ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Равновесие фаа и фазовые превращения из "Элементы статистической механики, термодинамики и кинетики " Но если реагирующие вещества образуют изолированную систему, а фактически часто так и бывает в двигателях внутреннего сгорания, то их внутренняя энергия остается неизменной, и тепло не выделяется и не поглощается. Просто в результате реакции часть энергии связи молекул топлива переходит в энергию хаотического движения молекул продуктов горения, что приводит к повыщению их температуры и давления. Это и позволяет машине совершать работу. [c.108] Между прочим, воздушная турбинка тоже работает за счет тепла. Если баллон с газом, вращающим турбинку, находится в хорошем тепловом контакте с окружающей средой, температура газа, а стало быть, и его внутренняя энергия остаются неизменными. Поэтому он совершает работу за счет того тепла, которое поглощает от. своего окружения Правда, при закачивании газа в баллон мы такое же количество тепла окружающей среде передаем. Но это не меняет сути дела. Мы видим, что вовсе не обязательно сжигать топливо, чтобы превращать тепло в работу. [c.109] очевидным источником неравновесности в случае упомянутой выше турбинки будет разница давлений окружающей среды и газа в баллоне. [c.109] что эта работа будет тем больше, чем больше величина внешних сил, против которых она совершается. Газ, вытекающий из баллона, совершит тем больше работы, чем с большей силой лопасти турбинки будут противодействовать его истечению. Но максимальная величина этой силы определяется давлением в баллоне. Если давление внешних сил будет больше, газ не будет вытекать, он будет, наоборот, закачиваться обратно. Таким образом, для ползшения максимальной работы нужно переводить систему в равновесное состояние так, чтобы все время удерживать ее в механическом равновесии с внешними силами. При этом скорость перехода будет бесконечно мала, силы трения будут отсутствовать , процесс будет обратимым, и полная энтропия системы будет оставаться неизменной. [c.111] Это условие—обратимый перевод системы из неравновесного состояния в равновесное—является общим условием получения максимальной работы, справедливым во всех случаях. Однако конкретные причины, приводящие к потере работы при необратимости перехода, могут иметь разное обличье. [c.111] В случае воздушной турбинки мы называем их силами трения, назначение которых состоит в том, чтобы переводить часть внутренней энергии не в работу, а в тепло. [c.111] При конечной же скорости переноса процесс идет необратимо чтобы заставить заряды двигаться обратно, их нужно сначала остановить. При этом конечной,будет и скорость изменения концентрации ионов в электролите. Поэтому их равновесное распределение по обе стороны полупроницаемой перегородки не будет успевать, как следует, устанавливаться и определяемая этим распределением разность потенциалов будет уменьшаться. Она будет становиться меньше, чем величина ЭДС. Такой же механизм уменьшения напряжения при конечной величине отбираемого тока действует во всех химических источниках тока, и его обычно учитывают, вводя представление о внутреннем сопротивлении источника. [c.112] Карно придумал, и как реализовать получение этой максимальной таботы. Он ввел в игру еще одно действующее лицо — рабочее тело которое первоначально находится под поршнем в цилиндре при температуре и давлении окружающей среды. А что происходит с ним дальше, показано на PV- и ГА-диаграммах рис.5.9. [c.113] Сначала рабочее тело адиабатически сжимается до тех пор, пока его температура не станет равна температуре нагревателя Т (линия /2). После этого оно приводится в тепловой контакт с нагревателем и, изотермически расширяясь, обратимо отбирает от него тепло АН (линия 2У). На рис.5.9б это тепло равно площади фигуры Sg235. [c.113] После этого рабочее тело расширяется адиабатически до тех пор, пока его температура не примет начальное значение (линия 34). [c.113] А потом оно приводится в тепловой контакт со средой и, сжимаясь по изотерме 41, отдает ему тепло dQ. На рис.5.96 это тепло равно площади фигуры S41Sq. Из соотношения площадей на рис.5.96 можно еще раз убедиться в справедливости формулы (5.10). [c.113] О Это утверждение можно аргументировать и не входя в детали преобразования внутренней энергии в работу. Почему при Ш = АО неравновесная система нагреватель+холодильннк не может произвести работу Потому что ее внутренняя энергия в процессе установления равновесия остается неизменной все тепло от нагревателя переходит к холодильнику. Ясно поэтому, что работа будет тем больше, чем меньше будет энергия системы тело+среда в конце процесса установления за счет этого уменьшения энергии и совершается работа. Но конечное состояние этой теплоизолированной системы является равновесным и характеризуется определенным значением объема. Поэтому ее анергия будет тем меньше, чем меньше будет ее энтропия в силу определения (4.1) и ввиду положительности температуры производная (ди/дS)v о, и это означает, что при неизменном объеме энергия растет с увеличением энтропии и уменьшается при ее уменьшении. Но энтропия теплоизолированной системы не может убывать. В лучШем случае, при обратимости процесса, она будет оставаться неизменной. Это и есть условие получения максимальной работы при этом конечная энергия системы будет минимально возможной. [c.113] Рассмотрим, например, щкл Отто, часто используемый для поршневых бензиновых двигателей. Если внутрь цилиндра такого двигателя вставить датчик давления 1 (рис.5.10), а перемещение поршня регистрировать датчиком 2, то, подав сигналы от этих датчиков на соответствующие пластины осциллографа, мы увидим на его экране индикаторную диаграмму, примерный вид которой показан в верхней части рис.5.10. [c.114] Линия 01 индикаторной диаграммы не связана с каким-либо изменением состояния рабочих газов. Она отображает только замену отработавшей смеси свежей ее порцией. Поэтому для термодинамического анализа цикл представляют линией 12341 и считают, что в цилиндре постоянно находится некоторое условное рабочее тело, которое на изохоре 23 ползгчает тепло, необходимое для своего нагревания. [c.115] Воздушная же турбинка или концентрацишный элемент могут перевести в работу все тепло, которое они получают от окружающей среды. Потому что в этих случаях установление равновесия связано с перераспределением молекул в пространстве и не требует передачи тепла. [c.115] Точно так же, гальванический элемент может перевести в работу всю теплоту химической реакции, которая в нем происходит. И даже прихватить кое-что у окружающей среды, если теплоты реакции не хватит для совершения необходимой работы. [c.115] В поисках ответа на этот вопрос было открыто существование энтропии и был установлен второй закон термодинамики. [c.116] вращая газовую турбинку, можно закачать газ в баллон, и это будет уже, собственно говоря, не турбинка, а компрессор. Пропуская через концентрационный элемент ток в обратном направлении, можно увеличить разницу концентраций электролита в двух его половинах. Совершая работу над машиной Карно, можно еще больше нагреть нагреватель и охладить холодильник за счет передачи тепла от второго к первому. Именно на этом принципе основана работа всех холодильных машин. [c.116] Правда, сколько бы мы ни крутили бензиновый двигатель, мы не выжмем из него ни капли бензина. Но это показывает только, что двигатель работает в сугубо необратимом режиме горение топлива нельзя обратить вспять. [c.116] Так же, как и работа К, производимая системой в процессе установления равновесия, работа А, которую нужно совершить над системой для создания заданной неравновесности, зависит от способа проведения процесса. Используя те же соображения, которыми мы пользовались в п.2, легко понять, что требуемая работа будет минимальной при обратимом проведении процесса, когда полная энтропия системы остается неизменной. [c.116] Вернуться к основной статье