Структура тепловых машин. Простейшее устройство, способное превращать теплоту в работу, может быть реализовано в циклическом процессе в идеальном газе. В этом случае D U = 0 и полная работа, совершенная системой за цикл, равна количеству теплоты, поступившему в систему: A = Q .Таким образом, в замкнутом цикле осуществляется превращение количества теплоты в работу.
Тепловой машиной называется устройство, способное многократно совершать работу за счет поглощения количества теплоты от внешнего источника, т. е. многократно превращать количество теплоты в работу.
Рассмотрим схему тепловой машины. Количество теплоты Q нагр поступает в рабочий объем из резервуара, имеющего температуру O нагр . В результате циклического процесса, происходящего с рабочим телом, часть количества теплоты превращается в работу А=Q нагр -|Q холод |, а другая часть Q холод передается холодильнику, находящемуся при температуре O холод .
Коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины.
(7.1)
Холодильные машины . Холодильная машина — циклическая тепловая машина, предназначенная для отъема количества теплоты и понижения температуры рабочего объема. Это происходит за счет работы, совершаемой внешним источником над рабочим телом .
Характеристикой эффективности холодильника является параметр Q холод /|А |, представляющий отношение количества теплоты, извлеченной из рабочей камеры, к затраченной на этот процесс работе.
Второй закон (второе начало) термодинамики . При анализе работы тепловых машин возникает естественный вопрос: существует ли теоретический предел увеличения эффективности работы тепловых машин?
Если да, то какими законами этот предел регулируется?
Как следует из выражения для КПД тепловой машины, максимум этого выражения достигается при |Q холод | = 0 . Словами это означает, что все поступившее в систему количество теплоты переходит в работу, а рабочее тело после каждого цикла возвращается в исходное состояние. Аналогично параметр эффективности холодильной машины стремится формально к бесконечности, если |А| (r) 0 . Это означает, что количество теплоты, перешедшей в окружающую среду, равно количеству теплоты, извлеченной из рабочего тела холодильника, но при этом никаких других изменений в окружающей среде не произошло.
Многочисленные попытки сконструировать тепловые машины с КПД, приближающимся к 100%, оказались безуспешными, хотя на первый взгляд они не противоречили известным законам, в том числе первому закону термодинамики (закону сохранения энергии). К середине XIX в. отрицательный результат был сформулирован в виде второго закона термодинамики .
Второй закон термодинамики (формулировка У. Кельвина и М. Планка): Не существует циклического процесса, который извлекает количество теплоты из резервуара при определенной температуре и полностью превращает эту теплоту в работу.
Второй закон термодинамики (формулировка Р. Клаузиуса): Не существует процесса, единственным результатом которого является передача количества теплоты от менее нагретого тела к более нагретому .