Второй закон термодинамики. Тепловые двигатели

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
указывает направление возможных энергетических превращений в природе.
КАКОЙ ПРОЦЕСС В ПРИРОДЕ НАЗЫВАЕТСЯ НЕОБРАТИМЫМ?

ПРОЦЕСС, ОБРАТНЫЙ КОТОРОМУ
САМОПРОИЗВОЛЬНО ПРОТЕКАТЬ НЕ МОЖЕТ, НАЗЫВАЕТСЯ НЕОБРАТИМЫМ.
Попробуйте привести примеры необратимых процессов.

Необратимые процессы:
Процесс перехода механической энергии во внутреннюю
Затухающие колебания маятника
Процесс теплообмена (переход теплоты от горячего тела к холодному)
Диффузия(процесс проникновения веществ друг в друга)
Падение тел под действием силы тяжести
Расширение газа с большим числом молекул

НЕСКОЛЬКО ФОРМУЛИРОВОК ВТОРОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ.
Несмотря на внешнее различие, выражают в сущности одно и то же.
1. Замкнутая система из большого числа частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния( из менее вероятного) в менее упорядоченное состояние(более вероятное).

2. Невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.
(Р. Клаузиус)
3. невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты в эквивалентную ей работу. (У. Кельвин)

Если бы реки потекли вспять, означало бы это нарушение закона сохранения энергии?
Многие процессы в природе, вполне допустимые законом сохранения энергии, никогда не протекают в действительности, т.к. имеют определённую направленность.

Какой закон запрещает этот процесс?
Нет, этот процесс (превращение кинетической энергии в потенциальную) не противоречит закону сохранения энергии.
Второй закон термодинамики

ПЛАН:
1. Какие устройства называются тепловыми двигателями? Примеры.
2. Принцип действия теплового двигателя (схема)
а) что является рабочим телом в тепловых двигателях, его назначение?
б) где и как получают температуру нагревателя?
в) что является холодильником в тепловых двигателях, его роль?
3. Что называют КПД теплового двигателя? Как его найти?
а) почему КПД теплового двигателя всегда меньше 1 (100%)?
б) как найти КПД идеальной тепловой машины?
в) почему КПД реального двигателя всегда меньше КПД идеальной тепловой машины?
г) пути повышения КПД

Примеры:
Какие устройства называются тепловыми двигателями?
Устройства, преобразующие внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.
Паровая машина
Двигатель внутреннего сгорания
Паровая и газовая турбина
Реактивный двигатель
Холодильная машина

а) Рабочее тело (газ или пар ) при расширении совершающее работу.
б) Нагреватель с температурой T1, сообщающий энергию рабочему телу.
Температуру нагревателя, например, в паровых турбинах пар приобретает в паровом котле, а в двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах получают нагретый газ при сгорании топлива внутри самого двигателя.
в) Холодильник с температурой T2,
поглощающий часть энергии от рабочего тела.
Холодильником у многих двигателей является атмосфера, а у паровых турбин устройства для охлаждения пара – конденсаторы.
Три основных элемента любого теплового двигателя
2. Принцип действия теплового двигателя

Для непрерывного совершения механической работы во всех тепловых машинах используются замкнутые (циклические) процессы.
Механическая работа в двигателе совершается при расширении рабочего тела.
Для цикличной работы двигателя необходимо возвращение рабочего тела в первоначальное состояние, т.е. сжатие.
В процессе работы теплового двигателя периодически повторяются процессы расширения и сжатия газа.

Для оценки эффективности преобразования внутренней энергии газа в механическую работу, совершаемую за цикл, вводится коэффициент полезного действия
В тепловом двигателе нельзя преобразовать в механическую работу всё количество теплоты, получаемое рабочим телом от нагревателя (2 закон термодинамики).
Некоторое количество теплоты отдаётся холодильнику
Работа, совершаемая двигателем за цикл равна

3. Коэффициент полезного действия двигателя – отношение работы, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Как вы думаете, почему?
Например , для паровой турбины с температурой нагревателя 800 К и температурой холодильника 300 К максимальное значение КПД – 62% , а действительное значение КПД – 40%

Для повышения КПД теплового двигателя теоретически следует понижать температуру холодильника и увеличивать температуру нагревателя.
Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха.
В какое время года, согласно теории, КПД выше?
Повышать температуру нагревателя можно, однако материалы, из которых изготавливают двигатели, обладают ограниченной теплостойкостью и жаропрочностью.
Усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счёт уменьшения трения частей и потерь топлива вследствие его неполного сгорания.
В реальных тепловых двигателях всегда есть бесполезные энергетические потери (трение, нагревание деталей), которые не предусмотрены в идеальном тепловом двигателе.

Тепловые двигатели имеют исключительно важное значение в жизни человеческого общества.
Тепловые двигатели сыграли и играют большую роль в развитии энергетики и транспорта.
Можно без преувеличения утверждать, что тепловые двигатели основные преобразователи энергии топлива в другие виды энергии, с их помощью вырабатывается 80% электроэнергии.
Тепловые двигатели – необходимый атрибут современной цивилизации.

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ
ОБРАЗЕЦ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ НА КПД ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ.
Задача№195. В идеальной тепловой машине за счёт каждого килоджоуля энергии, получаемой от нагревателя, совершается работа 300 Дж. Определить КПД машины и температуру нагревателя, если температура холодильника 280 К.
Дано : Решение:

Решите задачу самостоятельно:
В процессе работы тепловой машины за некоторое время рабочим телом было получено от нагревателя количество теплоты
и передано холодильнику
Вычислите КПД машины и сравните его с максимально возможным КПД, если температура нагревателя и холодильника соответственно равны 250 и 30

Проверьте решение:
Дано: Решение: