|
Все темы Прикладные Теплотехника Второй закон термодинамикиНазадМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Реферат по теплотехнике на тему: «Второй закон термодинамики» Выполнил: Руководитель: Белгород 2000 ПЛАН РАБОТЫ ВВЕДЕНИЕ 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ФОРМУЛИРОВКА ВТОРОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ 4 ПОНЯТИЕ ЭНТРОПИИ 8 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 10 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 11 ВВЕДЕНИЕ В настоящее время теплосиловые и тепловые установки получили ши- рокое распространение в различных отраслях народного хозяйства. На про- мышленных предприятиях они составляют основную важнейшую часть технологического оборудования. Наука, изучающая методы использования энергии топлива, законы процессов изменения состояния вещества, принципы работы различных ма- шин и аппаратов, энергетических и технологических установок, называется теплотехникой. Теоретическими основами теплотехники являются термоди- намика и теория теплообмена. Термодинамика опирается на фундаментальные законы (начала), кото- рые являются обобщением наблюдений над процессами, протекающими в природе независимо от конкретных свойств тел. Этим объясняется универ- сальность закономерностей и соотношений между физическими величинами, получаемых при термодинамических исследованиях. Первый закон термодинамики характеризует и описывает процессы превращения энергии с количественной стороны и дает все необходимое для составления энергетического баланса любой установки или процесса. Второй закон термодинамики, являясь важнейшим законом природы, определяет направление, по которому протекают термодинамические про- цессы, устанавливает возможные пределы превращения теплоты в работу при круговых процессах, позволяет дать строгое определение таких понятий, как энтропия, температура и т.д. В этой связи второй закон термодинамики существенно дополняет первый. В качестве третьего начала термодинамики принимается принцип не- достижимости абсолютного нуля. В теории теплообмена изучаются закономерности переноса теплоты из одной области пространства в другую. Процессы переноса теплоты пред- ставляют собой процессы обмена внутренней энергией между элементами рассматриваемой системы в форме теплоты. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ФОРМУЛИРОВКА ВТОРОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ Естественные процессы всегда направлены в сторону достижения сис- темой равновесного состояния (механического, термического или любого другого). Это явление отражено вторым законом термодинамики, имеющим большое значение и для анализа работы теплоэнергетических машин. В соот- ветствии с этим законом, например, теплота самопроизвольно может перехо- дить только от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Для осуществления обратного процесса должна быть затрачена определенная работа. В связи с этим второй закон термодинамики можно сформулировать следующим образом: невозможен процесс, при котором теплота перехо- дила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более теплым (постулат Клаузиуса, 1850 г.). Второй закон термодинамики определяет также условия, при которых теплота может, как угодно долго преобразовываться в работу. В любом ра- зомкнутом термодинамическом процессе при увеличении объема совершает- ся положительная работа: , где l – конечная работа, v1 и v2 – соответственно начальный и конечный удельный объем; но процесс расширения не может продолжаться бесконечно, следовательно, возможность преобразования теплоты в работу ограничена. Непрерывное преобразование теплоты в работу осуществляется только в круговом процессе или цикле. Каждый элементарный процесс, входящий в цикл, осуществляется при подводе или отводе теплоты dQ, сопровождается совершением или затратой работы, увеличением или уменьшением внутренней энергии, но всегда при выполнении условия dQ=dU+dL и dq=du+dl, которое показывает, что без подвода теплоты (dq=0) внешняя работа может совершаться только за счет внутренней энергии системы, и, подвод теплоты к термодинамической сис- теме определяется термодинамическим процессом. Интегрирование по замк- нутому контуру дает: , , так как . Здесь QЦ и LЦ - соответственно теплота, превращенная в цикле в рабо- ту, и работа, совершенная рабочим телом, представляющая собой разность |L1| - |L2| положительных и отрицательных работ элементарных процессов цикла. Элементарное количество теплоты можно рассматривать как подводи- мое (dQ>0) и отводимое (dQ<0) от рабочего тела. Сумма подведенной тепло- ты в цикле |Q1|, а сумма отведенной теплоты |Q2|. Следовательно, LЦ=QЦ=|Q1| - |Q2|. Подвод количества теплоты Q1 к рабочему телу возможен при наличии внешнего источника с температурой выше температуры рабочего тела. Такой источник теплоты называется горячим. Отвод количества теплоты Q2 от ра- бочего тела также возможен при наличии внешнего источника теплоты, но с температурой более низкой, чем температура рабочего тела. Такой источник теплоты называется холодным. Таким образом, для совершения цикла необ- ходимо иметь два источника теплоты: один с высокой температурой, другой с низкой. При этом не все затраченное количество теплоты Q1 может быть превращено в работу, так как количество теплоты Q2 передается холодному источнику. Условия работы теплового двигателя сводятся к следующим: - необходимость двух источников теплоты (горячего и холодного); - циклическая работа двигателя; - передача части количества теплоты, полученной от горячего источ- ника, холодному без превращения ее в работу. В связи с этим второму закону термодинамики можно дать еще не- сколько формулировок: ? передача теплоты от холодного источника к горячему невозможна без затраты работы; ? невозможно построить периодически действующую машину, совер- шающую работу и соответственно охлаждающую тепловой резерву- ар; ? природа стремится к переходу от менее вероятных состояний к более вероятным. Следует подчеркнуть, что второй закон термодинамики (так же как и первый), сформулирован на основе опыта. В наиболее общем виде второй закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом: любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым. Все прочие формулировки второго закона являются частными случаями наиболее общей формулировки. В.Томсон (лорд Кельвин) предложил в 1851 г. следующую формули- ровку: невозможно при помощи неодушевленного материального агента получить от какой-либо массы вещества механическую работу посред- ством охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окру- жающих предметов. М.Планк предложил формулировку более четкую, чем формулировка Томсона: невозможно построить периодически действующую машину, все действие которой сводилось бы к понятию некоторого груза и охла- ждению теплового источника. Под периодически действующей машиной следует понимать двигатель, непрерывно (в циклическом процессе) превра- щающий теплоту в работу. В самом деле, если бы удалось построить тепло- вой двигатель, который просто отбирал бы теплоту от некоторого источника и непрерывно (циклично) превращал его в работу, то это противоречило бы положению о том, что работа может производиться системой только тогда, когда в этой системе отсутствует равновесие (в частности, применительно к тепловому двигателю – когда в системе имеется разность температур горяче- го и холодного источников). Если бы не существовало ограничений, накладываемых вторым зако- ном термодинамики, то это означало бы, что можно построить тепловой дви- гатель при наличии одного лишь источника теплоты. Такой двигатель мог бы действовать за счет охлаждения, например, воды в океане. Этот процесс мог бы продолжаться до тех пор, пока вся внутренняя энергия океана не была бы превращена в работу. Тепловую машину, которая действовала бы таким об- разом, В.Ф.Оствальд удачно назвал вечным двигателем второго рода (в от- личие от вечного двигателя первого рода, работающего вопреки закону со- хранения энергии). В соответствии со сказанным формулировка второго за- кона термодинамики, данная Планком, может быть видоизменена следую- щим образом: осуществление вечного двигателя второго рода невозмож- но. Следует заметить, что существование вечного двигателя второго рода не противоречит первому закону термодинамики; в самом деле, в этом двига- теле работа производилась бы не из ничего, а за счет внутренней энергии, за- ключенной в тепловом источнике, так, что с количественно стороны процесс получения работы из теплоты в данном случае не был бы невыполнимым. Однако существование такого двигателя невозможно с точки зрения качест- венной стороны процесса перехода теплоты между телами. ПОНЯТИЕ ЭНТРОПИИ Несоответствие между превращением теплоты в работу и работы в те- плоту приводит к односторонней направленности реальных процессов в природе, что и отражает физический смысл второго начала термодинамики в законе о существовании и возрастании в реальных процессах некой функции, названной энтропией, определяющей меру обесценения энергии. Часто второе начало термодинамики преподносится как объединенный принцип существования и возрастания энтропии. ПРИНЦИП СУЩЕСТВОВАНИЯ ЭНТРОПИИ формулируется как математи- ческое выражение энтропии термодинамических систем в условиях обрати- мого течения процессов: . ПРИНЦИП ВОЗРАСТАНИЯ ЭНТРОПИИ сводится к утверждению, что эн- тропия изолированных систем неизменно возрастает при всяком изменении их состояния и остается постоянной лишь при обратимом течении процессов: . Оба вывода о существовании и возрастании энтропии получаются на основе какого-либо постулата, отражающего необратимость реальных про- цессов в природе. Наиболее часто в доказательстве объединенного принципа существования и возрастания энтропии используют постулаты Р.Клаузиуса, В.Томпсона-Кельвина, М. Планка. В действительности принципы существования и возрастания энтропии ничего общего не имеют. Физическое содержание: принцип существования энтропии характеризует термодинамические свойства систем, а принцип воз- растания энтропии – наиболее вероятное течение реальных процессов. Мате- матическое выражение принципа существования энтропии – равенство, а принципа возрастания – неравенство. Области применения: принцип сущест- вования энтропии и вытекающие из него следствия используют для изучения физических свойств веществ, а принцип возрастания энтропии – для сужде- ния о наиболее вероятном течении физических явлений. Философское значе- ние этих принципов также различно. В связи с этим принципы существования и возрастания энтропии рас- сматриваются раздельно и математические выражения их для любых тел по- лучаются на базе различных постулатов. Вывод о существовании абсолютной температуры T и энтропии s как термодинамических функций состояния любых тел и систем составляет ос- новное содержание второго закона термодинамики и распространяется на любые процессы – обратимые и необратимые. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В связи с тем, что непрерывное получение работы из теплоты возмож- но только при условии передачи части отбираемой от горячего источника те- плоты холодному источнику, следует подчеркнуть важную особенность теп- ловых процессов: механическую работу, электрическую работу, работу магнитных сил и т.д. можно без остатка превратить в теплоту. Что же касается теплоты, то только часть ее может превращена в периодически по- вторяющемся процессе в механическую и другие виды работ; другая ее часть неизбежно должна быть передана холодному источнику. Этой важнейшей особенностью тепловых процессов определяется то особое положение, кото- рое занимает процесс получения работы из теплоты любых других способов получения работы (например, получения механической работы за счет кине- тической энергии тела, получения электроэнергии за счет механической ра- боты, производства работы магнитным полем за счет электроэнергии и т.д.). При каждом из этих способов преобразования часть энергии должна затрачи- ваться на неизбежные необратимые потери, такие как трение, электросопро- тивление, магнитная вязкость и др., переходя при этом в теплоту. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Кириллин В.А. и др. Техническая термодинамика: Учебник для вузов.- 4-е изд., перераб.- М.: Энергоатомиздат, 1983. 2. Основы теплотехники /В.С. Охотин, В.Ф. Жидких, В.М. Лавы- гин и др.- М.: Высшая школа, 1984. 3. Поршаков Б.П., Романов Б.А. Основы термодинамики и тепло- техники.- М.: Недра, 1988. 4. Теплотехника /под ред. В.И. Крутова.- М.: Машиностроение, 1986 5. Теплоэнергетика и теплотехника. Общие вопросы (справоч- ник).- М.: Энергия, 1980. 11
Объявления: Нужен Реферат! Коллекция ссылок
|
|||||||
