Второй закон термодинамики чаще всего используется при анализе круговых термодинамических процессов.

В отличие от первого закона термодинамики он определяет направление протекания термодинамических процессов и устанавливает максимально возможные пределы превращения теплоты в работу при круговых процессах. Как и первый закон, второй закон термодинамики сформулирован на основе экспериментов и не был выведен теоретически.

 Практика показывает, что хотя с точки зрения первого закона термодинамики термодинамический процесс возможен, т.е. при его протекании сохраняется баланс энергии, реально этот процесс может быть и не осуществлен.

 В отличие от первого закона, второй закон термодинамики определяет условия, при которых протекание процесса возможно (или невозможно).

Существует несколько формулировок второго закона термодинамики, и для его понимания рассмотрим более подробно некоторые дополнительные понятия и определения.

Попробуем разобраться что такое прямой и обратный термодинамические циклы или процессы, а также выяснить, как выражается работа и теплота в циклах.

Как известно, термодинамическая система может находиться в равновесном или неравновесном состоянии. Мы изучаем только равновесные системы.

Для оценки равновесных состояний системы используются следующие параметры:

4.     Количество, n или масса, m

Каждому равновесному состоянию соответствуют определенные значения этих параметров.

Если система изолирована (отсутствуют любые взаимодействия с окружающей средой), то ее параметры остаются все время неизменными.

 

 

Если один из параметров все время остается постоянным, то равновесные состояния можно изобразить в виде точек на плоскости V - p (рис.1.3.3),V – T или p – T, а равновесный процесс - в виде линий на той же плоскости (рис. 1.3.4). Неравновесные состояния и процессы нельзя изобразить в виде точек и линий соответственно.

Представим себе термодинамическую систему, состоящую из газа, помещенного в цилиндр с подвижным поршнем. Границами системы являются внутренние стенки цилиндра и поршнем. Границами системы являются внутренние стенки цилиндра и поршня. Если давление окружающей среды p₀, действующие на поршень с внешней стороны, меньше давления газа p₁, действующего на поршень с внутренней стороны, на бесконечно малую величину (p₀ < p₁ ), то газ будет расширяться (объем газа увеличивается), проходя через ряд равновесных состояний А₁ – А₆ в прямом направлении. Если давление газа p_1, находящегося в цилиндре, меньше давления окружающей среды p₀ на бесконечно малую величину (p₀ > p_r ), то газ (система) будет сжиматься (объем газа уменьшается). В этом случае процесс сжатия газа будет проходить через ряд тех же равновесных состояний А₆ – А_1, но в обратном направлении.

 Процессы, в результате свершения которых в прямом и обратном направлениях термодинамическая система возвращается в исходное состояние без каких-либо изменений в окружающей среде, называется обратимыми.

Обратный процесс в обратном направлении восстанавливает первоначальное состояние, как термодинамические системы, так и окружающей среды. Можно утверждать, что в обратимый процесс 2-1 является зеркальным отображением прямого процесса 1-2.

Например, если прямой процесс 1-2 осуществляется за счет подвода к системе определенного количества теплоты со стороны окружающей среды, то при протекании обратного процесса 2-1 такое же количество теплоты обратно возвращается в окружающую среду.

 Другой пример: если на сжатие газа (прямой процесс) затрачивается определенная механическая работа, то при расширении газа на преодоление внешних сил давления.

Необратимый процесс  в прямом направлении проходит через одни состояния, а в обратном направлении – через другие состояния. В обратном направлении не восстанавливается первоначальное состояние термодинамической системы и окружающей среды.

Любой процесс, сопровождаемый трением и завихрением, является необратимым, так как при этом часть работы превращается в теплоту, которая нагревает окружающую среду, и в ней происходят остаточные изменения.

 Все процессы передачи теплоты от нагретых тел к холодным при конечной разности температур также являются необратимыми, так как известно, что обратный переход энергии в форме теплоты от холодных тел к горячим телам без затраты энергии извне (т.е., без остаточных изменений в окружающей среде) невозможен.

В соответствии со вторым законом термодинамики теплота горячего источника может превращаться в работу только частично, так как процесс превращения теплоты в работу обязательно сопровождается переходом части теплоты к теплоприемнику. При этом КПД теплового двигателя всегда меньше единицы. Это условие превращения теплоты в работу иногда называют невозможностью создания вечного двигателя второго рода.

Вечный двигатель первого рода – это такой двигатель, который производит работу без затраты энергии, что противоречит первому закону термодинамики.

Вечный двигатель второго рода – это двигатель, который всю подводимую к нему теплоту превращает в работу (КПД=1). Это противоречит второму закону термодинамики. Поэтому вечный двигатель второго рода также невозможен, как и вечный двигатель первого рода.

Превращение теплоты в механическую работу в тепловом двигателе происходит в процессе расширения рабочего тела. После совершения процесса расширения запас энергии в рабочем теле уменьшается, а объем его увеличивается.

Для непрерывного получения работы после каждого процесса расширения требуется возвращать тело в исходное состояние. Для этого необходимо сжимать рабочее тело до начального объема и восстанавливать его энергию до начального состояния путем подвода к нему теплоты. Однако процесс возвращения рабочего тела в исходное состояние нельзя совершить без отвода теплоты теплоприемнику, поэтому в полезную работу в результате совершения всей совокупности процессов расширения и сжатия превращается только часть подводимой теплоты. Совокупность процессов расширения и сжатия, в результате которых получается полезная работа и рабочее тело возвращается в исходное состояние, называется циклом теплового двигателя или прямым циклом.

Обратимые процессы в чистом виде в природе и технике не встречаются, так как реальные процессы всегда протекают с конечными скоростями и конечными разностями температур и в рабочем теле (системе) не успевают установиться равновесные состояния.

 

 

 Тем не менее, изучение обратимых циклов играет большую роль, так как многие реальные процессы близки к ним.

Кроме того, обратимые процессы приводят к максимальной эффективности преобразования энергии в тепловых машинах и служат мерой сравнения и оценки эффективности реальных необратимых процессов.

Такая последовательность обратимых термодинамических процессов, в результате протекания которых система возвращается в исходное состояние, называется круговым процессом (рис.1.3.5,1.3.6), или термодинамическим циклом.

Циклы могут различаться по направлению, температурному уровню, конфигурации и

другим признакам.

Циклы по направлению протекания условно разделяют на прямые (рис.1.3.5) и обратные (рис.1.3.6).

Любой цикл состоит из процессов подвода и отвода энергии в форме теплоты, а также

процессов расширения и сжатия. При этом система (рабочее тело) совершает работу над окружающей средой или наоборот, окружающая среда совершает работу над термодинамической системой.

               Таким образом, в термодинамическом цикле всегда участвует система тел,

·        два источника теплоты (высокотемпературный и низкотемпературный);

·        рабочее тело (термодинамическую систему)

·        окружающую среду.

Высокотемпературный источник теплоты называют – нагревателем, а низкотемпературный источник – холодильником.

Самопроизвольный переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому, невозможен. Такой процесс требует затраты определенного количества энергии. Перенос теплоты от менее нагретого тела к более нагретому, возможен при совершении обратного цикла или цикла холодильной машины.

Цикл холодильной машины должен совершаться таким образом, чтобы процессы с подводом теплоты осуществлялись при низкой температуре, а процессы с отводом теплоты – при более высокой.

Существует много различных математических формулировок второго закона термодинамики для обратимых и необратимых циклов.