Любой равновесный процесс - обратимый, т.к. он состоит из непрерывной последовательности равновесных состояний

Обратимые процессы - абстракция, но их изучение принципиально важно, ибо: а) многие процессы в природе и технике почти обратимы, б) обратимые процессы очень экономичны; имеют большой термический КПД.

Для описания термодинамических процессов первого начала термодинамики недостаточно, т.к. выражая закон сохранения и превращения энергии, оно не определяет направленности процесса.

Исторически второе начало термодинамики возникло из анализа работы тепловых двигателей.

Тепловой двигатель(Рис.7.3) состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.

T₁ – температура нагревателя, Т₂ - холодильника. T₁ > T₂. За цикл от нагревателя отнимается количество теплоты Q₁ и теплота Q₂ - отдается холодильнику;

A = Q₁ - Q₂ - работа газа.

Чтобы КПД = 1, необходимо иметь Q₂ = 0 , т.е. всего один источник тепла (Q₁ = A) , а это невозможно.

Французский инженер Карно доказал, что для работы теплового двигателя необходимы два или более источника теплоты с различными температурами.

Рис.7.3.

Невозможностьсоздания теплового двигателя с одним источником теплоты (вечный двигатель второго рода) составляет содержание второго начала термодинамики в формулировке Кельвина - Планка:

1). Вечный двигатель второго рода невозможен.

2). Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя, в работу.

Процесс, обратный рассмотренному выше, реализуется в холодильной машине(Рис.7.4)..

В ней:T₁ > T₂ .

Рабочее тело получает от холодильника количество теплоты Q₂ и отдает нагревателю тепло Q₁, при этом внешние силы совершают работу. => работа системы за цикл A < 0.

Рис.7.4.

Т.к.. Q₁ > Q₂ на величину работы, совершенной над системой, следовательно, без совершения работы нельзя отобрать тепло от менее нагретого тела и отдать более нагретому.

Это содержание второго начала термодинамики в формулировке Клаузиуса:

Теплота никогда не может переходить сама собой от тел с более низкой температурой к телам с более высокой температурой.

7.5. Цикл Карно. Максимальный КПД тепловой машины. Независимость КПД цикла Карно от природы рабочего тела.

Из второго начала термодинамики Карно вывел теорему:

Из всех периодически действующих машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей и холодильников, наибольшим КПД обладают обратимые машины . При этом КПД обратимых машин равны друг другу и не зависят от конструкции машины.

Цикл Карно - самый экономичный и состоит из двух изотерм и двух адиабат.

Рассмотрим прямой цикл Карно (рабочее тело - идеальный газ в цилиндре с поршнем – Рис.7.5). Найдем КПД.

1 - 2: Работа изотермического расширения: . (7.5.1.)

2 - 3: Работа адиабатического расширения: .

3 - 4: Работа изотермического сжатия: . (7.5.2.)

Рис.7.5. 4 - 1: Работа адиабатического сжатия:

.

Работа за весь круговой цикл равна: A = Q₁ + A₂₃ - Q₂ - A₂₃ = Q₁ - Q₂ . (Заштрихованная площадь).

Тогда термический КПД:

Используя уравнение Пуассона для адиабатного процесса можно показать, что . Следовательно, КПД цикла Карно равен и не зависит от конструкции тепловой машины и рода вещества рабочего тела.