Кругові процеси (цикли)
Газ, отримуючи тепло і розширюючись, виконує роботу. Для безперервного отримання роботи потрібно, щоб робоче тіло постійно поверталося у вихідний стан і знову повторювався той самий процес, т. е. щоб був круговим, циклічним. При цьому якусь роботу треба виконувати над газом, стискаючи його та повертаючи у вихідний стан. Для того, щоб теплова машина робилапозитивну роботу необхідно, щоброзширення газу відбувалося за більш високому тиску, ніж стиск. Це можливо, якщо при розширенні в систему надходитиме енергіяQ1ззовні, наприклад, від нагрівача, а при стисканні енергіяQ2повинна бути віддана зовнішньому середовищу–холодильнику.
Після здійснення циклу ми повертаємося у вихідний стан із тією ж внутрішньою енергією. Отже, ΔU= 0, а підведене теплоQ1, за вирахуванням віддається холодильникуQ2, переходить у корисну роботуA=Q1 - Q2. Для оцінки ефективності роботи вводятькоефіцієнт корисної дії (ккд) теплової машини : (38).
Робота машини тим ефективніше, що більше можна отримати від неї роботиAі що менше треба підводити тепла від нагрівачаQ1.
Як показав С.Карно, максимальний ккд виходить для циклу, що складається з двох ізотерм і двох адіабат (т.зв. цикл Карно) (рис.). Газ розширюється з точки 1 в точку 2 по ізотермі при температурі Т1 . При цьому в рівнянні (19) ΔU= 0 робота розширення газуA> 0, тобто до газу повинна підводитися енергія від нагрівачаQ1> 0.
У тепловій машині частина теплоти, взятої від нагрівача, перетворюється на роботу, а інша частина повинна бути передана холодильнику. Нагрівач охолоджується, а холодильник нагрівається.
З одного боку, ми знаємо, що при цьому ентропія зростає. З іншого боку, к.п.д. такої теплової машини поступово падатиме, так як і при Т1 → T2 к.п.д. η → 0. Загальна енергія системи, що включає нагрівач, холодильник, робоча речовина та тіло, над яким виконується робота, залишається незмінною, але роботи виходить все менше і менше. У межі, коли Т1 = T2 теплота від нагрівача не може бути використана зовсім. Тоді внутрішня енергія нагрівача стає марною. Таким чином,зростання ентропії відповідає знецінюванню енергії.
Ентропію можна пов'язати зі ступенем упорядкованості системи. Збільшення ентропії відповідає збільшенню безладдя.Ентропія – це міра безладдя. У прикладах (рис.) система переходила з менш імовірного, впорядкованого, нерівноважного стану більш імовірний, неупорядкований, рівноважний.
Обчислимо зміну ентропії для ідеального газу, виходячи з диференціальнихвиразів для зміни ентропії та I початку термодинаміки:
dS=δQ / T; (41)
Враховуючи, відповідно до рівняння Клапейрона , що , і підставившиpу δQ,а δQу вираз дляdS, отримаємо :
, яке після інтегрування визначаєзміна ентропії ідеального газу при переході від стану 1 зТ1 таV1 до стану 2 зТ2 таV2 : (42 ).
Другий початок термодинаміки
Перший початок термодинаміки (19, 41), тобто закон збереження енергії, справедливий за будь-якого процесу обміну енергією. Воно не вказує напрямок процесу, для нього неважливо, чи буде тепло передаватися від гарячого тіла до холодного або навпаки, чи буде мимовільно розширюватися газ або стискатися і т.д.
Однак із розглянутого вище випливає, що:
1. Будь-яка система, виведена зі стану рівноваги і надана собі, повертається в рівноважний стан. Такі, наприклад, незворотні процеси перенесення: речовини (дифузія), енергії (теплопровідність), імпульсу впорядкованого руху (внутрішнє тертя чи в'язкість).
2. Механічна робота може бути повністю перетворена на теплоту, тобто енергія впорядкованого руху може повністю перейти в енергію невпорядкованого руху. Однак, енергія неупорядкованого руху (теплота) може бути перетворена на енергію впорядкованого руху (роботу) лише частково. Неможливий процес, єдиним результатом якого було б повне перетворення теплоти на роботу. Тобто, ккд теплової машиниη