4.1.4 Второй закон термодинамики

С понятием энтропии связан Второй закон термодинамики о неравнозначности процессов взаимного превращения теплоты и работы: механическая энергия может быть полностью превращена в теплоту, а в обратном процессе часть теплоты рассеивается в окружающую среду и в механическую энергию не переходит. Это важно для организации циклически повторяющихся прямых и обратных процессов, характерных для техники.

Существует много формулировок второго закона термодинамики, простейшая из которых – самопроизвольный перенос теплоты возможен только от более нагретого тела к менее нагретому.

Таким образом, Второй закон термодинамики устанавливает качественную сторону явлений – направленность самопроизвольных процессов природы. Количественную сторону явления самопроизвольного переноса теплоты характеризует теплопередача.

Соотношение (4.6) справедливо для идеальных обратимых процессов, которые можно возвратить в исходное состояние по тому же пути. Для реальных необратимых процессов, состояние которых нельзя восстановить без потерь, следует принять

.

Тогда даже в адиабатическом процессе (dq = 0) имеем

ds  0. (4.8)

Выражение (4.8) и представляет собой наиболее общую математическую формулировку Второго закона термодинамики: если в системе осуществляется самопроизвольный необратимый процесс, то энтропия системы возрастает.

Физический смысл энтропии в свете Второго закона термодинамики заключается ещё и в том, что она (энтропия) является мерой рассеивания теплового заряда (энергии) в окружающее пространство.

В реальных системах, в частности в холодильной технике, возникает необходимость отвода теплоты во внешнюю среду от тел, имеющих по сравнению с ней более низкую температуру. Для таких систем Второй Закон указывает условие достижимости цели – невозможно отводить теплоту от менее нагретых тел к более нагретым без внешнего воздействия. Схематично выполнение этого условия изображено на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6 – Схема отвода теплоты от более холодной среды

Внешнее воздействие здесь осуществлено посредством применения промежуточного устройства (холодильной машины). Рабочее тело холодильной машины (хладагент) контактирует с охлаждаемым телом при Т_ха' < Т₁ и отбирает у него теплоту Q. Далее с помощью затраты механической энергии L потенциал хладагента поднимается до уровня, достаточного для передачи теплоты во внешнюю среду, T_ха">T₂. Таким образом, на промежуточных этапах организуются самопроизвольные процессы передачи теплоты, т. е. Второй закон термодинамики всегда строго выполняется.

Следует отметить, что для целей холодильной техники интересен не однократный акт сброса теплоты во внешнюю среду, а непрерывно продолжающийся процесс. Для этого надо суметь возвращать рабочее тело в исходное состояние. Последнее можно осуществить в цепочке взаимосвязанных циклически повторяющихся единичных процессов разной природы. Совокупность целенаправленно организованных превращений (изменений состояния) холодильного агента носит название холодильный цикл.

Поднимая теплоту с нижнего уровня температуры на более высокий уровень, холодильная машина исполняет роль теплового насоса, т. е. действует подобно гидравлическому насосу, подающему воду на более высокие геодезические отметки.

Общепринятый термин «тепловой насос» относится к устройствам, также реализующим схему, изображённую на рисунке 4.6, но в качестве охлаждаемой среды здесь выступает атмосферный воздух, а отепляемой – жилое помещение. Бытовой кондиционер – ещё один пример теплового насоса с возможностью обращать направление теплового потока.

Отношение полезной (отобранной) тепловой энергии Q к затраченной механической энергии L называют холодильным коэффициентом цикла , который характеризует совершенство цикла.

 = Q/L.

Термин «получение холода» означает уменьшение содержания теплоты в том или ином теле, уже имеющем температуру ниже температуры окружающей среды. В соответствии со Вторым законом термодинамики процесс получения холода требует участия в нём постороннего источника энергии.