IV. Второй закон термодинамики

1. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины

где A – работа, совершенная тепловой машиной за цикл;

Q_н – количество теплоты, полученное от нагревателя за цикл;

Q_х – количество теплоты, переданное холодильнику за цикл.

2. КПД идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно

где T_х – температура холодильника; T_н – температура нагревателя.

3. Бесконечно малое изменение энтропии термодинамической системы .

Изменение энтропии при переходе системы из состояния 1 в состояние 2: .

4. Энтропия одного моля идеального газа (определяется с точностью до аддитивной постоянной):

5. Изменение энтропии одного моля идеального газа при переходе системы из состояния 1 в состояние 2:

6. Аддитивность энтропии:

7. Связь между энтропией и статистическим весом (формула Больцмана): ,

где Ω – статистический вес.

Примеры решения задач

Задача 1. Цикл состоит из двух изохор и двух адиабат. Отношение наибольшего объема газа к наименьшему в цикле равно 8. Рабочим веществом является одноатомный идеальный газ. Определить КПД цикла.

Дано: Решение:

i = 3

КПД тепловой машины определяется отношением работы за цикл к количеству теплоты, получаемому рабочим телом за цикл:

Применим первый закон термодинамики для адиабатных процессов. С учетом выражения для изменения внутренней энергии и определения адиабатного процесса получаем

В данном цикле работа равна алгебраической сумме работ, выполняемых системой в двух адиабатных процессах . В изохорных процессах 2-3 и 4-1 работа не совершается.

Для процесса 4-1 применим уравнение изохорного процесса:

Так как р₁ > р₄, то T₁ > T₄. Газ получает количество теплоты от нагревателя. Это количество теплоты, согласно первому закону термодинамики, равно

Для КПД цикла получаем

Применим уравнение Пуассона для процессов 3-4 и 1-2. Применим уравнение изохорного процесса для процессов 4-1 и 2-3. Получим систему из четырех уравнений:

, .

Решая систему уравнений, получаем

Таким образом, КПД цикла

Применим уравнение Пуассона в параметрах ТV для процесса 1-2:

Окончательное выражение для КПД цикла:

Правая часть уравнения является безразмерной.

Учитывая, что для одноатомного идеального газа i = 3, γ = 5/3, производим вычисления:

Ответ: 0,75 (75 %).

Задача 2. Азот совершает цикл Карно. Определить КПД цикла, если при адиабатном расширении объем газа увеличивается в 3 раза.

Дано: Решение:

КПД цикла Карно .

i = 5 Определим T_х/T_н, воспользовавшись уравнением

Пуассона для процесса адиабатного

расширения газа:

Для КПД цикла Карно получаем

Правая часть выражения является безразмерной.

Учитывая, что для азота , производим вычисления:

Ответ: 0,36 (36 %).

Задача 3. Идеальный газ с коэффициентом Пуассона γ=5/3 совершает процесс, в котором давление изменяется по закону p=p₀–αV, где р₀=0,1 МПа, α=50 кПа/м³. При каком значении объема энтропия газа будет максимальной?

Дано: Решение: