Курс общей физики. Механика и молекулярная физика - Ландау Л.Д.
Скачать (прямая ссылка):
207
«Медленность» является вообще характерной особенностью обратимых процессов: процесс должен быть настолько медленным, чтобы участвующие в нем тела как бы успевали в каждый момент времени оказаться в состоянии равновесия, соответствующем имеющимся в этот момент внешним условиям (в примере с расширением газа он должен успевать следовать за поршнем, оставаясь однородным по своему объему). Полная обратимость могла бы быть достигнута лишь в идеальном случае сколь угодно медленного процесса; уже поэтому всякий реальный процесс, происходящий с конечной скоростью, не может быть полностью обратимым.
Мы уже упоминали, что в системе тел, находящейся в тепловом равновесии, без внешнего вмешательства никаких процессов происходить не может. Это обстоятельство имеет и другой аспект: с помощью тел, находящихся в тепловом равновесии, невозможно произвести никакой работы, так как работа связана с механическим движением, т. е. с переходом энергии в кинетическую энергию тел.
Это чрезвычайно важное утверждение о невозможности получения работы за счет энергии тел, находящихся в тепловом равновесии, называется вторым законом термодинамики. Мы постоянно окружены значительными запасами тепловой энергии, находящейся в состоянии, близком к равновесию. Двигатель, работающий только за счет энергии находящихся в тепловом равновесии тел, был бы для практики своего рода «вечным двигателем». Второй закон термодинамики исключает возможность построения такого, как говорят, венного двигателя второго рода, подобно тому как первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) исключает возможность построения вечного двигателя первого рода, который бы совершал работу «из ничего», без внешнего источника энергии.
§ 63. Цикл Карно
Таким образом, работу можно произвести только с помощью системы тел, не находящихся в тепловом равновесии друг с другом.
Представим себе схематически такую систему, как совокупность двух тел с различной температурой. Если мы 208
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
I ГЛ. VIJI
просто приведем в соприкосновение оба тела, то тепло перейдет от горячего тела к холодному, но никакой работы при этом произведено не будет. Переход тепла от горячего тела к холодному является необратимым процессом, и этот пример демонстрирует общее правило: необратимые процессы препятствуют совершению работы.
Если мы хотим извлечь из имеющихся в нашем распоряжении тел наибольшую возможную работу, мы должны вести процесс по возможности обратимым образом: избегать всяких необратимых процессов и пользоваться лишь такими процессами, которые могут идти в равной степени в обоих направлениях.
Возвращаясь к нашей системе двух тел, обозначим их температуры T1 и T2 (пусть T2^T1); будем условно называть более нагретое тело нагревателем, а более холодное — охладителем. Поскольку непосредственный обмен теплом между этими телами недопустим, то прежде всего ясно,
что для производства работы необходимо привлечь еще одно, вспомогательное тело; будем называть его рабочим телом. В качестве этого тела можно представить себе цилин-C дрический сосуд с газом под
поршнем.
_^ Будем изображать проис-
Y ходящий с рабочим телом про-Puc. з. цесс на диаграмме р, V (рис. 3).
Пусть газ первоначально находился при температуре T2 и его состояние изображалось на диаграмме точкой А. Приведем рабочее тело в соприкосновение с нагревателем и будем расширять газ; при этом газ получит от нагревателя некоторое количество тепла, оставаясь все время при температуре T2 нагревателя (запас тепла у нагревателя предполагается настолько большим, что, отдавая газу некоторое небольшое количество тепла, он не изменит своей температуры). Таким образом, процесс изотермического расширения газа производится обратимым образом, поскольку переход тепла происходит лишь между телами с одинаковой температурой. На рис. 3 этот процесс изображается изотермой AB. § 63]
ЦИКЛ КАРНО
209
Отсоединим теперь рабочее тело от нагревателя, теплоизолируем его и подвергнем дальнейшему расширению, на этот раз адиабатическому. При таком расширении газ охлаждается, и будем продолжать расширение до тех пор, пока температура газа не упадет до температуры охладителя T1. Этот процесс изображается на диаграмме адиабатой ВС, более крутой, чем изотерма AB, поскольку при адиабатическом расширении давление падает быстрее, чем при изотермическом расширении.
Далее приведем рабочее тело в соприкосновение с охладителем и подвергнем газ изотермическому (при температуре T1) сжатию, причем он отдает некоторое количество тепла охладителю.
Наконец, отсоединив рабочее тело от охладителя и подвергнув газ адиабатическому сжатию, возвратим его в исходное состояние (для этого надо должным образом подобрать точку D, т. е. объем, до которого доводится изотермическое сжатие CD).
Таким образом, рабочее тело испытало круговой процесс, возвратившись в исходное состояние, но произведя при этом определенную работу, изображающуюся площадью криволинейного четырехугольника ABCD. Совершение этой работы произошло за счет того, что на верхней изотерме рабочее тело отняло у нагревателя большее количество тепла, чем оно отдало охладителю на нижний изотерме. Все этапы этого кругового процесса обратимы и потому произведенная работа — максимальная возможная (при заданной затрате тепла нагревателем).
