Превращения энергии. 
Термодинамика и теория теплообмена

Под превращением энергии следует понимать изменение каких-либо ее качественных свойств: формы движения, интенсивности движения или объемной плотности энергии. Превращения энергии могут протекать самопроизвольно (спонтанно) и принудительно. Самопроизвольные превращения сопровождаются рассеянием (диссипацией) или обесцениванием (деградацией) энергии, принудительные же превращения — концентрацией энергии.

Классификация элементарных превращений энергии представлена на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Превращение энергии:

УД, ТД — упорядоченное и тепловое движение соответственно;

С, П — самопроизвольное и принудительное превращение энергии соответственно; Т_С), Т_м — большая и меньшая термодинамическая температура соответственно, потенциал интенсивности теплового движения; ?1_С), П_м — большая и меньшая удельная плотность энергии поступательного движения соответственно Превращение первого рода — изменение формы движения (ФД), превращение второго рода — изменение интенсивности движения (ИД), превращение третьего рода — изменение плотности концентрации энергии (ПК).

Примером самопроизвольного превращения первого рода может служить превращение работы в теплоту, например в теплоту трения, джоулеву теплоту и т. д. Принудительным превращением первого рода является превращение теплоты в работу в различного рода тепловых двигателях.

Примером самопроизвольного превращения второго рода может быть передача теплоты от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой (от газов в топке котла к воде и пару, от батареи отопления к воздуху и т. п.). Принудительным превращением второго рода является передача теплоты от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой. Подобные процессы осуществляются в холодильных установках и тепловых насосах.

Самопроизвольное превращение третьего рода происходит, например, при дросселировании.

Второе начало (второй закон) термодинамики, изучая особенности изменения качественных свойств энергии, устанавливает:

• • направление, в котором может совершаться самопроизвольное превращение энергии, и меру превратимости энергии;
• • условия, при которых возможны принудительные превращения энергии, обратные самопроизвольным, и способы их осуществления;
• • принципы, вызывающие рассеяние (диссипацию) энергии и обесценивание (деградацию) энергии, и методы их количественной оценки.

Если первый закон термодинамики характеризует количественную сторону процессов превращения энергии, то второй закон термодинамики устанавливает качественную сторону и направленность процессов, происходящих в физических системах.

Один из основоположников классической термодинамики Р. Клаузиус в 1850 г. дал такую формулировку второго закона термодинамики: «Теплота не может сама собой переходить от более холодного тела к более нагретому».

В общем случае может быть предложена следующая формулировка второго закона термодинамики: обязательным условием совершения несамопроизвольного процесса является одновременное протекание компенсирующего самопроизвольного процесса. Так, для перехода теплоты от более холодного тела к более теплому необходимо протекание компенсирующего процесса совершения работы над рабочим телом (для передачи теплоты от морозильной камеры холодильника к окружающему воздуху необходима затрата работы на привод компрессора, заставляющего циркулировать рабочее тело — холодильный агент) и превращение этой работы в теплоту.

Для совершения несамопроизвольного процесса преобразования теплоты (), в работу Ь необходимо одновременное протекание компенсирующего самопроизвольного процесса отвода части теплоты |()₂| = (ф — от рабочего тела к теплоприемнику (обычно — к окружающей среде).

Таким образом, в соответствии со вторым законом термодинамики даже в идеальном тепловом двигателе невозможно всю подведенную теплоту полностью преобразовать в работу, т.с. получить двигатель с коэффициентом полезного действия, равным единице (так называемый «вечный двигатель второго рода»):

Выражение (1.49) также показывает, что для совершения кругового процесса, или цикла, необходимо иметь не менее двух источников теплоты разной температуры.

В наиболее общем виде содержание второго закона термодинамики составляет широкое обобщение особенностей теплоты, проявляющихся при ее передаче и превращении. Особенности передачи и превращения теплоты характеризуются энтропией 5, ее изменением, поэтому второй закон термодинамики может быть назван законом об энтропии.

Равенство дд = Тек может быть названо математическим выражением второго закона термодинамики для обратимых процессов. Применительно к круговым процессам можно записать:

Приведенный интеграл носит название интеграла Клаузиуса. Он является характеристикой любого обратимого цикла. Интеграл Клаузиуса можно рассматривать как математическую формулировку второго закона термодинамики для обратимых циклов.

Действительно, для того чтобы сумма членов вида ?/д/Г равнялась нулю, необходимо иметь в цикле участки с подводом теплоты (+А/) и участки с отводом ее (-?/д), т. е. этим самым утверждается невозможность осуществления цикла с одним источником тепла.

Если интеграл, взятый, но замкнутому контуру, равен нулю, то подынтегральное выражение (1у/Т является полным дифференциалом некоторой функции, названной Клаузиусом энтропией.