Перш ніж переходити до викладу другого закону термодинаміки, розглянемо кругові процеси. Круговим процесом, або циклом, називається такий процес, в результаті якого термодинамічне тіло повертається в початковий стан. У діаграмах стану P, V та інших кругові процеси зображується у вигляді замкнутих кривих (рис. 5.1). Це пов'язано з тим, що в будь-який діаграмі два тотожних стану (початок і кінець кругового процесу) зображуються однією і тією ж точкою на площині.
Цикл, який чинять ідеальним газом, можна розбити на процессирасшіренія (1 - 2) і стиснення (2 - 1) газу. Робота розширення (визначається площею фігури 1a 2V2V1 1) позитивна (), робота стиснення (визначається площею фігури 2b 1V1V2 2) негативна (dV <0). Следовательно, работа, совершаемая за цикл, определяется площадью, охваченной замкнутой кривой. Если за цикл совершается положительная работа
(Цикл протікає за годинниковою стрілкою), то він називається прямим (рис. 5.1). Якщо за цикл відбувається негативна робота
(Цикл протікає проти годинникової стрілки), то він називається зворотним (рис. 5.2).
Кругові процеси лежать в основі всіх теплових машин: двигунів внутрішнього згоряння, парових і газових турбін, парових та холодильних машин і т. Д.
В результаті кругового процесу система повертається в початковий стан, і отже повна зміна внутрішньої енергії газу дорівнює нулю. Тому перший закон термодинаміки для кругового процесу
тобто робота, що здійснюються за цикл, дорівнює кількості отриманої ззовні теплоти. Однак в результаті кругового процесу система може теплоту як отримувати, так і віддавати, тому
де Q1 - кількість теплоти, отримане системою; Q2 - кількість теплоти, віддане системою.
Тому термічний коефіцієнт корисної дії для кругового процесу
Всі термодинамічні процеси, в тому числі і кругові, ділять на дві групи: оборотні та необоротні.
Процес називають оборотним, якщо він протікає таким чином, що після закінчення процесу він може бути проведений в зворотному напрямку через все ті ж проміжні стану, що і прямий процес. Після проведення кругового оборотного процесу ніяких змін в середовищі, що оточує систему, не відбудеться. При цьому під середовищем розуміється сукупність всіх не входять в систему тіл, з якими система безпосередньо взаємодіє.
Процес називається необоротним, якщо він протікає так, що після його закінчення систему не можна повернути в початковий стан через колишні проміжні стану. Не можна здійснити незворотний круговий процес, щоб ніде в навколишньому середовищу не залишилося ніяких змін.
Властивість оборотності мають тільки рівноважні процеси. Кожне проміжне стан є станом термодинамічної рівноваги, нечутливого до того, чи йде процес в прямому або зворотному напрямку.
Наприклад, оборотним можна вважати процес адіабатичного розширення ілісжатія газу. При адіабатичному процесі умова Теплоізолювання системи виключає безпосередній теплообмін між системою і середовищем. Тому, проводячи адіабатичне розширення газу. а потім стиснення. можна повернути газ в початковий стан так, що в навколишньому середовищі ніяких змін не відбудеться. Звичайно, в реальних умовах, і в цьому випадку, завжди є деяка незворотність процесу, обумовлена, наприклад, недосконалістю теплоізоляції, тертям при русі поршня і т.д.
Тільки в оборотних процесах теплота використовується за призначенням, не витрачається даремно. Якщо процес нерівноважний, то буде необоротний перехід, тобто частина енергії піде (необоротно).
Максимальним ККД мають машини, у яких тільки оборотні процеси.
Реальні процеси супроводжуються диссипацией енергії (через тертя, теплопровідності і т.д.), яка нами не розглядається. Зворотні процеси - це в якійсь мірі ідеалізація реальних процесів. Їх розгляд важливо з двох причин:
· Багато процесів в природі і техніці практично оборотні;
· Зворотні процеси є найбільш економічними і призводять до максимального значення термічного коефіцієнта корисної дії теплових двигунів.
Тепловий машінойназивается періодичний діючий двигун, що здійснює роботу за рахунок одержуваного ззовні тепла.
Будь-яка теплова машина працює за принципом кругового (циклічного) процесу, тобто повертається в початковий стан (рис. 5.1). Але щоб при цьому була здійснена корисна робота, повернення повинен бути проведений з найменшими витратами.
Корисна робота дорівнює різниці робіт розширення і стиснення, тобто дорівнює площі, обмеженої замкнутою кривою.
Обов'язковими частинами теплової машини є нагрівач (джерело енергії), холодильник, робоче тіло (газ, пар).
Навіщо холодильник? Так як в тепловій машині реалізується круговий процес, то повернутися в початковий стан можна з меншими витратами, якщо віддати частину тепла. Або якщо охолодити пар, то його легше стиснути, отже робота стиснення буде менше роботи розширення. Тому в теплових машинах використовується холодильник.
Прямий цикл використовується в тепловому двигуні - періодично діючої теплової машині, що здійснює роботу за рахунок отриманої ззовні теплоти. Розглянемо схему теплового двигуна (рис. 5.3). Від термостата з більш високою температурою Т1. званого нагрівачем, за цикл віднімається кількість теплоти Q1. а термостата з більш низькою температурою Т2. званому холодильником, за цикл передається кількість теплоти Q2 і відбувається робота A:
Зворотний цикл використовується в холодильних машинах - періодично діючих установках, в яких за рахунок роботи зовнішніх сил теплота переноситься до тіла з більш високою температурою. Принцип дії холодильної машини представлений на малюнку 5.4. Системою за цикл поглинається при низькій температурі Т2 кількість теплоти Q2 і віддається при більш високій температурі Т1 кількість теплоти Q1 за рахунок роботи зовнішніх сил А.
Грунтуючись на другому початку термодинаміки, Карно вивів теорему. носить тепер його ім'я:
З усіх періодично діючих теплових машин, що мають однакові температури нагрівачів і холодильників, найбільшим ККД мають оборотні машини. Причому ККД оборотних машин, що працюють при однакових температурах нагрівачів і холодильників, дорівнюють один одному і не залежать від конструкції машини і від природи робочого вещества.Прі цьому ККД менше одиниці.
Цикл, вивчений Карно, є найекономічнішим і являє собою круговий процес, що складається з двох ізотерм і двох адіабати (рис. 5.5).
Розглянемо прямий цикл Карно, в якому в якості робочого тіла використовується ідеальний газ, укладений в посудину з рухомим поршнем. Визначимо його ККД.
Розглянемо круговий процес, при якому тепло можна перетворити в роботу, до того ж найкращим чином, тобто щоб робота була максимальна. Нагадаю, що теплової машиною називається періодично діючий двигун, що здійснює роботу за рахунок одержуваного ззовні тепла і має нагрівач, холодильник і робоче тіло. Так ось будемо вважати, що нагрівач і холодильник мають нескінченну теплоємність, тобто їх температури не змінюються в процесі передачі тепла.
Розглянемо процес спочатку якісно. Почнемо процес з т. А. Газ стиснутий до тиску Р0 і знаходиться в контакті з нагрівачем при Т1. Розширення газу при якому процесі дасть максимальну роботу? Згадаймо закон збереження енергії в термодинаміці. або I початок:
В ізотермічному процесі dU = 0, значить все тепло перейде в роботу:
Отже, на ділянці АВ - ізотермічний розширення при температурі Т1 (процес теплопередачі не відбувається, тому що немає різниці температур, не відбувається і передача тепла без здійснення роботи, тобто процес оборотний).
Отримане робочим тілом тепло потрібно передати холодильника. Але якщо просто привести до зіткненню з холодильником, то буде передача тепла без здійснення роботи. Тому потрібно спочатку робоче тіло охолодити до Т2 (а охолоджувати без витрат тепла - це адіабатичне розширення ділянку ВС), а потім вже приєднувати до холодильника. Адіабатичним розширенням закінчується перша половина циклу - вчинення корисної роботи.
Тепер необхідно повернути робоче тіло в початковий стан, тобто стиснути газ до Р0. Контакт з нагрівачем знову не слід робити, поки робоче тіло не прийме температуру нагрівача (Т1).
Повернення в т. А знову відбувається в два етапи: спочатку робоче тіло стискають, не перериваючи контакту з холодильником, при цьому холодильника віддається тепло Q2 (ізотермічний стиск СD). Потім ізолюють тіло від холодильника, адіабатно стискають його, при цьому температура його підвищується до Т1 (D А). Робоче тіло при адіабатичному стисненні нагрівається за рахунок зовнішньої роботи, яку здійснюють над ним.
Як бачимо, на всіх стадіях кругового процесу ніде не допускається зіткнення тіл з різною температурою, тобто немає необоротних процесів теплопровідності. Весь цикл проводиться оборотно (нескінченно повільно).
Знайдемо корисну роботу циклу Карно.
Процес А-В. Позитивна робота, здійснена газом пріізотерміческом розширенні одного благаючи газу від V0 до V1.
Тепло, отримана від нагрівача Q1. йде на ізотермічний розширення газу, здійснюючи при цьому роботу А1:
Процес В-С - адіабатичне розширення. При адіабатичному розширенні теплообмін з навколишнім середовищем відсутній і робота розширення А2 відбувається за рахунок зміни внутрішньої енергії.
Тиск при цьому зміниться до Р2. Отримана робота на цій стадії:
Процес С-D - ізотермічний стиск. На третьому етапі газ ізотермічний стискається V2 до V3. Теплота Q2. віддана газом холодильника при ізотермічному стисканні, дорівнює роботі стиснення А3 - це робота чинена над газом, вона негативна:
Робота стиснення на останньому етапі: