Как известно, С. Карно рассматривал только идеальные обратимые циклы тепловых машин. Такие циклы состоят из ряда равновесных процессов. Бели термодинамическая система находится в равновесии, то в ней не происходят никакие изменения. Любое нарушение равновесия в рассматриваемой термодинамической системе на бесконечно малую величину приводит к изменению параметров системы (давления, объема или температуры) в одном или другом направлении в зависимости от направления возмущающего воздействия. Например, газ, находящийся в цилиндре с подвижным поршнем, находится в состоянии равновесия с окружающей средой, т. е. его температура, давление и удельный объем во всех частях цилиндра одинаковы и неизменны с течением времени. Если газу сообщать бесконечно медленно энергию в тепловой форме (нагреть его), то это приведет к бесконечно медленному перемещению поршня. В этом случае давление системы (газа) по всему цилиндру будет восстанавливаться до прежнего значения.
Если от газа бесконечно медленно отводить энергию в тепловой форме, то его температура и давление также будут бесконечно медленно понижаться. Поршень в этом случае будет бесконечно медленно опускаться. Давление газа по всему объему почти мгновенно будет восстанавливаться.
Если в какой то момент времени нагрузка на поршень увеличится или уменьшится на бесконечно малую величину, то поршень опустится или поднимется на бесконечно малую величину. В этом случае газ в цилиндре сожмется или расширится на бесконечно малую величину. При этом процессы расширения или сжатия происходят относительно медленно. Термин относительно означает следующее. Если поршень в цилиндре быстро переместить, то перед ним образуется волна давления, которая мгновенно распространяется по всему объему. Давление во всем объеме газа выровняется в течение примерно 10"19 секунды. Если поршень перемещать в течение 0,001 секунды, то этот отрезок времени по отношению к промежутку времени, в течение которого происходит выравнивание давления газа по всему объему цилиндра, будет бесконечно большим. Отрезок времени, в течение которого происходит восстановление давления газа по всему объему, называется временем релаксации.
Учитывая это обстоятельство, процесс сжатия газа можно осуществить таким образом, что процесс его расширения (обратный процесс) пройдет через те же самые состояния, т. е. линия расширения совпадет с линией сжатия. Но это можно сделать только в идеальном случае. В реальных условиях осуществить такие равновесные процессы с газом не представляется возможным.
При сжатии газа затрачивается энергия в механической форме не только на преодоление силы давления, но и на преодоление силы трения, возникающей между поршнем и стенками цилиндра. В результате сжатия газа происходит передача и преобразование энергии. Энергия в механической форме частично накапливается газом в форме упругой деформации (потенциальной энергии давления), а частично преобразуется во внутреннюю энергию (тепловую форму). Вместе с тем, из-за трения часть механической энергии будет преобразована в тепловую форму (цилиндр и поршень нагреются). От цилиндра энергия в тепловой форме может быть рассеяна в окружающую среду. Следовательно, если газу предоставить возможность расширяться, то его потенциальная энергия упругой деформации и часть внутренней энергии будут возвращены обратно в механической форме. Но количество отдаваемой газом энергии в механической форме в этом случае будет меньше количества энергии, затраченной на его сжатие. Как при сжатии, так и при расширении из-за трения поршня о стенки цилиндра происходит диссипация механической энергии. Следовательно, процесс расширения не совпадет с процесс сжатия. В этом случае, процессы сжатия и расширения не будут взаимно обратимыми.
Таким образом, все реально происходящие в природе процессы являются Неравновесными (необратимыми). Необратимость процессов, прежде всего, связана с преобразованием энергии из механической формы в тепловую с последующим ее частичным или полным рассеиванием в окружающую среду.
Необратимые процесса переноса энергии в тепловой форме могут идти только в одном направлении. На это обратил внимание Р. Клаузиус. Действительно, всем известно, что произойдет, если привести в контакт источник тепловой энергии с температурой 7\ с приемником тепловой энергии с температурой Т2 (Ti > Т2). В этом случае окажутся непосред-
|
Граница п^шодимамичестй системы
Рис. 8.35. Схема потоков тепловой энергии в изолированной термодинамической Системе |
Ственном в контакте два тела с разной температурой (рис. 8.35). Такая мза/трованнаятермодинамическая система не взаимодействует с окружающей средой ни в форме теплоты, ни в форме работы. В этом случае возникает поток энергии в тепловой форме от более нагретого тела к менее нагретому телу (Т2<Тх). Всю энергию, отводимую от теплоотдатчика с температурой Ti, получит теплоприемник с температурой Т2. В этом случае перенос энергии в тепловой форме от более нагретого источника к менее нагретому теплоприемнику будет односторонним, т. е., необратимым, так как в обратном направлении самопроизвольная передача энергии в тепловой форме невозможна (для этого требуется специальная тепловая машина — тепловой насос).
Определим изменение энтропии тел, участвующих в обмене энергией в тепловой форме:
• изменение энтропии теплоотдатчика ASi = Q\/T\\
• изменение энтропии теплоприемника AS2 = Q2/T2.
Так как Q2 = Qi = Q, то можно записать, что
Выражение (8.138) показывает, что энтропия в результате теплообмена Возрастает.
Такой же эффект может произойти при работе реального теплового двигателя (тепловой машины). В тепловом двигателе происходит преобразование энергии из тепловой формы в механическую форму. Вместе с тем, при движении поршня в цилиндре расширительной машины между ним и стенкой возникает трение, которое приводит к преобразованию энергии из механической формы в тепловую форму. Поэтому часть полученной механической энергии будет затрачена на преодоление силы трения, возникающей между стенкой цилиндра расширительной машины и движущимся поршнем. В идеальном случае количество механической энергии, получаемой от теплового двигателя в результате осуществления рабочим телом циклического процесса (AU = 0) равно: = Q\— Q2.
Реально от двигателя получают меньшее количество энергии в механической форме: WgeЗ = Qi — Q*2-
В результате трения в реальном циклическом процессе в окружающую среду отводится больше тепловой энергии, чем в идеальном циклическом процессе (Q2 > Q2). В результате этого получается, что W^ < Следовательно, из-за трения, возникающего между стенкой цилиндра расширительной машины и движущимся поршнем, энтропия теплоприемника в реальном циклическом процессе еще больше возрастает по сравнению с изменением энтропии в идеальном циклическом процессе:
12 12
Аналогичная ситуация имеет место при работе тепловой машины по обратному циклу (холодильник, тепловой насос).
Практика осуществления реальных необратимых процессов показала, что они ведут к возрастанию энтропии системы.
Р. Клаузиус обобщил эту закономерность на любые необратимые энергетические процессы, введя принцип возрастания энтропии:
• Во всех реальных процессах преобразования энергии в изолированных термодинамических системах суммарная энтропия всех участвующих в них (процессах) тел возрастает.
Все тепловые двигатели, установленные на транспортных средствах любого назначения (включая ракетно-космические) неизбежно ведут к росту энтропии, так как в них осуществляются неравновесные циклические процессы. Огромное количество энергии в тепловой форме выделяется в результате торможения наземных транспортных средств, в которых эффект торможения базируется на силе трения. В результате трения происходит преобразование энергии из механической формы в тепловую форму. Чем больше возрастание энтропии, тем больше степень необратимости процесса.
Р. Клаузиус сформулировал важнейший принцип в термодинамике — Принцип энтропии, который полностью вписывается во второе начало (закон). Этот принцип состоит из двух положений:
• В идеальных (обратимых) процессах суммарная энтропия участвующих в них тел не изменяется;
• В реальных (необратимых) процессах суммарная энтропия участвующих в них тел увеличивается.
Энтропия — основная величина, определяющая возможность (или невозможность) протекания процессов в любых системах преобразования вещества и энергии с позиций второго начала термодинамики. Если суммарная энтропия участвующих в процессе тел не изменяется (идеальный процесс) или увеличивается (реальный процесс), то процесс возможен, Если уменьшается — процесс невозможен.
Уменьшение энтропии в изолированных системах второй закон термодинамики запрещает.
Увеличение энтропии системы свидетельствует о том, что энергия накапливается при низкой температуре. Но чем меньше температура источника энергии, тем меньшее количество ее можно преобразовать из тепловой формы в механическую форму при прочих равных условиях. Следовательно, тепловая энергия, запасенная при низкой температуре, по качеству уступает энергии, накопленной при высокой температуре.
Клаузиус отметил, что возрастание энтропии является характерным признаком естественных процессов и соответствует запасанию энергии при более низких температурах. Это указывает на то, что естественные процессы в природе направлены на понижение качества энергии.
Такое истолкование связи энергии и энтропии, при котором энтропия характеризует условия запасания и хранения энергии, имеет большое практическое значение.
Сжигая уголь, дрова, бензин, дизельное топливо, мазут, газ и др. виды сырья, мы полагаем, что уменьшаем количество энергии. В действительности, первый закон термодинамики утверждает, что энергия постоянна, т. е. количество энергии не изменяется. Она лишь переходит из одной формы в другую. В этом смысле энергетический кризис невозможен (количество энергии не изменяется). Но сжигая топливо, мы увеличиваем энтропию окружающей среды, так как энергия переходит к менее нагретым телам. Качество энергии тем самым понижается. Энергия становится высокоэнтропийной, т. е. менее «работоспособной».
Таким образом, человечество должно заботиться в первую очередь о качестве энергии, а не ее количестве. Экономное расходование энергии означает контроль за использованием высококачественной (низкоэнтропийной) энергии.