Почнемо з тези, яка є справидливо витікає зі спостережень і природних явищ: у природі всі макроскопічні процеси мають певний напрямок і в зворотному напрямку вони самочинно відбуватися не можуть.
Процеси, які можуть самочинно відбуватися тільки в одному напрямку, називають необоротними процесами.
Необоротність процесів у природі відображає другий закон (початок) термодинаміки, який має декілька еквівалентних формулювань.
У формулюванні німецького фізика та математика Рудольфа Клаузіуса він звучить так:
Неможливим є процес, єдиний результат якого — передача енергії у формі теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого.
Неможливим є процес, єдиний результат якого — передача енергії у формі теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого.
Зверніть увагу на слова «єдиний результат». Тепло довільно передається тільки від більш нагрітого тіла до менш нагрітого, при цьому з іншими тілами жодних змін не відбувається. Зворотний процес теж можливий, але результат не буде єдиним.
Наприклад, у холодильному пристрої тепло передається від менш нагрітої холодильної камери до теплішого навколишнього повітря, але при цьому витрачається електрична енергія.
Англійський фізик Вільям Томсон (лорд Кельвін) дав у 1851 р. таке формулювання другого закону (начала) термодинаміки:
Неможливим є періодичний процес, єдиний результат якого — виконання тілом механічної роботи за рахунок зменшення його внутрішньої енергії.
Неможливим є періодичний процес, єдиний результат якого — виконання тілом механічної роботи за рахунок зменшення його внутрішньої енергії.
Процеси, які не суперечать ані першому, ані другому законам термодинаміки, відбуваються в теплових машинах. Як приклад розглянемо роботу теплового двигуна.
Тепловий двигун — теплова машина циклічної дії, яка енергію, що виділяється під час згоряння палива, перетворює на механічну роботу.
Механічну роботу у двигуні виконує газ, який розширюючись тисне на поршень. Газ, який виконує механічну роботу в процесі свого розширення, називають робочим тілом. Щоб газ міг штовхати поршень, необхідно, щоб тиск під поршнем був більшим за зовнішній тиск. Таке підвищення тиску досягається за рахунок збільшення температури робочого тіла.
Пристрій, у контакті з яким робоче тіло одержує певну кількість теплоти, називають нагрівником. Робоче тіло не може нескінченно розширюватися. Для безперервної роботи двигуна необхідно, щоб поршень повертався у початкове положення. Газ при цьому буде стискатися, виконуючи від’ємну роботу. Щоб у цілому за цикл робота газу була додатною, тиск, а отже і температура газу під час стиснення, мають бути меншими, ніж тиск і температура під час розширення, тобто газ потрібно охолоджувати.
Об’єкт, у контакті з яким від робочого тіла береться деяка кількість теплоти, називають холодильником.
Будь-який тепловий двигун складається з трьох основних частин: нагрівника, робочого тіла, холодильника.
У тепловому двигуні відбувається циклічний періодичний процес, у результаті якого за рахунок зменшення внутрішньої енергії нагрівника виконується механічна робота. Однак цей результат не єдиний, тому що частина енергії передається холодильнику.
Внутрішня енергія робочого тіла за цикл не змінюється (внутрішня енергія — функція стану, а після закінчення циклу газ повертається у вихідний стан), тому згідно з першим законом термодинаміки робота \(A\), яку виконує газ за цикл, дорівнює:, де — кількість теплоти, одержана від нагрівника; — кількість теплоти, віддана холодильнику. Чим менше тепла віддається холодильнику (втрачається), тим більшим є ККД теплового двигуна.
Коефіцієнт корисної дії η двигуна — фізична величина, яка характеризує економічність теплового двигуна і дорівнює відношенню роботи, виконуваної двигуном за цикл, до кількості теплоти, одержуваної від нагрівника:
- Якщо в тепловому двигуні згоряє паливо, то , де \(q\) — питома теплота згоряння палива, \(m\) — маса палива.
- ККД теплового двигуна завжди менший від одиниці.
Аналізуючи роботу теплових двигунів, французький інженер Саді Карно (1796–1832) у 1824 р. дійшов висновку, що найбільш ефективним (із максимально можливим ККД) є так званий ідеальний тепловий двигун, який працює за циклом, що складається з двох ізотермічних і двох адіабатних процесів.
Карно довів, що ККД такого двигуна дорівнює: .
Другий закон (початок) термодинаміки у формулюванні С. Карно:
Будь-яка реальна теплова машина, що працює з нагрівником, який має температуру , і холодильником із температурою , не може мати ККД, який перевищує ККД ідеальної теплової машини.
Будь-яка реальна теплова машина, що працює з нагрівником, який має температуру , і холодильником із температурою , не може мати ККД, який перевищує ККД ідеальної теплової машини.
Формулювання Карно показує, що для збільшення ККД теплового двигуна потрібно зменшити температуру холодильника і (або) збільшити температуру нагрівника. Однак температуру холодильника не можна зменшити до нижчої, ніж температура довкілля, а температура нагрівника обмежена жаростійкістю матеріалів, з яких виготовлені поршень і циліндр двигуна. Тому максимальний ККД не може перевищувати 60-70 %.
Зараз основні зусилля інженерів спрямовані на збільшення реального ККД за рахунок зменшення втрат енергії під час тертя і втрат палива внаслідок неповного його згоряння.
Сучасну цивілізацію неможливо уявити без теплових двигунів. Найбільш широко їх використовують у теплових та атомних електростанціях, де потужні парові турбіни (двигуни зовнішнього згоряння) обертають ротори генераторів електричного струму. Теплові двигуні використовують і в більшості сучасних видів транспорту. На потужних літаках і ракетах встановлюють турбореактивні та реактивні двигуни, на легких літаках — поршневі. Водні судна можуть бути оснащені як дизельними двигунами (двигунами внутрішнього згоряння), так і турбінами.
Карбюраторні та дизельні двигуни приводять у рух більшість сучасних автомобілів. У курсі фізики 8 класу ви ознайомилися з роботою карбюраторного двигуна внутрішнього згоряння. Розглянемо, як працює дизельний двигун.
На відміну від карбюраторного двигуна (у якому пальна суміш утворюється ззовні циліндра та запалюється від електричної іскри), у дизельних двигунах пальна суміш утворюється безпосередньо всередині циліндра, а запалюється внаслідок підвищення температури повітря під час стиснення.
Холодильний пристрій — це пристрій циклічної дії, який підтримує в холодильній камері температуру нижчу, ніж температура довкілля.
Робочим тілом у холодильному пристрої є холодоагент — пара рідини, яка легко випаровується. Унаслідок стиснення холодоагент конденсується, при цьому виділяється велика кількість теплоти , яка через теплообмінник передається довкіллю. Стиснення газу здійснюється компресором, який виконує механічну роботу \(A′\) за рахунок електроенергії.
У випарнику тиск над поверхнею рідини зменшується, холодоагент випаровується, при цьому поглинається кількість теплоти .
Оскільки стиснення робочого тіла відбувається за більшого тиску, ніж його розширення, то робота газу за цикл є від’ємною і дорівнює: , а зовнішні сили за цикл виконують додатну роботу: .
Фізична величина, яка характеризує ефективність роботи холодильного пристрою і дорівнює відношенню кількості теплоти, забраної за цикл від холодильної камери, до роботи зовнішніх сил, називається холодильним коефіцієнтом пристрою:
Холодильний коефіцієнт пристрою може бути більшим за одиницю (на відміну від ККД теплового двигуна). Якщо трубки теплообмінника винести за межі приміщення, а холодильну камеру за лишити відчиненою, то холодильний пристрій забиратиме тепло з приміщення та віддаватиме його довкіллю. Так працює кондиціонер — електричний пристрій, призначений для охолодження повітря в приміщенні. Якщо трубки теплообмінника залишити в приміщенні, а відчинену холодильну камеру винести за його межі, то холодильний пристрій забиратиме тепло з довкілля і віддаватиме його приміщенню. Так працює тепловий насос — пристрій для обігріву приміщення.
Цікаво, що тепловий насос працює ефективніше за звичайний електричний обігрівач, бо в ході його роботи передана приміщенню кількість теплоти більша, ніж робота електричного струму. Сучасні кондиціонери мають два режими роботи: влітку вони працюють як кондиціонери, взимку — як теплові насоси.