I уровень. Познакомимся с параграфом

1. Тепловые машины

Создание и развитие термодинамики было вызвано, прежде всего, необходимостью описания работы и расчета тепловых машин. Первыми тепловыми машинами были паровые двигатели. Паровые двигатели предназначались для подъема воды из шахт и были изобретены английскими инженерами в 1698 году Томасом Севери (1650 – 1715) и в 1712 году Томасом Ньюкоменом (1663 – 1715).

Широкое применение паровых машин в промышленности началось после изобретения в 1774 году Джеймсом Уаттом (1736 – 1819) паровой машины, в которой работа совершалась без использования атмосферного давления, что значительно сократило расход топлива. Уатт дополнил свои машины важнейшими механическими изобретениями, такими как преобразователь поступательного движения во вращательное, центробежный регулятор, маховое колесо и т.д.

Сейчас разработано большое количество разнообразных тепловых машин, в которых реализованы различные термодинамические циклы. Тепловыми машинами являются двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, различные тепловые турбины и т.д.

Тепловые машины или тепловые двигатели предназначены для получения полезной работы за счет теплоты, выделяемой вследствие химических реакций (сгорание топлива), ядерных превращений или по другим причинам (например, вследствие нагрева солнечными лучами). На рисунке приведена условная схема тепловой машины. Для функционирования тепловой машины обязательно необходимы следующие составляющие: нагреватель, холодильник и рабочее тело.

Принцип действия тепловых машин заключается в следующем. Нагреватель передает рабочему телу теплоту , вызывая повышение его температуры. Рабочее тело совершает работу над каким-либо механическим устройством, например, приводит во вращение турбину, и далее отдает холодильнику теплоту , возвращаясь в исходное состояние.

Наличие холодильника и передача ему части полученной от нагревателя теплоты, является обязательным, так как иначе работа тепловой машины невозможна. Действительно, для получения механической работы необходимо наличие потока, в данном случае потока теплоты. Если же холодильник будет отсутствовать, то рабочее тело неизбежно придет в тепловое равновесие с нагревателем, и поток теплоты прекратится.

В соответствии с первым началом термодинамики, при осуществлении кругового процесса, из-за возвращения рабочего тела в исходное состояние, его внутренняя энергия за цикл не изменяется. Поэтому совершенная рабочим телом механическая работа равна разности подведенной и отведенной теплоты: .

· Циклический (круговой) процесс – термодинамический процесс, в результате которого рабочее тело возвращается в первоначальное состояние.

В диа­граммах состояния круговые процессы изображаются в виде замкнутых кривых, ибо в любой диаграмме два тождественных состояния изображаются одной и той же точкой на плоскости. Круговые процессы являются основой тепловых двигателей.

Работа против внешнего давления, которую совершает ра­бочее тело в произвольном круговом процессе, измеря­ется площадью, ограниченной кривой этого процес­са. При расширении телом со­вершается положительная работа . При сжатии внешние силы совершают положительную работу . В целом за цикл рабочее тело совершает положительную работу , измеряемую закрашенной площадью на рисунке.

Прямым циклом называется круговой процесс, в котором рабочее тело совершает положительную работу за счет сообщенной ему теплоты. В диаграмме прямой цикл изображается замкнутой кривой, которая обходится по часовой стрелке.

Обратным циклом называется круговой процесс, в ко­тором рабочее тело совершает отрицательную работу. Это означает, что над рабочим телом совершается работа и от него отводится эквивалентное ей количество теплоты. В диа­грамме обратный цикл изображается замкнутой кривой, которая обходится против часовой стрелки.

2. Коэффициент полезного действия тепловой машины

Для характеристики эффективности цикла, а следовательно, и теплового двигателя по превращению внутренней энергии в механическую вводится коэффициент полезного действия (КПД) цикла или двигателя.

В результате совершения рабочего цикла изменение внутрен­ней энергии рабочего тела равно нулю , так как газ возвра­щается в начальное состояние. Согласно первому закону термодинамики работа, совершае­мая двигателем, равна: , где – количество теплоты, полученное от нагревателя; – коли­чество теплоты, отданное холодильнику.

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называется отношение работы , совершаемой двигателем, к количеству теплоты , полученному от нагревателя: или . Для любого двигателя .

3. Второе начало термодинамики

С точки зрения первого начала термодинамики возможны все процессы, при которых сохраняется энергия. Не запрещается переход тепла от менее нагретого тела к более нагретому, только при этом необ­ходимо, чтобы количество теплоты, отданное одним телом, было передано полностью другому телу. Практически выполнить это невозможно. Все процессы имеют направленность.

Второй закон термодинамики указывает направленность про­цесса, т.е. определяет условия, при которых возможны превраще­ния энергии из одного вида в другие.

Этот закон был установлен путем непосредственного обобще­ния опытных фактов и имеет несколько формулировок. Первая его формулировка (в 1850 г.) принадлежит немецкому ученому Рудольфу Клаузиусу (1822–1888): Невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах.

Формулировка английского ученого Уильяма Томсона (Кель­вина) в 1851 г. была следующей: Невозможны процессы, единственным следствием которых является совершение механической работы, произведенной в результате превращения теплоты.

Несмотря на внешние различия формулировок второго зако­на термодинамики, они равноценны и указывают на необрати­мость процессов в природе. В реальных тепловых двигателях процесс превращения теп­лоты в работу сопровождается передачей некоторого количества теплоты внешней среде. Нарушение второго закона термодинами­ки означало бы возможность создания вечного двигателя второго рода – двигателя, в котором рабочее тело совершало бы работу за счет охлаждения одного тела без каких-либо изменений в других телах. Формулировка второго закона термодинамики как невоз­можность создания теплового двигателя второго рода принадле­жит немецкому физику Вильгельму Оствальду (1853–1932) и от­носится к 1888 году.

· Вечный двигатель второго рода – воображаемая периодически действующая машина, которая получала бы энергию в форме теплоты от одного тела и целиком передавала бы ее в форме работы другому телу.