§ 10. Второй закон термодинамики

Основное назначение термодинамических процессов, протекаю­щих в любом тепловом двигателе, состоит в том, чтобы превращать теплоту, подводимую к рабочему телу (газу), в полезную работу, которую газ совершает в процессе своего расширения. Но построить машину, в которой бы газ только расширялся, невозможно. Поэтому во всех тепловых машинахпосле расширения газа происходит его сжатие и возвращение в первоначальное состояние.

Процессы, в результате которых рабочее тело, проходя последо­вательно различные состояния, возвращается в первоначальное, на­зывают круговыми или циклическими.

В системе p—V координат термодинамический цикл изобража­ется замкнутым контуром. Если линия расширения в этом контуре лежит выше линий сжатия, то цикл протекает по направлению вра­щения часовой стрелки и называется прямым. Прямые циклы — это циклы тепловых двигателей. Термодинамический цикл может проте­кать и в обратном направлении. В этом случае линия расширения лежит ниже линии сжатия. Такие циклы называют обратными, и они являются циклами холодильных ма­шин.

Основной закон, которому подчиняют­ся термодинамические циклы,- второй закон термодинамики. Он гласит, что процесс, при котором не происходит ни­каких изменений, кроме передачи тепло­ты от горячего тела к холодному, являет­ся необратимым, поэтому теплота не мо­жет перейти от холодного тела к горя­чему без каких-либо других изменений в термодинамической системе, например без затраты работы.

Если обозначить через Q₁ количество теплоты, подведенное к 1 кг рабочего те­ла в термодинамическом цикле, а через

Q₂ количество теплоты, отданное холодному источнику, то по­лезно использованное количество теплоты Q (Дж/кг), т. е. пре­вращенное в полезную работу, будет

Q = Q_l-Q₂.

В ажнейшей характеристикой термодинамического цикла служит отношение количества полезно использованной теплоты ко всей за­траченной. Это отношение называется термическим КПД цикла и обозначается буквой η_t.

η_t=(Qi-Q₂)/Q₁

Термический КПД цикла всегда меньше единицы. При созданий тепловых машин стремятся, чтобы КПД был по возможности больше.

Впервые экономичность термодинамических циклов проанали­зировал в прошлом веке французский инженер Карно. Он исследо­вал цикл, который занимает в термодинамике особое место и но­сит название цикла Карно.

Цикл Карно (рис. 6) образован двумя изотермами и двумя адиабатами. Рабочее тело; параметры состояния которого соответ­ствуют точке а в системе р—V координат, сообщается с источни­ком теплоты. К телу подводится теплота при постоянной темпера­туре Т₁. Таким образом создаются условия для расширения рабо­чего тела, которое протекает по изотерме а—Ь. В ходе этого процесса к рабочему телу подводится количество теплоты Qi, его объем увеличивается, а давление уменьшается. Когда рабочее тело достигнет состояния, соответствующего точке Ь, его изолируют от источника теплоты, и дальнейшее расширение протекает без теплообмена с окружающей средой по адиабате 6—с. Температу­ра рабочего тела понижается от Т₁ до Т₂. При состоянии, соответ­ствующем точке с, рабочее тело сообщается с холодным источни­ком (холодильником), и от него отводится теплота при постоян­ной температуре Т₂. Создаются условия для изотермического сжа­тия. Процесс идет по изотерме с—d. От рабочего тела отводится количество теплоты Q₂, после чего его контакт с холодным источ­ником прекращается. Возвращение рабочего тела в состояние, соот­ветствующее точке d, осуществляется в результате сжатия без теп­лообмена с окружающей средой по адиабате d— а.

Карно доказал, что этот цикл является циклом максимальной экономичности. Не существует других термодинамических циклов, термический КПД которых был бы больше, чем КПД цикла Карно. Была также установлена чрезвычайно важная зависимость КПД тепловой машины от температуры T₁, нагревателя и температуры Т₂ холодильника. Независимо от конструкций и выбора рабочего тела максимальное значение КПД тепловой машины определяется выра­жением:

η_max=(T₁- Т₂)/ Т₁

Цикл Карно — идеальный цикл. Его невозможно в точности осу­ществить в реальной тепловой машине, потому что нельзя обеспе­чить изотермический подвод и отвод теплоты, а также расширение и сжатие рабочего тела без теплообмена с окружающей средой. Тем не менее исследования Карно имеют большое значение. Они пока­зали, что для повышения экономичности тепловых двигателей надо осуществлять подвод теплоты к рабочему телу при возможно более высокой температуре, а отвод —при возможно более низкой.