всі процеси у замкненій термодинамічній системі проходять таким чином, що її ентропія не зменшується.

У цьому формулюванні суттєвим є те, що мова йде про замкнені системи, оскільки в незамкнених системах ентропія може поводитися будь-яким чином.

Отже, аналізуючи значення цього закону для термодинаміки в цілому, можна зробити висновок, що якщо І принцип термодинаміки виражає закон збереження енергії при термодинамічних процесах, то ІІ принцип термодинаміки відповідає на питання про напрямок розвитку цих процесів.

Історія розвитку термодинаміки, зокрема той шлях, яким наукова думка прийшла до ІІ принципу термодинаміки, є вельми складною і драматичною. Тому існують кілька рівноцінних формулювань цього принципу, авторами яких є різні фізики, але можна довести, що вони еквівалентні сформульованому вище. Наприклад, Клаузіус сформулював ІІ принцип термодинаміки таким чином:

неможливі такі процеси, єдиним результатом яких є передача теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого.

Не слід думати, що ІІ принцип термодинаміки взагалі забороняє перехід теплоти від холодного тіла до гарячого. У холодильній машині відбувається саме такий перехід. Але в холодильній машині він не є єдиним наслідком даного процесу, оскільки відбуваються також зміни в навколишньому середовищі, пов’язані з виконанням над термодинамічною системою роботи, лише частина якої використовується для передачі даної теплоти.

При зниженні температури термодинамічної системи до абсолютного нуля (Т = 0) стани всіх часток (молекул, атомів), з яких складається система, будуть визначені однозначно, тобто термодинамічна ймовірність стану системи при цьому дорівнює 1. Згідно зі співвідношенням (2.2.11), це означає, що при Т = 0 ентропія будь-якої системи S = 0. Виходячи з цього, можна сформулювати теорему Нернста-Планка:

ентропія термодинамічної системи у стані рівноваги прямує до нуля при наближенні до нуля абсолютної температури:

.

(2.3.2)

Цю теорему називають також третім принципом термодинаміки, оскільки вона визначає суттєві закономірності процесів, що протікають у термодинамічних системах при низьких температурах. Наприклад, за допомогою ІІІ принципу термодинаміки можна довести, що теплоємності C_P i C_V дорівнюють нулю при Т = 0.

4. Теплові машини

В залежності від принципу дії та призначення теплові машини можна розділити на теплові двигуни і холодильні машини.

Тепловим двигуном називається двигун періодичної дії, що виконує роботу за рахунок теплоти, яку він отримує від зовнішнього джерела.

Будь-який тепловий двигун має у своєму складі систему, що періодично здійснює певний круговий процес (цикл). Під час цього циклу робоче тіло (газ) спочатку розширюється від об’єму V ₁ до об’єму V ₂, а потім стискається до початкового об’єму V ₁ (Рис. 2.1.1а). Для того, щоб робота, виконана системою за цикл, була позитивною (тобто, щоб цикл був прямим), необхідно, щоб тиск (а, отже, і температура) під час розширення газу був вищим, ніж при стисканні. Для цього робочому тілу під час розширення необхідно передавати теплоту, а під час стискання – віднімати. Тому у складі теплового двигуна повинні бути відповідне джерело теплоти (нагрівач) і резервуар для відведення теплоти (охолоджувач).

Принцип дії теплового двигуна схематично зображено на рис. 2.4.1а. Джерелом для отримання теплоти двигуном є нагрівач, який має температуру Т ₁, а резервуаром для відведення теплоти є охолоджувач з температурою Т ₂ (Т ₁ > Т ₂). Протягом циклу двигун отримує від нагрівача кількість теплоти Q ₁ (під час розширення), а потім віддає охолоджувачу кількість теплоти Q ₂ (під час стискання). При цьому двигуном виконується робота:

A = Q ₁ – Q ₂.

Коефіцієнт корисної дії цього процесу:

.

(2.4.1)

Згідно з цим співвідношенням, максимальний к.к.д. h = 1 може бути досягнутий за умови Q ₂ = 0, але теоретично доведено, що це неможливо навіть для ідеального процесу, а тому завжди h < 1.

Принципово інший процес здійснюється в холодильній машині.

Теплова машина, в якій під дією зовнішніх сил здійснюється циклічний процес, в результаті якого відбирається теплота від менш нагрітого тіла і передається більш нагрітому, називається холодильною машиною.

Схематично принцип дії холодильної машини показаний на рис. 2.4.1 б. За рахунок зовнішньої механічної роботи А, яка виконується над робочою речовиною, відбирається певна кількість теплоти Q ₂ від більш холодного тіла з температурою Т ₂ і передається кількість теплоти Q ₁ більш нагрітому тілу з температурою Т ₁. Як було зазначено вище, для цього система повинна виконувати зворотний цикл (див. рис. 2.1.1 б). Різниця

Q ₁ – Q ₂ = A

дорівнює виконаній протягом циклу роботі зовнішніх сил над системою. Без виконання цієї роботи, згідно з ІІ принципом термодинаміки, процес передачі теплоти від більш холодного тіла до більш гарячого неможливий.

Теоретично доведено, що найбільш економічним, тобто таким, що має найбільш високий к.к.д., є цикл, що складається з послідовно виконаних двох ізотермічних і двох адіабатних процесів (рис. 2.4.2). Такий круговий процес називається циклом Карно, а теплова машина, що працює за цим циклом, називається ідеальною.

Теоретичний аналіз циклу Карно дозволяє отримати таке співвідношення для к.к.д. цього циклу:

(2.4.2)

Отже, к.к.д. циклу Карно визначається абсолютними температурами нагрівача й охолоджувача і підвищується при зростанні різниці цих температур. Оскільки, як зазначено вище, цикл Карно є найбільш економічним з усіх теоретично можливих, то співвідношення (2.4.2) визначає верхню границю для к.к.д. теплової машини із заданими температурами нагрівача й охолоджувача. Це співвідношення також дає можливість зробити важливий висновок, що для підвищення к.к.д. теплової машини необхідно підвищувати температуру нагрівача і знижувати температуру охолоджувача.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: