33 вопрос

§ 43. Третье начало термодинамики

Третье начало термодинамики – теорема Нернста-Планка – постулирует поведение термодинамических систем при нуле кельвина (абсолютном нуле): энтропия всех тел в состоянии равновесия стремится к нулю по мере приближения температуры к нулю Кельвина: .

§ 44. Тепловые двигатели и холодильные двигатели

Тепловой двигатель – это периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет полученной извне теплоты.

Термостатом называется термодинамическая система, которая может обмениваться с теплотой с телами практически без изменения собственной температуры.

Рабочее тело – это тело, совершающее круговой процесс обменивающееся энергией с другими телами.

Принцип работы теплового двигателя: от термостата с более высокой температурой называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты , а термостату с более низкой температурой , называемому холодильником за цикл передается количество теплоты , при этом совершается работа .

Рисунок 44.1

Термический КПД двигателя:

. (44.1)

Чтобы КПД был равен 1, необходимо, чтобы , а это запрещено вторым начало термодинамики.

Процесс, обратный происходящему в тепловом двигателе, используется в холодильной машине: от термостата с более низкой температурой за цикл отнимается количество теплоты и отдается термостату с более высокой температурой .

При этом или =.

Количество теплоты , отданное системой термостату , больше количества теплоты, полученного от термостата на величину работы, совершенной над системой.

Эффективность холодильной машины характеризует холодильный коэффициент  - отношение отнятой от термостата с более низкой температурой количества теплоты к работеА, которая затрачивается на приведение холодильной машины в действие

. (44.2)

§ 45. Теорема Карно.Цикл Карно

Из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей и холодильников , наибольшим КПД обладают обратимые машины. При этом КПД обратимых машин, работающих при одинаковых температурах нагревателей и холодильников, равны друг другу и не зависят от природы рабочего тела, а определяются только температурами нагревателя и холодильника.

Рисунок 45.1

Наиболее экономичный обратимый круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат.

Рассмотрим прямой цикл Карно, в котором в качестве рабочего тела используется идеальный газ, заключенный в сосуд с подвижным поршнем.

Последовательные термодинамические процессы в цикле Карно: 1-изотерма-2-адиабата-3-изотерма-4-адиабата-1.

Работа, совершаемая в результате кругового процесса

Для адиабат 2-3 и 4-1 уравнения Пуассона ,

 откуда 

Используя это, термический КПД цикла Карно:.