Второе начало термодинамикиОбратимся снова к нашему элементарному циклу. Заметим, что уравнение не должно наводить нас на мысль, что мы имеем дело с идеальной системой для преобразования теплоты в работу. Для подобной теплопередачи необходимо, чтобы температура этого тела была выше температуры газа. Однако затем, когда поршень выдвинулся для понижения температуры газа перед его выпуском мы воспользовались другим телом, которое холоднее газа. Таким образом, в первом случае тело служит источником, а во втором — охладителем, и естественно, что одно и то же тело не может одновременно выполнять эти две функции. Здесь мы в простейшем виде столкнулись с одним из важнейших научных принципов, который называется вторым началом термодинамики. Согласно этому всеобщему закону природы, для реализации любой сложности циклических процессов с целью получения механической работы необходимо наличие источника и охладителя. Вы, наверное, замечали, что все электростанции, большие заводы и т. п. снабжены охлаждающими башнями или другими устройствами для передачи тепла в атмосферу или водоем, например реку (последние выступают здесь в качестве охладителей). По-видимому, впервые существование этого закона природы отметил французский инженер Карно (1824), занимавшийся изучением паровых двигателей. В дальнейшем основные положения этого закона и их математическая формулировка были разработаны такими выдающимися учеными, как Клаузиус (1850), Кельвин (1851), Планк (1897) и Пуанкаре (1908). В нашем рассмотрении мы будем опираться на принципы, установленные Кельвином и Планком. Согласно этим принципам, невозможно создать циклически действующее устройство, которое бы совершало работу при условии, что обмен тепловой энергией осуществляется с одиим единственным телом. Однако, как мы видели, необходимость существования источника и охладителя вытекает из того факта, что теплопередача происходит только в одном направлении: от более горячего тела к более холодному. Это послужило основой известной формулировки второго начала термодинамики, предложенной Клаузиусом. Из нашего примера следует также, что при передаче энергии теплоте и работе отводятся различные роли. Если мы захотим сначала увеличить внутреннюю энергию газа, то это можно сделать либо путем его нагревания, либо при помощи активного перемешивания. Однако если мы затем захотим уменьшить ^ете внутреннюю энергию, то добиться этого можно только посредством охлаждения газа, поскольку невозможно превратить его внутреннюю энергию в работу, не изменяя границ (положения поршня) системы.Необходимо еще раз подчеркнуть, что снижение эф-фективности цикла заложено в самой сути вещей и не связано с недостатками механизмов, используемых для его практической реализации. Тогда интересно узнать, каково, с учетом указанных ограничений, наивысшее из возможных значение к. п. д., соответствующее наиболее «совершенной» машине. Установлено, что такая машина должна обладать свойством обратимости. Процессы осуществляются в рефрижераторе или тепловом насосе, которые мы рассмотрим позднее. Нетрудно показать, что такая обратимая машина является самой эффективной из всех возможных. Предположим, что в качестве привода для нашей машины, работающей в обратимом режиме, используется еще более эффективная машина. Для получения работы эта сверхэффективная машина должна отбирать от источника энергию. Следовательно, отдаваемая в этом случае охладителю энергия также оказывается меньше, чем аналогичная величина для обратимой машины. Если бы нечто подобное могло произойти, то это означало бы нарушение второго начала термодинамики в формулировке Клаузиуса, то есть энергия передавалась бы от холодного тела к горячему без вмешательства извне. Отсюда следует вывод, что более эффективной машины, чем обратимая, не может быть. Поскольку наша идеальная машина ничем другим не отличается, кроме того, что она обратимая, можно заключить, что все обратимые машины, работающие между источником и охладителем, одинаково эффективны, независимо от принципа их действия, рабочего вещества и т. п. От чего же зависит к. п. д. идеальной машины? Другими параметрами, характеризующими подобные системы, являются лишь температуры источника и охладителя, следовательно, к. п. д. идеальной обратимой машины зависит лишь от их величии. Две обратимые машины работают от трех источников. Если эту систему выполнить так, чтобы нижняя машина отбирала от источника точно такое же количество энергии, сколько верхняя машина ему отдает, то такая система оказывается эквивалентной единственной обратимой машине. Уравнение позволяет понять суть ограничений, накладываемых самой природой на работу тепловых машин. К. п. д. машины можно увеличить путем повышения температуры источника или понижения температуры охладителя. Однако здесь наши возможности не беспредельны. С одной стороны, температура источника ограничивается предельной температурой, которую может выдержать его материал, с другой стороны, в природе не существует каких-либо «вечных» охладителей, температура которых была бы значительно ниже атмосферной. Поэтому на практике в качестве охладителей обычно широко используют либо непосредственно воздух, либо воду различных водоемов (рек, морей и т. п.). Обратите внимание: современный мебельный рынок готов предложить потребителям огромное количество разных по стилю и дизайну моделей мебелировки для кухонь, спален, коридоров, ванных комнат и даже прихожих. Современные недорогие комоды пользуются особой популярностью в первую очередь из-за своей многофункциональности и высококачественных материалов, используемых в производстве. |
||
