Законы термодинамики и термодинамические величины (функции) системы часть 2

Подытожим определение понятия энтальпии. Так же, как и внутренняя энергия, энтальпия характеризует состояние вещества, но включает энергию, расходуемую на преодоление внешнего давления за ее расширение, то есть на работу расширения. Как и внутренняя энергия, энтальпия определяется состоянием системы и не зависит от пути перехода из одного состояния в другое. В системах, что у них в процессе перехода из одного состояния в другое изменение объема незначительна (твердые тела, жидкости), разница между и будет также незначительным (величина будет незначительной по сравнению с). Открытие первого закона термодинамики — преобразования тепла в работу, к которому ученые приближались течение жизни нескольких поколений, завершилось трудами Мейера и Джоуля. Открылись новые горизонты познания природы, но именно этот закон одновременно и лишил человечество фантастической мечты — изобрести средство получить без затраты энергии. С того времени патентные службы всех стран мира отказались регистрировать изобретения «вечного двигателя — perpetuum mobile». Распрощавшись навсегда с такой мечтой, человечество задалось уже другим вопросом: как все тепло, которое поступает в систему, превратить в работу? Возможно ли это? Ответ дает второй закон термодинамики , честь открытия которого принадлежит французскому инженеру и ученому-физику С. Карно (1796 — 1832).
рунетки
Интересно, что С. Карно для расчета тепловой машины использовал ложную идею представления о тепле как о веществе, что течет от одного тела к другому. Сам он работал над водяными двигателями (водяные мельницы и другие машины такого рода), которые работали из-за разницы уровней воды «на входе» и «на выходе». Уподобив тепловые машины водяным, С. Карно, которому не было еще 30 лет, сформулировал, на первый взгляд простую, но действительно гениальную мысль: для выполнения работы тепловой машиной необходима разница температур рабочего тела (пара) «на входе» и «на выходе» с машины. Как видим, аналогия с водяным двигателем определила успех подхода к открытию второго закона термодинамики. Мы не будем здесь приводить описание опытов с «идеальной тепловой машиной», которая забирает теплоту от нагревателя и отдает холодильнике, опытов, которые позволили определить знаменитый «Цикл Карно». Приведем лишь (для любознательных) несколько общих расчетов работы такой идеальной тепловой машины (расчет работы изотермического процесса уже приводился). Рис. 16. Цикл Карно идеальной тепловой машины На первом отрезке цикла (И — II) идеальный газ при неизменной начальной температуры подогревателя, от которого поступает тепло, выполняет работу А изотермического расширения: . Работа на этом участке выполняется только за счет тепла, поступающего в систему, так как по — внутренняя энергия газа также не меняется. Итак, можно записать:. На втором отрезке цикла (II — iii) система продолжает выполнять работу без поступления тепла в адиабатическом процессе расширения за счет уменьшения внутренней энергии. Следующий процесс цикла (ИИИ — iv) — изотермический сжатия газа происходит при постоянной температуре холодильника за счет затраты внешней работы (над системой):. При этом тепло, в которое трансформируется работа сжатия газа системы, полностью переходит к холодильнику (внутренняя энергия системы не изменяется). Итак,. На последнем отрезке цикла (IV — I) для сжатия газа необходимо, как и на предыдущем, потратить внешнюю работу над системой, но за адиабатического процесса, в котором энергия работы полностью расходуется на повышение внутренней энергии температуры системы . Отрезок (IV — и) завершает цикл при температуре нагревателя, и система возвращается в исходное состояние. Анализируя приведенные выше расчеты А n и А x и график цикла Карно, заметим , что площадь, ограниченная V 1 — I — II — III — V 3, отражает полную работу системы идеального газа ( S сист.) по увеличение ее объема от V 1 до V 3, а площадь, ограниченная V 1 — I — II — III — V 3, — работу внешней силы над системой — S надсистем., Уменьшая объем от V 3 до V 1. Это возвращает систему к исходному состоянию. При этом всегда S сист.> S надсистем ... Итак, вывод: такая тепловая машина может работать непрерывно, превращая за каждого цикла лишь часть тепловой энергии, полученной от нагревателя, в работу, которая равна разнице площади S сист. и S надсистем., то есть площади, ограниченной графиком цикла Карно (I — II — III — IV — I). Итак, идеальная машина превратила в работу только часть тепла — «Высокотемпературную энергию» (за), которую получила от подогревателя, а вторую часть — &Mdash; «Транзитом» уже как «низкотемпературную» (за) передала холодильнике. Запишем их соотношение: или, или. Размер и является известным коэффициентом полезной энергии (полезного действия) как искусственной машины, так и природных процессов, например океанических течений от теплых широт к полярным. Как видим, всегда меньше единицы. Именно это и является одним из положений второго закона термодинамики. Иллюстрацией действия второго закона термодинамики в естественном процессе может быть явление, которое уже было рассмотрено в определение энтальпии фотосинтеза: коэффициент конверсии солнечной энергии, поступающей к зеленому листа с температурой, близкой к температуре выхода, составляет лишь 0,02 ... 0,04. В технике за счет большей разницы температур рабочего вещества «на входе» и «на выходе», например в двигателях внутреннего сгорания или турбинах, коэффициент конверсии (полезного действия) на порядок выше. Из сказанного можно сделать два важных вывода: 1) все произвольные процессы как в природе, так и в технике, которые связаны с преобразованием энергии, могут происходить только в условиях снижения ее концентрированности, своеобразного рассеяния, как это имеет место, когда тепло «энергии высокой температуры» горячего предмета произвольно «перетекает» в холодный предмет и, нагревая его, рассеивается в нем, превращаясь в «энергию низкой температуры»; 2) что ниже концентрированность энергии, тем меньше эффективность ее преобразования (ниже) в упорядоченную форму энергии — работу или внутреннюю энергию химической структуры вещества. В процессах преобразования тепла в работу коэффициент конверсии () увеличивается, когда больше разница температур между теплом «на входе» и «на выходе» рабочего вещества. По второму закону термодинамики именно мера концентрированности энергии или структурной упорядоченности системы в целом определяется специальной функцией состояния системы — энтропией (от греч. &Mdash; преобразование). Энтропия обозначается большой латинской буквой S . Как и известные нам функции состояния системы: давление ( P ), объем ( V ), температура ( T ), внутренняя энергия ( U ) и энтальпия ( H ), новая функция — энтропия характеризует состояние системы и ее изменения.