Второй закон термодинамики

27.01.2016

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

2-ой закон термодинамики имеет несколько формулировок:

В механическую работу может быть переведена только часть тепла, полученного от горячего источника

Для получения работы в круговом процессе необходима разность температур между источником тепла и теплоприёмником.

Круговой процесс

Круговой процесс – это последовательное проведение ряда прямых и обратных процессов, возвращающих тело в своё первоначальное состояние и производящих достаточное количество механической энергии для работы двигателя.

Только прямые процессы дают положительное количество работы, а на обратные процессы нужно затрачивать работу извне.

Изобразим в системе координат p – v и T – s произвольный круговой процесс 1, m, 2, n, состоящий из двух процессов расширения  1, m и m, 2  и сжатия 2,n и n, 1. В прямых процессах расширения к газу от горячего источника с температурой T1 подводится q кДж тепла. Обозначим положительную работу через ?1. На обратные процессы сжатия должно быть затрачено меньшее количество работы ?2, следовательно, линия обратных процессов должна быть расположена в координатах p – v ниже линии прямых.

Для возвращения тела в первоначальное состояние необходимо отнять о т него q2 кДж тепла. Отвести это тепло можно только при соприкосновении тела с холодильником, температура которого T2 будет ниже T1 .Только в этом случае изменение внутренней энергии тела будет равно нулю, что является основным свойством круговых процессов. Работа, отданная на сторону потребителю(?0), находится из выражения

?0 = ?1 - ?2

?0 – называется полезной работой цикла.

q1 – q2 = ?0,

Установлено, что чем выше температура источника тепла и ниже температура теплоприёмника (холодильника), тем больше тепла превращается в полезную работу. Экономичность работы двигателя определяется величиной его термического коэффициента полезного действия (?T).

Термическим коэффициентом полезного действия (к. п.д.) называется отношение тепла, превращённого в полезную работу, ко всему теплу.

?T =   или ?T = 1 - , где q2 – подведённое тепло,        q1 – отведённое тепло

Заменяя q1 – q2 через ?0 имеем

?T =   всегда

Термическим к. п.д. всякой тепловой установки (топки, печки, сушилки) называется отношение полезно использованного в установке тепла ко всему подведённому к ней теплу.

ВОДЯНОЙ ПАР

Парами называют газы, находящиеся в состоянии, близком к сжижению.

В природе вода – это жидкость и для того, чтобы получить её в газообразном виде, т. е. превратить в пар, надо затратить тепло. Этот процесс называется парообразованием.

  В технике получение водяного пара происходит при давлениях или атмосферного. В цилиндре под поршнем находится 1 кг воды  t = 0  ?; поршень оказывает на воду давление P. К воде подводится тепло. Поршень имеет возможность передвигаться для того, чтобы давление всё время оставалось равным первоначальному давлению P.

При нагревании объём воды будет немного увеличиваться, увеличиваться будет и температура. Количество молекул, покидающих жидкость, будет непрерывно возрастать, равно как и количество молекул пара, находящихся в пространстве над ней. Это приведёт к повышению давления пара над жидкостью. Повышение давления пара будет происходить до тех пор, пока не установится равновесие между количеством молекул, покидающих жидкость и возвращающихся в неё обратно. В этом случае температура достигнет точки кипения, а давление – постоянной для данной точки кипения величины, при этом tводы и tпара будут оставаться постоянными, несмотря на подвод тепла.

Пар над жидкостью в таком состоянии называется насыщенным. Его температура равна температуре кипения и зависит от  давления.

Пар, содержащий в себе капельки воды, называется влажным насыщенным паром.

При дальнейшем подводе тепла к жидкости в цилиндре, количество пара будет увеличиваться и, наконец, вся вода превратиться в пар, т. е. процесс парообразования закончился. Этому моменту, когда испарилась последняя капелька воды, соответствует состояние сухого насыщенного пара.

Если сухому насыщенному пару сообщить дополнительное количество тепла, то пар повысит свою температуру и перегреется.

Перегретым называется пар того же давления, что и сухой насыщенный, t которого выше температуры насыщения (кипения). Перегретый пар получается в специальных аппаратах – парообразователях.