Внутрішня енергія. Закони термодинаміки

Термодинаміка

Продовження

Другий закон термодинаміки

Перший закон термодинаміки встановлює кількісне співвідношення між кількістю теплоти, роботою і зміною внутрішньої енергії тіла, але воно не визначає напряму перебігу процесів. З точки зору першого закону термодинаміки перехід енергії у формі теплоти однаково можливий як від більш нагрітого до менш нагрітого тіла, так і навпаки.

Напрям процесів, які відбуваються в природі і пов’язані з перетворенням енергії, визначає другий закон термодинаміки.

Перетворення теплоти в роботу можливе тільки за наявності на­грівника і холодильника; у всіх теплових машинах корисно викорис­товується тільки частина енергії, яка передається від нагрівника до холодильника.

Інакше кажучи, жодний тепловий двигун, у тому числі й двигун внут­рішнього згоряння, не може дати ККД, який дорівнює одиниці. Є кілька формулювань другого закону.

"Коефіцієнт корисної дії ідеальної теплової машини визначається тільки температурами тепловіддавача і теплоприймача" (С. Карно).

"У природі неможливий процес, єдиним результатом якого був би перехід теплоти повністю в роботу" (М. Планк).

"Теплота не може сама собою переходити від тіла з нижчою тем­пературою до тіла з вищою температурою" (Р. Клаузіус).

Другий закон заперечує можливість використання запасів внутрішньої енергії якого-небудь джерела без переведення її на нижчий температурний рівень, тобто без холодильника. Наприклад, практично необмежені запаси внутрішньої енергії океанів не можуть бути повністю використані.

Теплові двигуни

Прикладами теплових машин можуть бути парові машини, газові турбіни, двигуни внутрішнього згоряння, реактивні двигуни.

У парових машинах і парових турбінах нагрівником є паровий котел, ро- бочим тілом – пара, холодильником – атмосфера або пристрої для охолодже-ння спрацьованої пари – конденсатори. У двигунах внутрішнього згорання нагрівником і робочим тілом є паливо, а холодильником – атмосфера. Як паливо, звичайно, використовують бензин, спирт, гас і так зване дизельне паливо. За допомогою спеціальних пристроїв (наприклад, карбюраторів у бензинових двигунів) паливо змішується з повітрям, і ця суміш подається в циліндр, де й спалюється. Продукти згоряння викидаються в атмосферу. Схему роботи теплового двигуна подано на мал. 1. Робоче тіло двигуна дістає від нагрівника при температурі T₁ кількість теплоти Q₁, виконує роботу А і передає частину кількості теплоти Q₂ холодильнику, що має температуру Т₂

Розглянемо чотиритактний цикл карбюратор- ного двигуна і побудуємо робочу діаграму цього циклу (мал. 2).

У процесі руху поршня вниз (мал. 2, а) за рахунок роботи зовнішніх сил відкривається впускний клапан і робоча суміш надходить у циліндр. Процес ізобарний, і тиск дорівнює атмосферному. Коли поршень досягає крайнього нижнього положення, випускний клапан закрива- ється. Перший такт (всмоктування) закінчено: на графіку процес зображено прямою 0–1. Другий такт (стискання) (мал. 2, б) відбувається також під дією зовнішньої сили. Обидва клапани закриті, і газ адіабатно нагрівається. На графіку це відповідає лінії 1–2. Третій такт – спалахування і робочий хід (мал. 2, в). Коли поршень досягне крайнього верхнього положення, іскра запалю- вальної свічки запалює суміш, тиск газу різко зростає. На графіку це відповідає ізохор- ному процесу 2–3. Поршень потім переміщується вниз при закритих клапанах, що відбу- вається в процесі адіабатного розширення. Крива 3–4 відповідає такту, який називається робочим ходом.

Як видно з графіка мал. 2, в, у цьому такті тиск газу спадає, об’єм зростає, температура зменшується. Робота в цьому разі додатна, вона викону- ється за рахунок зменшення внутрішньої енергії газу. Четвертий такт – вихлоп (мал. 2, г). Коли поршень досягає крайнього нижнього положення, відкривається випускний клапан і продукти згоряння через випускну трубу викидаються в навколишнє середовище. Тиск газу спадає, і в кінці такгу він дорівнює атмосферному. На графіку – це ізохорний процес 4–1. Поршень переміщується за рахунок енергії маховика у верхнє положення – такт закінчено.

У розглянутому замкненому процесі виконану роботу А можна визначи- ти. Вона дорівнює площі заштрихованої фігури, обмеженої лініями процесів, які відбуваються.

Аналіз графіка показує, що під час робочого ходу (ділянка 3 – 4) суміш розширюється при більшому тиску, ніж вона стискається під час другого такту (ділянка 1 – 2). Ця обставина в кінцевому підсумку й зумовлює ви­конання корисної роботи двигуном.

Робота при ізохорних процесах (3 – 2 і 4 – 1) дорівнює нулю (V – const),

Додатна робота визначається лише різницею робіт при адіабатному розширенні і стисканні.

На практиці ККД двигуна внутрішнього згоряння досягає 20 – 30 %. Як можна підвищити ККД такого двигуна? Досвід і розрахунки показують, що для цього треба забезпечити більше стискання суміші. Проте в двигунах карбюраторного типу це неможливо, бо вона, дуже нагріваючись, передчасно самозайматиметься.

Німецький інженер Р. Дізель винайшов двигун, названий його ім’ям, який працює за таким циклом, що дає можливість уникнути зазначених вище утруднень і значно підвищити ККД.

Ступінь стискання в дизелях досягає значної величини, внаслідок чого температура повітря в кінці стискання підвищується до температури, до­статньої для займання палива.

Паливо згоряє тут не відразу, як у карбюраторних двигунах, а посту- пово, протягом деякої частини ходу поршня. Внаслідок цього паливо згоряє при об’ємі робочого простору, який збільшується. Тому тиск газів під час роботи буде сталим.

Отже, суміш згоряє при сталому тиску на відміну від карбюраторних лвигунів, де, як ми побачили, суміш згоряє при сталому об’ємі.

Дизель – економічніший двигун, ніж карбюраторний, його ККД досягає 40 %. Він може мати значно більшу потужність (десятки тисяч кінських сил). Крім того, дизель може працювати на дешевих сортах рідкого палива.

Дизелі великої потужності широко застосовують як у стаціонарних установках, так і на водному, залізничному, повітряному транспорті, а дизелі малої потужності останнім часом з успіхом застосовують як двигуни автомобілів, тракторів і невеликих суден.

На мал. 3 подано схему прямоточного повітряно-реактивного двигуна, який використовують в авіації. Цей двигун працює так. Під час польоту літака зустрічний потік повітря проходить через напірне сопло і захоплює пальне, яке розбризкується форсунками. Утворена робоча суміш надходить потім до камери згоряння, де від запальних свічок спалахує.

Гази, які утворилися внаслідок згоряння робочої суміші, з величезною швидкістю викидаються через вихідний отвір – сопло. Внаслідок різкоого збільшення тиску під час згоряння суміші швидкість газів на виході з сопла значно більша від швидкості повітря, яке входить у двигун. За законом збереження кількості руху (імпульсу) внаслідок цієї різниці швидкостей і створюється реактивна тяга.

В авіації тепер широко застосовують турбогвинтові двигуни (мал. 4 ). У цьому двигуні гази, що проходять через турбіну, віддають їй велику частину своєї енергії, тому газова турбіна розвиває потужність, що значно перевищує ту, яку споживає компресор. Надлишок потужності турбіни витрачається на надавання руху повітряному гвинту, який є основним джерелом тяги двигуна. Крім того, в турбогвинтових двигунах створюється деяка додаткова тяга від реактивної дії відпрацьованих газів, що виходять із сопла.

ККД сучасних теплових машин коливається від 40 % (у двигунів вну­трішнього згоряння) до 60 % (у реактивних).

Конструкторська думка вчених працює як у напрямі вдосконалення наявних двигунів (створення нових матеріалів, зменшення тертя і втрат пального при неповному згорянні), так і в напрямі створення двигунів, конструкція яких принципово відрізняється від наявних (МГД – генератори, атомні, ядерні і т. д.). Важливо мати на увазі, що зростання кількості двигунів внутрішнього згоряння дедалі більше занепокоює людей у плані захисту природи і навколишнього середовища. Створення нових двигунів, продукти згоряння яких не забруднювали б навколишнє середовище, – дуже важлива проблема сучасності.

Необоротність теплових процесів

Перший закон термодинаміки, який є по суті законом збереження і перетворення енергії в застосуванні до теплових процесів, дає змогу описати будь-який процес, в ході якого відбувається перетворення різних видів енергії у внутрішню. Проте цей закон не дає відповіді на запитання, які енергетичні перетворення можливі і в якому напрямі мають розвиватися.

З точки зору першого закону термодинаміки будь-який процес можливий, якщо кількість теплоти залишається незмінною. Пояснимо це на прикладах.

Припустимо, що у калориметр з холодною водою помістили гаряче тіло. Коли б при цьому холодна вода охолонула ще більше і виділила певну кількість теплоти, а гаряче тіло дістало б цю кількість теплоти і ще більше нагрілося, таке явище не суперечило б першому закону термодинаміки: ба­ланс енергії був би забезпечений. Але такого процесу в природі не існує. Процеси теплообміну між тілами, залишеними самими по собі, завжди відбуваються так, що гарячі тіла охолоджуються, передаючи енергію холоднішим, температура яких підвищується. Цей процес відбувається доти, поки температури тіл не зрівняються — в системі тіл встановиться теплова рівновага. Передавати теплоту в зворотному напрямі — від холодних тіл до гарячих — можна лише штучно, виконуючи роботу (наприклад, як в холодильних машинах). Так само газ, який розширився і зайняв весь об’єм певної посудини, ніколи не збереться самовільно в одній з її частин. Щоб стиснути газ до попереднього об’єму, треба виконати над ним роботу. При цьому в оточуючих тілах стануться зміни: тіло, яке стискає газ, виконує роботу, віддаючи певну енергію іншому тілу.

Ще один приклад. Під час падіння каменя з деякої висоти вся кінетична енергія перетворюється у внутрішню енергію самого каменя і оточуючих його тіл, так що закон збереження енергії не порушується. Однак першому закону термодинаміки не суперечить і зворотний процес, при якому до лежа­чого на землі каменя передалась би від оточуючих тіл теплота, в результаті чого камінь піднявся б на попередню висоту. Але ніхто ніколи не спостерігав, щоб камені самі по собі підстрибували.

Подібних прикладів можна навести багато. Всі вони свідчать про те, що перший закон термодинаміки не накладає жодних обмежень на напрям перетворення енергії з одного виду в інший, вимагаючи лише збереження повного запасу енергії в замкнутих системах. Між тим досвід показує, що різні види енергії неоднаково здатні перетворюватися в інші види. Механічну енергію можна повністю перетворити у внутрішню енергію будь-якого тіла незалежно від того, яка була його температура. Дійсно, будь-яке тіло можна нагріти тертям, збільшивши його внутрішню енергію на величину, що дорівнює виконаній роботі. Але для зворотних перетворень внутрішньої енергії в інші види існують певні обмеження, які полягають у тому, що запас внутрішньої енергії за жодних умов не може повністю перетворитися в інші види енергії. З цими особливостями енергетичних перетворень пов’язаний напрям перебігу процесів у природі.

Передача теплоти від гарячого тіла до холодного, перетворення механічної енергії у внутрішню, розширення газу у вакуумі — все це приклади найтиповіших необоротних процесів. Процес називають оборотним, якщо можливе повернення системи в початковий стан без будь-яких змін у навколишньому середовищі. Якщо таке повернення здійснити не можна, тобто після закінчення процесу в навколишніх тілах чи в даній системі залишились якісь зміни, процес є необоротним.

Необоротними є всі розглянуті вище процеси в ідеальному газі: ізотермічний, ізохорний, ізобарний та адіабатний. Наприклад, у разі ізотермічного стискання газу частина теплоти через стінки циліндра передається навколишньому середовищу, і вона вже ніколи не повернеться до газу і не перетвориться в механічну енергію поршня.

Усі процеси в природі супроводжуються теплопровідністю та тертям і тому необоротні. Поняття про оборотні процеси так само необхідне в термодинаміці, як у механіці поняття про матеріальну точку, абсолютно тверде тіло, рух без тертя, а в молекулярній фізиці ідеальний газ.