Другий закон термодинаміки та його значення

Таким чином, концепції класичної термодинаміки описують стани теплової рівноваги і рівноважні (які протікають нескінченно повільно, тому час в основні рівняння не входять) процеси. Термодинаміка нерівновагових процесів виникає пізніше - у 30-х рр. ХХ сторіччя. У ній стан системи визначається локальні термодинамічні параметри, що розглядаються як функції координат і часу.

Розділ 2

Теплові двигуни і холодильники

Неважко одержати теплову енергію за рахунок здійснення роботи, наприклад досить сильно потерти одну долоню об іншу, цієї ж мети можна досягти в будь-якому процесі за участю тертя. Однак одержати механічну роботу за рахунок теплової енергії значно складнішне, і практично корисний пристрій для цієї мети було винайдено лише близько 1700р. на основі парової машини.

Мал.1 Мал.2Основна ідея, що лежить в основі будь-якого теплового двигуна, полягає в тому, що механічна енергія може бути отримана за рахунок теплової, тільки якщо дати можливість теплоті переходити з області з високою температурою в область з низькою температурою, причому в процесі цього переходу частина теплоти може бути перетворена в механічну роботу. Висока Тн і низька TL температури називаються робочими температурами двигуна, і надалі для спрощення ми будемо вважати, що ці температури забезпечуються двома термостатами, що знаходяться при постійних температурах Тн і TL. Нас будуть цікавити тільки теплові двигуни, що роблять періодичні робочі цикли (тобто вся система періодично повертається у вихідний стан) і в такий спосіб можуть діяти постійно.

Сучасні парові двигуни підрозділяються на два основних типи. У двигунах так званого оборотного типу нагріта пара проходить через впускний клапан і потім розширюється в просторі під поршнем, змушуючи його рухатися; після того як поршень повертається у своє вихідне положення, він витісняє гази через випускний клапан. У паровій турбіні відбувається, власне кажучи, те ж саме; розходження лише в тому, що поршень який рухається обертально-поступально замінюється турбіною, яка обертається і нагадує колесо греблі з численними лопастями. За допомогою парових турбін1* виробляється велика частина одержуваної в даний час електроенергії. Речовина, що нагрівається і охолоджується (у даному випадку пара), називається робочим тілом. У паровому двигуні висока температура досягається за рахунок спалювання вугілля, чи нафти, іншого палива; при цьому нагрівається пара. У двигуні внутрішнього згоряння висока температура досягається за рахунок згоряння робочої суміші (бензину з повітрям) всередині циліндру двигуна; запалення суміші відбувається за допомогою іскри.

З'ясуємо тепер, чому для практичної роботи двигуна необхідна різниця температур; розглянемо це на прикладі парового двигуна. Нехай у паровому двигуні оборотнього типу, не було б ні конденсатора, ні насоса, щоб пара мала однакову температуру у всій системі. Це означало б, що тиск пари при його випуску був би таким же, як і під час впуску. Тоді робота, яку виконала пара над поршнем при своєму розширенні після впуску, дорівнювала б роботі, що зробив поршень над парою при його випуску; у кінцевому рахунку не було б зроблено ніякої результуючої роботи. У реальному двигуні газ, що випускається, охолоджується до більш низької температури і конденсується, так що тиск при випуску менший, ніж тиск при впуску. Тоді робота, що повинен виконати поршень для виштовхування пари з циліндра на стадії випуску, буде менше, ніж робота, яку виконає пара над поршнем на стадії впуску. У такий спосіб може бути отримана деяка результуюча робота, але для цього, як тепер зрозуміло, необхідна різниця температур. Аналогічно, якби пара в паровій турбіні не охолоджувалася, то й тиск по обох сторонах кожної лопатки був би однаковим і турбіна не стала б обертатися. Охолодження пари з боку лопасті, поверненої до випускного клапана , приводить до того, що тиск пари з боку лопасті, поверненої до впускного клапана, стає більше й у результаті турбіна обертається.

Принцип дії холодильника чи іншого теплового насоса (наприклад, використовується для створення теплового потоку ззовні усередину будинку чи навпаки; в останньому випадку пристрій називається повітряним конденціонером) складається в обертанні робочих стадій теплового двигуна. Використовуючи роботу W, можна відібрати деяку кількість теплоти з області із низькою температурою TL (наприклад, із внутрішнього обсягу холодильника) і потім віддати більшу кількість теплоти в область із високою температурою Тн (наприклад, у кімнату).

1} Навіть на атомних електростанціях (АЕС) застосовуються парові турбіни; ядерне паливо (уран) необхідно лише для нагрівання пари

Ви можете без праці відчути цю теплоту, підносячи руку до задньої стінки холодильника. Робота W відбувається звичайно мотором компресора, що стискає робоче тіло.