Второй закон термодинамики указывает направление
возможных энергетических превращений. Английский физик У.
Томсон в 1851 г. сформулировал закон: в природе невозможен
процесс, единственным результатом которого была бы
механическая работа, полученная за счет охлаждения теплового
резервуара. Эта формулировка показывает, что взаимное
превращение тепла и работы неравноценно: работу можно
полностью «превратить» в тепло (путем трения, нагрева
электрическим током и другими способами), а тепло полностью
превратить в работу нельзя.
Чуть раньше У. Томсона формулировку второго закона в 1850 г.
дал немецкий физик Р. Клаузиус (1822-1888): «Теплота не
переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему».
Эта формулировка подчеркивает односторонность реальных
процессов.
Р. Клаузиус решил вопрос о направлении самопроизвольных
процессов в 1865 г., когда ввел новую функцию —
энтропию, установив ее важнейшую особенность: в
нетеп-лоизолированных системах самопроизвольно процессы идут в
сторону увеличения энтропии; в состоянии теплового равновесия
энтропия достигает максимума. Эта функция является мерой
беспорядка в системе. Таким образом, самопроизвольные процессы
идут в сторону увеличения беспорядка.
Необратимые процессы — процессы, которые могут
самопроизвольно протекать только в одном направлении. Систему,
в которой происходят необратимые процессы, нельзя вернуть в
исходное состояние без того, чтобы в окружающей среде не
осталось каких-либо изменений.
Тепловой двигатель — устройство, в котором
осуществляется преобразование внутренней энергии топлива в
механическую энергию. Тепловой двигатель содержит три основные
части: нагреватель, рабочее тело, холодильник.
Общая блок-схема теплового двигателя представлена на рис. 32.
Чаще всего рабочими телами, совершающими работу в тепловых
двигателях, являются газ или пар.
За один цикл работы рабочее тело получает от нагревателя
количество теплоты Q1. Расширяясь, оно совершает
работу А` и часть количества теплоты Q2 передает
холодильнику: Q1 = А` + Q2.
Охладителем у большинства тепловых двигателей является
окружающая среда (атмосфера).
Тепло, полученное от нагревателя, рабочее тело не может
полностью превратить в механическую энергию путем совершения
работы. Если бы Q1 = А`, то тогда температура
рабочего тела упала до О К, а это, как говорилось выше,
невозможно. Если бы температура рабочего тела оказалась ниже
температуры окружающей среды, то давление газа (пара) было бы
меньше атмосферного и двигатель не смог бы совершать работу.
Коэффициент полезного действия теплового двигателя
равен отношению работы А`, совершенной двигателем за один
цикл, к количеству теплоты Q1, полученной от
нагревателя:
Максимальный КПД имеет тепловой двигатель, работающий по циклу
Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат.
В 1824 г. С. Карно (1796-1832) доказал теорему: любая реальная
тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим
температуру Т1, и холодильником, имеющим
температуру Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД
идеальной тепловой машины, определяемый соотношением :
Из этой формулы следует, что чем больше разность температур
нагревателя и холодильника (т. е. чем дальше в координатах Р-V
отстоят друг от друга изотермы), тем больше
nмах. Но КПД всегда меньше 1
(nнах < 1), так как Т2 > О.
Тепловые Двигатели и Охрана Природы
Влияние тепловых двигателей на окружающую среду заключается в
следующем:
-
Выделение в окружающую среду большого количества тепла,
которое должно привести к постепенному повышению
температуры на Земле. -
Работа тепловых двигателей сопровождается сжиганием
большого количества угля, нефти и газа. Углекислый газ в
атмосфере наряду с парами воды приводит к «парниковому
эффекту», что ведет к увеличению температуры Земли. -
Топки электростанций, двигатели внутреннего сгорания
выбрасывают в атмосферу вредные для растений, животных и
человека вещества: сернистые соединения, оксиды азота,
углеводороды, окиси углерода и др. -
Актуальна проблема захоронения радиоактивных отходов
атомных станций. -
Применение паровых турбин на электростанциях требует
больших площадей под пруды для охлаждения отработанного
пара (35% водоснабжения всех отраслей хозяйства).
Источник: //www.sfiz.ru/page.php?id=35