Р
А
С
ЪА = 50,-50,=-^ 60, 50' = О
Г,-Г,
V
Рис. 10.1. Цикл Карно на диаграмме Р-V (давление-объем): (Qt - количество теплоты, получаемое рабочим телом от нагревателя; (Q2 - количество теплоты, отводимое им холодильнику.
Эта работа численно равна площади ABCD на рис. 10.1, ограниченной отрезками изотерм и адиабат, образующих цикл Карно.
Цикл Карно имеет наивысший кпд среди всех возможных циклов, равный
и служит мерой эффективности других рабочих циклов.
Основными законами термодинамики являются так называемые «Начала». Первое начало термодинамики утверждает, что если система совершает термодинамический цикл, т.е. в конечном счете возвращается в исходное состояние, то полное количество тепла, сообщенное системе на протяжении цикла, равно совершенной ею работе. Количественная формулировка первого начала: количество тепла dQ, сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии dU и на совершение телом работы dA, т.е.
Первое начало представляет собой по существу выражение Закона сохранения энергии для систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы. Это утверждение эквивалентно утверждению о невозможности создания вечного двигателя 1-го рода.
Вечный двигатель 1-го рода - это такая машина, которая, будучи однажды запущена в ход, способна работать неопределенно долго и совершать полезную работу, не потребляя энергии извне. Поскольку ни при каком преобразовании энергии нельзя увеличить ее количество, а полезная работа может совершаться только расходуя внутреннюю энергию системы, то отсюда и следует невозможность создания такого двигателя.
h = dA/dQ = (Г, - Тг)!Тх
dQ - dU + dA.
Многочисленные опыты показывают, что все тепловые процессы необратимы в отличие от механического движения. Если реализуется какой-либо термодинамический процесс, то обратный процесс, при котором проходят те же тепловые состояния, но только в обратном порядке, практически невозможен, т.е. термодинамические процессы необратимы.
Второе начало термодинамики утверждает, что теплота не может самопроизвольно перейти от системы с меньшей температурой к системе с большей температурой.
С.Карно в 1824 г. показал, что любая тепловая машина должна содержать помимо источника теплоты (нагревателя) и рабочего тела, совершающего термодинамический цикл (например, пара), еще и холодильник, имеющий температуру более низкую, чем температура нагревателя. Обобщение вывода Карно на произвольные термодинамические системы и позволило Р.Клаузиусу сформулировать в 1850 г. указанное Второе начало. В формулировке английского физика В.Томсона (1851) Второе начало утверждает, что невозможно произвести механическую работу за счет охлаждения одного теплового резервуара. Обе приведенные формулировки Второго начала, являясь эквивалентными, подчеркивают существенное различие в возможностях реализации энергии, полученной за счет внешних источников и энергии беспорядочного (теплового) движения частиц тела.
Возможность использования энергии теплового движения частиц тела (теплового резервуара) для получения механической работы означала бы реализацию так называемого вечного двигателя 2-го рода, работа которого не противоречила бы Закону сохранения энергии.
В середине XIX в. активно обсуждалась проблема тепловой смерти Вселенной, сформулированная В.Томсоном в 1851 г. Рассматривая Вселенную как замкнутую систему и применяя к ней Второе начало термодинамики, Р.Клаузиус в 1865 г. распространил принцип возрастания энтропии на всю Вселенную. Это привело его к утверждению, что все формы движения со временем должны перейти в тепловые. Переход же теплоты от горячих тел к холодным приведет к тому, что температура всех тел во Вселенной сравняется, т.е. наступит полное тепловое равновесие и все процессы во Вселенной прекратятся. Однако, по мнению ряда ученых, такое утверждение неправомерно, поскольку Вселенная бесконечна и является разомкнутой системой. Другие возможные механизмы, обеспечивающие отсутствие в природе Тепловой смерти, до недавнего времени не рассматривались.
10.3.0 некоторых недостатках современной термодинамики
Несмотря на, казалось бы, полную завершенность термодинамики как науки и многочисленные подтверждения ее положений на практике, считать, что все проблемы теории теплоты решены, нет основания. Некоторые принципиальные
