тепло  при температуре , а холодильник получает тепло  при температуре  (рис.2.16).

Процесс передачи тепла для всех машин, кроме машины Карно, необратим. Поэтому изменение энтропии всей системы "нагреватель - машина - холодильник" за один полный цикл  (энтропия не может убывать).

Последнее выражение называется неравенством Клаузиуса для тепловых машин. При его выводе учтено, что в результате обратимого циклического процесса энтропия рабочего тела машины не изменяется: .

Отсюда следует, что  (знак равенства справедлив только для идеального цикла Карно), и к.п.д. любой машины меньше к.п.д. цикла Карно .

Этот результат носит название второй теоремы Карно и является еще одной формулировкой второго начала термодинамики, которая утверждает, что к.п.д. цикла Карно является максимальным для всех возможных тепловых машин, иначе говоря, к.п.д. любого другого обратимого или необратимого цикла меньше к.п.д. цикла Карно.

Для цикла Карно должен существовать один нагреватель и один холодильник.

Пример. Холодильник.

Обратимый цикл можно провести в обратном направлении (рис.2.18). Тогда за счет совершения работы А над системой она будет забирать тепло  у холодного тела и отдавать нагретому телу тепло .

Коэффициентом преобразования холодильника называется отношение теплоты, отобранной у холодного тела, к произведенной работе: .

Пример. Кондиционер.

Это тот же холодильник, в котором морозильником является охлаждаемая комната, а нагретым теплообменником - улица (рис.2.19).

Пример. Тепловой насос.

Было показано, что для отопления комнаты эффективнее сжигать топливо в самой комнате (например, в печке - "буржуйке"), чем использовать центральную систему отопления. Практически вся выделяющаяся при горении теплота расходуется при этом на нагревание комнаты