Роль термодинамики в современной физике

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Тепловые явления отличаются от механических и электромагнитных тем, что законы тепловых явлений необратимы (т.е. тепловые процессы самопроизвольно идут лишь в одном направлении) и что тепловые процессы осуществляются лишь в макроскопических масштабах, а поэтому используемые для описания тепловых процессов понятия и величины (температура, количество теплоты и т.д.) также имеют только макроскопический смысл (о температуре, например, можно говорить применительно к макроскопическому телу, но не к молекуле или атому). Вместе с тем знание строения вещества необходимо для понимания законов тепловых явлений.

Тело, рассматриваемое с термодинамической позиции, является неподвижным, не обладающим механической энергией. Но такое тело обладает внутренней энергией, складывающейся из энергий движущихся электронов и т.д. Это внутренняя энергия может увеличиваться или уменьшаться. Передача энергии может осуществляться путем передачи от одного тела к другому при совершении над ними работы и путем теплообмена. Во втором случае внутренняя энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому без совершения работы. Переданную энергию называют количеством теплоты, а передачу энергии - теплопередачей. В общем случае оба процесса могут осуществляться одновременно, когда тело при утрате внутренней энергии может совершать работу и передавать теплоту другому телу. К пониманию этого ученые пришли не сразу. Для XVIII и первой половине XIX вв. было характерно понимать теплоту как невесомую жидкость (вещество).

Представления о теплоте как форме движения мельчайших частиц материи появилось еще в XVII веке. Этих воззрений придерживались Бэкон, Декарт, Ньютон, Гук, Ломоносов. Однако и в XIX веке концепция теплорода разделялась многими учеными. В конце XVIII века Б.Томпсон (граф Румфорд) обнаружил выделение большого количества тепла при высверливании канала в пушечном стволе, что посчитал доказательством того, что теплота является формой движения. Получение теплоты с помощью трения подтвердили опыты Г. Дэви. Б. Томпсон показал, что из ограниченного количества материи может быть получено неограниченное количество теплоты.

Возникновение собственно термодинамики начинается с работы С. Карно (сам термин "термодинамика" введен Б. Томпсоном). Исследуя практическую задачу получения движения из тепла применительно к паровым машинам, он понял, что принцип получения движения из тепла необходимо рассматривать не только по отношению к паровым машинам, но к любым мыслимым тепловым машинам. Так был сформулирован общий метод решения задачи - термодинамический, заложивший основу термодинамики. Определяя коэффициент полезного действия тепловых машин, Карно ввел свой знаменитый цикл, состоящий из двух изотермических (происходящих при постоянной температуре) и двух адиабатических (без притока и отдачи тепла) процессов. КПД цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела (пара, газа и т.д.) и определяется температурами теплоотдатчика и теплоприемника. КПД любой тепловой машины не может быть при тех же температурах теплоотдатчика и теплоприемника выше КПД цикла Карно.

Карно первым вскрыл связь теплоты с работой. Но он исходил из концепции теплорода, признававшей теплоту неизменной по количеству субстанцией. Вместе с тем Карно уже понял, что работа паровой машины определяется всеобщим законом перехода тепла от более высоких к более низким температурам, т.е. что не может быть беспредельного воспроизведения движущей силы без затрат теплорода. Таким образом, работа представлялась как результат перепада теплорода с высшего уровня на низшие. Иначе говоря, теплота может создавать работу лишь при наличии разности температур. По своему смыслу это и составляет содержание второго начала термодинамики. КПД тепловой машины оказался зависимым не от рабочего вещества, а от температуры теплоотдатчика и теплоприемника. Все это позволило Карно прийти к признанию принципа невозможности создания вечного двигателя первого рода (т.е. непрерывно действующей машины, которая, будучи однажды запущенной, совершала бы работу без притока извне).

Осознавая недостатки теории теплорода, Карно в конце концов отказывается от признания теплоты неизменной по количеству субстанцией и дает значение механического эквивалента теплоты. Но публикация этого вывода была осуществлена уже после признания закона сохранения энергии, поэтому данный вывод не сыграл той роли. которую мог сыграть, будучи опубликованным ранее. Но так или иначе Карно заложил основы термодинамики как раздела физики, изучающего наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. Термодинамика стала развиваться на основе фундаментальных принципов или начал, являющихся обобщением результатов многочисленных наблюдений и экспериментов.

1. Первое начало термодинамики

Первое начало термодинамики (закон сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам) гласит: при сообщении термодинамической системе (например, пару в тепловой машине) определенного количества теплоты в общем случае происходит при приращении внутренней энергии системы и она совершает работу против внешних сил. Выше отмечалось, что первым, кто поставил теплоту в связь с работой, был Карно, но его работа в силу запоздалой публикации не оказала решающего воздействия на формирование первого начала термодинамики. Однако идея о том, что теплота - не субстанция, а сила (энергия), одной из форм которой и является теплота, причем эта сила, в зависимости от условий, выступает в виде движения, электричества, света, магнетизма, теплоты, которые могут превращаться друг в друга, существовала в умах исследователей. Для превращения этой идеи в ясное и точное понятие, необходимо было определить общую меру этой силы, это сделали, независимо друг от друга, Р. Майер, Д. Джоуль и Г. Гельмгольц.

Р. Майер первым сформулировал закон эквивалентности механической работы и теплоты и рассчитал механический эквивалент теплоты (1842 г.). Д. Джоуль экспериментально подтвердил предположение о том, что теплота является формой энергии и определил меру превращения механической работы в теплоту. Г. Гельмгольц в 1847 г. математически обосновал закон сохранения энергии, показав его всеобщий характер. Подход всех трех авторов закона сохранения энергии был различным. Майер отталкивался больше от общих положений, связанных с аналогией между "живой силой" (энергией), которую приобретали тела при своем падении в соответствии с законом всемирного тяготения, и теплотой, которую отдавали сжатые газы. Джоуль шел от экспериментов по выявлению возможности использования электрического двигателя как практического источника энергии (это обстоятельство и заставляло его задуматься над вопросом о количественной эквивалентности работы и теплоты). Г. Гельмгольц пришел к открытию закона сохранения энергии, пытаясь применить концепцию движения Ньютона к движению большого числа тел, которые находятся под влиянием взаимного притяжения. Его вывод о том, что сумма силы и напряжения (т.е. кинетической и потенциальной энергией) остается постоянной, является формулировкой закона сохранения энергии в его наиболее общей форме. Этот закон - величайшее открытие XIX века. Механическая работа, электричество и теплота - различные формы энергии. Д. Бернал так охарактеризовал его значение: "Он объединил много наук и находился в исключительной гармонии с тенденциями времени. Энергия стала универсальной валютой физики - так сказать, золотым стандартом изменений, происходивших во вселенной. То, что было установлено, представляло собой твердый валютный курс для обмена между валютами различных видов энергии: между калориями теплоты, килограмметрами работы и киловатт-часами электричества. Вся человеческая деятельность в целом - промышленность, транспорт, освещение и, в конечном счете, питание и сама жизнь - рассматривалась с точки зрения зависимости от этого одного общего термина - энергия".

2. Второе начало термодинамики

Второе начало термодинамики - закон возрастания энтропии: в замкнутой (т.е. изолированной в тепловом и механическом отношении) системе энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые, равновесные процессы), либо возрастает (при неравновесных процессах) и в состоянии равновесия достигает максимума. Существуют и другие эквивалентные формулировки второго начала термодинамики, принадлежащие разным ученым: невозможен переход теплоты от тела более холодного к телу, более нагретому, без каких-либо других изменений в системе или окружающей среде (Р. Клаузиус); невозможно создать периодически действующую, т.е. совершающую какой-либо термодинамический цикл, машину, вся работа которой сводилась бы к поднятию некоторого груза (механической работе) и соответствующему охлаждению теплового резервуара (В. Томсон, М. Планк); невозможно построить вечный двигатель второго рода, т.е. тепловую машину, которая в результате совершения кругового процесса (цикла) полностью преобразует теплоту, получаемую от какого-либо одного "неисчерпаемого" источника (океана, атмосферы и т.д.) в работу (В. Оствальд).

В. Томсон (лорд Кельвин) сформулировав принцип невозможности создания вечного двигателя второго рода, в 1852 году пришел к формированию концепции "тепловой смерти" вселенной. Ее суть раскрывается в следующих положениях. Во-первых, во вселенной существует тенденция к расточению механической энергии. Во-вторых восстановление механической энергии в прежнем количестве не может быть осуществлено. В-третьих, в будущем Земля очутится в непригодном для жизни человека состоянии. Через 20 лет Клаузиус приходит к тому же выводу, сформулировав второе начало термодинамики в виде: энтропия вселенной стремится к максимуму. (Под энтропией он понимал величину, представляющую собой сумму всех превращений, которые должны были иметь место, чтобы привести систему в ее нынешнее состояние.)

Суть в том, что в замкнутой системе энтропия может только возрастать или оставаться постоянной. Иначе говоря, во всякой изолированной системе тепловые процессы однонаправлены, что и приводит к увеличению энтропии. Стоит энтропии достигнуть максимума, как тепловые процессы в такой системе прекращаются, что означает принятие всеми телами системы одинаковой температуры и превращение всех форм энергии в тепловую. Наступление состояния термодинамического равновесия приводит к прекращению всех макропроцессов, что и означает состояние "тепловой смерти".

Для распространения второго начала термодинамики на другие необратимые процессы было введено понятие энтропии как меры беспорядка. Для изолированных систем (не пропускающих тепло) второе начало термодинамики можно выразить следующим образом: энтропия системы никогда не уменьшается. Система, находящаяся в состоянии равновесия, имеет максимальную энтропию.

Понятие энтропии связывают и с понятием информации. Система, находящаяся в упорядоченном состоянии, содержит много информации, а неупорядоченная система содержит мало информации. Так, например, текст книги содержит много информации, а случайный набор букв не несет информации. Информацию поэтому и отождествляют с отрицательной энтропией (или негэнтропией). При росте энтропии информация уменьшается.

Среди множества выдвинутых против этого вывода возражений наиболее известным было возражение Максвелла. Он исходил из того, что второе начало имеет ограниченную область примерения. Максвелл считал второе начало термодинамики справедливым, пока мы имеем дело с телами, обладающими большой массой, когда нет возможности различать в этих массах отдельные молекулы и работать с ними. Он предложил проделать мысленный эксперимент - представить себе существо, способное следить за каждой молекулой во всех ее движениях, и разделить какой-либо сосуд на две части перегородкой с маленьким отверстием в ней. Это существо (названное "демоном Максвелла"), способное различать отдельные молекулы, будет попеременно то открывать, то закрывать отверстие таким образом, чтобы быстро движущиеся молекулы могли переходить в другую половину. В этом случае "демон Максвелла" без затраты работы смог бы повысить температуру в первой половине сосуда и понизить во второй вопреки второму началу термодинамики.

Данный процесс асимметричен во времени - без внешнего вмешательства он не может стать обратимым. Т.е. бессмысленно ожидать в этом случае, что газы вернутся в первоначальное положение. Можно сказать, что в природе порядок стремится уступить место беспорядку. Однако можно привести примеры, которые как будто бы противоречат данному принципу возрастания энтропии. Так, живые системы в своем развитии усложняются, вырастающие из жидкости кристаллы являются упорядоченное этой жидкости и т.д. Однако полная энтропия системы вместе с окружающей средой возрастает, ибо биологические процессы осуществляются за счет энтропии солнечного излучения и т.д.

Л. Больцман, предпринявший попытку объяснить, почему порядок уступает место беспорядку, сформулировал H-теорему, являющуюся результатом соединения двух подходов к приближению газа к состоянию равновесия - макроскопического (законов ньютоновской механики, описывающих движение молекул) и микроскопического (исходящего из представления газа как стремящегося к беспорядочному перераспределению). Из теоремы следовал вывод о том, что энтропия может только возрастать - таково поведение термодинамических систем во времени.

Однако с Н-теоремой Больцмана оказался связанным парадокс, вокруг которого возникла дискуссия. Суть заключается в том, что с помощью одной основанной на механике Ньютона молекулярной теории доказать постоянный рост энтропии замкнутой системы нельзя, поскольку ньютоновская механика симметрична во времени - любое движение атомов, основанное на законах ньютоновской механики. может быть представлено как происходящее в обратном направлении. Т.к. асимметрию нельзя вывести из симметрии, то теорема Больцмана (которая на основе лишь одной механики Ньютона утверждает, что возрастание энтропии асимметричного во времени) не может быть верной - для доказательства необходимо было к законам механики добавить и асимметрию. Так что чисто механическая интерпретация закона возрастания энтропии оказывалась несостоятельной. На это первым обратили внимание Й. Лошмидт и Э. Цермело.

При выводе Н-теоремы Больцман кроме механики Ньютона опирался на предположение о молекулярном хаосе, которое, однако, не всегда верно. По теории вероятности, возможность того, что молекулы газа в упомянутом ранее сосуде будут двигаться не хаотично, а устремятся в какую-то одну его половину, не является нулевой, хотя и исчезающе мала. Поэтому можно сказать, что в принципе могут быть случаи, когда энтропия убывает, а хаотическое движение молекул будет упорядочиваться. Таким образом, Н-теорема Больцмана описывает механизм перехода газа из состояния с низкой энтропией в равновесное, но не объясняет, почему это происходит в одном и том же направлении во времени, а именно из прошлого в будущее. А раз это так, то больцмановская модель лишается временной асимметрии.

Но временная асимметрия - это реальный факт. Упорядоченность реальных систем может возникать за счет внешних воздействий, а не за счет внутренних беспорядочных флуктуаций (дом, например, воздвигается строителями, а не в результате внутренних хаотических движений). В реальности все системы формируются под воздействием окружающей среды. Для различения реальных систем, которые, отделясь от окружающей Вселенной, приходят в состояние с низкой энтропией, и больцмановских постоянно изолированных от окружающей среды систем, Г.Рейхенбах назвал первые ветвящимися структурами - в их иерархии упорядоченность каждой зависит от предыдущей. Ветвящаяся структура ведет себя асимметрично во времени по причине скрытого воздействия извне. При этом причина асимметрии - не в самой системе, а в воздействии. В реальном мире больцмановских систем нет.

Асимметричные во времени процессы существуют и в областях за пределами термодинамики. Примером таких процессов могут служить волны (в том числе радиоволны). Так, радиоволны распространяются от передатчика в окружающее пространство, но не наоборот. Аналогично обстоит дело с распространением волн от брошенного в пруд камня. Волны, бегущие от источника (предположим, брошенного в пруд камня) в разные стороны, называют запаздывающими. В принципе возможны и опережающие волны, которые могут возникнуть тогда, когда возмущения сначала проходят через удаленную точку, а затем сходятся в месте распространения источника волны. Изолированный пруд есть симметричная во времени система, как и больцмановский сосуд с газом. Брошенный в него камень создает ветвящуюся структуру. Радиоволна же обратно не вернется, ибо распространяется в безграничном пространстве. Здесь мы имеем дело с неограниченной диссипацией (рассеянием) волн и частиц, являющей собой еще один тип необратимой временной асимметрии. Значит, образование ветвящихся структур и необратимая асимметрия бесконечного волнового движения делают необходимым учет крупномасштабных свойств Вселенной.

Таким образом, дискуссия по поводу второго начала термодинамики привела к выводу, что законы микромира ситуацию с "демоном Максвелла" делают неосуществимой, но вместе с тем она способствовала уяснению того, что второе начало термодинамики является законом статистическим.

3. Третье начало термодинамики

Третье начало термодинамики (теорема Нернста): энтропия физической системы при стремлении температуры к абсолютному нулю не зависит от параметров системы и остается неизменной. Другие формулировки теоремы: при стремлении температуры к абсолютному нулю все изменения состояния системы не изменяют ее энтропии; при помощи конечной последовательности термодинамических процессов нельзя достичь температуры абсолютного нуля. М. Планк дополнил теорему гипотезой, согласно которой энтропия всех тел при абсолютном нуле температуры равна нулю. Из теоремы вытекают важные следствия о свойствах веществ при температурах, близких к абсолютному нулю: приобретают нулевое значение удельные теплоемкости при постоянных объеме и давлении, термический коэффициент расширения и давления. Кроме того, из теоремы следует недостижимость абсолютного нуля температуры при конечной последовательности термодинамических процессов.

Если первое начало термодинамики утверждает, что теплота есть форма энергии, измеряемая механической мерой, и невозможность вечного двигателя первого рода, то второе начало термодинамики объявляет невозможным создание вечного двигателя второго рода. Первое начало ввело функцию состояния - энергию, второе начало ввело функцию состояния - энтропию. Если энергия закрытой системы остается неизменной, то энтропия этой системы, состоящая из энтропий ее частей, при каждом изменении увеличивается - уменьшение энтропии считается противоречащим законам природы. Сосуществование таких независимых друг от друга функций состояния, как энергия и энтропия, дает возможность делать высказывания о тепловом поведении тел на основе математического анализа. Поскольку обе функции состояния вычислялись лишь по отношению к произвольно выбранному начальному состоянию, определения энергии и энтропии не были совершенными. Третье начало термодинамики позволило устранить этот недостаток. Важное значение для развития термодинамики имели установленные Ж.Л. Гей-Люссаком законы - закон теплового расширения и закон объемных отношений. Б. Клапейрон установил зависимость между физическими величинами, определяющими состояние идеального газа (давлением, объемом и температурой), обобщенное Д.И. Менделеевым.

Таким образом, концепции классической Термодинамики описывают состояния теплового равновесия и равновесные (протекающие бесконечно медленно, поэтому время в основные уравнения не входит) процессы. Термодинамика неравновесных процессов возникает позднее - в 30-х гг. ХХ века. В ней состояние системы определяется через плотность, давление, температуру и другие локальные термодинамические параметры, которые рассматриваются как функции координат и времени. Уравнения неравновесной термодинамики описывают состояние системы во времени.

4. Тепловые машины

Паровая машина. Первые практически действующие универсальные паровые машины были созданы русским изобретателем Иваном Ивановичем Ползуновым и англичанином Джемсом Уаттом.

В машине Ползунова из котла по трубам пар с давлением, немного превышающим атмосферное, поступал поочередно в два цилиндра с поршнями. Для улучшения уплотнения поршни заливались водой. Посредством тяг с цепями движение поршней передавалось мехам для трех медеплавильных печей.

Постройка машины Ползунова была закончена в августе 1766 г. Она имела высоту 11 м, емкость котла 7 м3, высоту цилиндров 2,8 м, мощность 29 кВт.

Машина Ползунова создавала непрерывное усилие и была первой универсальной машиной, которую можно было применять для приведения в движение любых заводских механизмов.

В паровой машине Д. Уатта два цилиндра были заменены одним закрытым. Пар поступал попеременно по обе стороны поршня, толкая его то в одну, то в другую сторону. В такой машине двойного действия отработавший пар конденсировался не в цилиндре, а в отдельном от него сосуде -- конденсаторе. Постоянство числа оборотов маховика поддерживалось центробежным регулятором. Разработка парового двигателя была завершена Д. Уаттом в 1784 г.

Главным недостатком первых паровых машин был низкий КПД. У паровозов КПД не превышал 9%.

Паровая турбина и ТЭЦ. Значительного повышения КПД удалось достигнуть в результате изобретения паровой турбины.

Первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была изготовлена шведским инженером Густавом Лавалем в 1889 г. Для работы паровой турбины за счет энергии, освобождаемой при сжигании каменного угля или мазута, вода в котле нагревается и превращается в пар. Пар нагревается до температуры более 500 °С и при высоком давлении выпускается из котла через сопло. При выходе пара внутренняя энергия нагретого пара преобразуется в кинетическую энергию струи пара. Скорость струи пара может достигнуть 1000 м/с. Струя пара направляется на лопатки турбины и приводит турбину во вращение. На одном валу с турбиной находится ротор электрического генератора. Таким образом энергия топлива в конечном счете преобразуется в электрическую энергию.

Современные паровые турбины обладают высоким КПД преобразования кинетической энергии струи пара в механическую энергию, превышающим 90%. Поэтому электрические генераторы практически всех тепловых и атомных электростанций мира, дающие более 80% всей вырабатываемой электроэнергии, приводятся в действие паровыми турбинами.

Температура пара, применяемого в современных паротурбинных установках, не превышает 580 °С (температура нагревателя Т1=853 К), а температура пара на выходе из турбины обычно не ниже 30 °С (температура холодильника Т2=303 К); поэтому максимальное значение КПД паротурбинной установки как тепловой машины равно:

а реальные значения КПД паротурбинных конденсационных электростанций составляют лишь около 40%.

Мощность современных энергоблоков котел -- турбина -- генератор достигает 1,2*106 кВт.

Для повышения КПД на многих электростанциях тепло, отбираемое от паровой турбины, используется для нагревания воды. Горячая вода поступает в систему бытового и промышленного теплоснабжения.

Коэффициент полезного использования топлива в такой теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) повышается до 60--70%.

Тепловые машины и транспорт. Различные виды тепловых машин являются основой современного транспорта. Тепловые машины приводят в движение автомобили и тепловозы, речные и морские корабли, самолеты и космические ракеты. Одной из наиболее распространенных тепловых машин, используемых в различных транспортных средствах, является двигатель внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания. Среди способов увеличения КПД тепловых двигателей один оказался особенно эффективным. Сущность его состояла в устранении части потерь теплоты перенесением места сжигания топлива и нагревания рабочего тела внутрь цилиндра.

Отсюда и происхождение названия -- «двигатель внутреннего сгорания».

Первый двигатель внутреннего сгорания был создан в 1860 г. Французским инженером Этье-ном Ленуаром, но эта машина была еще весьма несовершенной.

В 1862 г. французский изобретатель Бо де Роша предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл: 1) всасывание; 2) сжатие; 3) горение и расширение; 4) выхлоп. Эта идея была использована немецким изобретателей Н. Отто, построившим в 1878 г. первый четырехтактный газовый двигатель внутреннего сгорания. КПД этого двигателя достигал 22%, что превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех предшествующих типов.

Развитие нефтяной промышленности в конце XIX в. дало новые виды топлива -- керосин и бензин. В бензиновом двигателе для более полного сгорания топлива перед впуском в цилиндр его смешивают с воздухом в специальных смесителях, называемых карбюраторами. Воздушно- бензиновую смесь называют горючей смесью.

Для полного сгорания в составе смеси на один килограмм бензина должно приходиться не менее пятнадцати килограммов воздуха. Это означает, что рабочим телом в двигателях внутреннего сгорания фактически является воздух, а не пары бензина. В отличие от паровых машин здесь топливо сжигается для нагревания газа, а не для превращения жидкости в пар. Правда, наряду с нагреванием воздуха происходит и частичное изменение его состава: вместо молекул кислорода появляется несколько большее количество молекул углекислого газа и водяного пара. Азот, составляющий более ѕ воздуха, испытывает лишь нагревание.

Рис. 1

При движении поршня от верхнего положения до нижнего через выпускной клапан происходит засасывание горучей смеси в цилиндр (рис. 1). Этот процесс происходит при постоянном давлении. При обратном ходе поршня начинается сжатие горючей смеси. Сжатие происходит быстро, и поэтому процесс близок к адиабатическому.

В конце такта сжатия происходит воспламенение горючей смеси электрической искрой. Быстрое сгорание паров бензина сопровождается передачей рабочему телу -- воздуху -- количества тепла, резким возрастанием температуры, давления воздуха и продуктов сгорания. За короткое время горения смеси поршень практически не изменяет своего положения в цилиндре, поэтому процесс нагревания газа в цилиндре можно считать изохорическим.

Под действием давления горячих газов поршень совершает рабочий ход, газы адиабатически расширяются от объема vi до объема V2.

В конце рабочего такта открывается выпускной клапан и рабочее тело соединяется с окружающей атмосферой. Выпуск отработанных газов сопровождается передачей количества тепла Q2 окружащему воздуху, играющему роль охладителя.

Для поршневых двигателей внутреннего сгорания важной характеристикой, определяющей полноту сгорания топлива и значительно влияющей на величину КПД, является степень сжатия горючей смеси:

термодинамический поршневой паровой

где V2 и V1 -- объемы в начале и в конце сжатия. С увеличением степени сжатия возрастает начальная температура горючей смеси в конце такта сжатия, что способствует более полному ее сгоранию. В карбюраторных двигателях увеличению степени сжатия выше 8--9 препятствует самовоспламенение (детонация) горючей смеси, происходящее еще до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки. Это явление оказывает разрушающее действие на двигатель и снижает его мощность и КПД. Достигнуть высоких степеней сжатия без детонации удалось увеличением скорости движения поршня при повышении числа оборотов двигателя до 5--6 тыс. об/мин и применением бензина со специальными антидетонационными присадками.

Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания широко применяются в автомобильном транспорте. Они приводят в движение почти все легковые и многие грузовые автомобили.

Двигатель Дизеля. Для дельнейшего повышения КПД двигателя внутреннего сгорания в 1892 г. немецкий инженер Рудольф Дизель предложил использовать еще большие степени сжатия рабочего тела.

Высокая степень сжатия без детонации достигается в двигателе Дизеля за счет того, что сжатию подвергается не горючая смесь, а только воздух. По окончании процесса сжатия в цилиндр впрыскивается горючее. Для его зажигания не требуется никакого специального устройства, так как при высокой степени адиабатического сжатия воздуха его температура повышается до 600 -- 700 С. Горючее, впрыскиваемое с помощью топливного насоса через форсунку, воспламеняется при соприкосновении с раскаленным воздухом.

Подача топлива управляется особым регулятором, в результате чего процесс горения протекает не столь кратковременно, как в карбюраторном двигателе, а происходит изобарно, а затем адиабатно. При обратном движении поршня осуществляется выхлоп.

Современные дизели имеют степень сжатия =16 -- 21 и КПД около 40%. Более высокий коэффициент полезного действия дизельных двигателей обусловлен тем, что вследствие более высокой степени сжатия начальная температура горения смеси (480-- 630 °С) у них выше, чем у карбюраторных двигателей (330-- 480 °С). Этим обеспечивается более полное сгорание дизельного топлива. Дизельные двигатели используются в мощных грузовых автомобилях, тракторах, на судах речного и морского транспорта, тепловозах.

Газовая турбина. Все более широкое применение в современном транспорте получают газотурбинные двигатели. Газотурбинная установка состоит из воздушного компрессора 1, камер сгорания 2 и газовой турбины 3 (рис. 2). Компрессор состоит из ротора, укрепленного на одной оси с турбиной, и неподвижного направляющего аппарата.

При работе турбины ротор компрессора вращается. Лопатки ротора имеют такую форму, что при их вращении давление перед компрессором понижается, а за ним повышается. Воздух засасывается в компрессор, несколько ступеней лопаток компрессора обеспечивают повышение давления воздуха в 5--7 раз.

Процесс сжатия протекает адиабатно, поэтому температура воздуха повышается до температуры 200 °С и более.

Сжатый воздух поступает в камеру сгорания. Одновременно через форсунку в нее впрыскивается под большим давлением жидкое топливо -- керосин, мазут.

При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, получает некоторое количество тепла и нагревается до температуры 1500-- 2200 °С. Нагревание воздуха происходит при постоянном давлении, поэтому воздух расширяется и скорость его движения увеличивается.

Рис. 2

Движущийся с большой скоростью воздух и продукты горения направляются в турбину. Переходя от ступени к ступени, они отдают свою кинетическую энергию лопаткам турбины. Часть полученной турбиной энергии расходуется на вращение компрессора, а остальная используется для вращения винта самолета, винта морского корабля или колес автомобиля.

Вместо вращения винта самолета, теплохода или ротора электрогенератора газовая турбина может быть использована как реактивный двигатель. Воздух и продукты горения выбрасываются из газовой турбины с большой скоростью. Реактивная сила тяги, возникшая при этом, может быть использована для движения самолета, теплохода или железнодорожного транспорта.

Турбореактивными двигателями оборудованы известные всему миру самолеты ИЛ-62, ТУ-154.

5. Необходимые и достаточные условия существования систем.

Рождение жизни на Земле, ее развитие и существование, антропогенная деятельность находятся в строгом соответствии со вторым началом термодинамики - законом возрастания энтропии. Этот закон показывает, как и каким образом происходит неизбежное ухудшение качества окружающей среды для достижения главной цели - обеспечения существования жизни на планете и устойчивого развития.

Для эволюции упорядоченных систем и их существования требуются необходимые и достаточные условия:

- необходимы источники, снабжающие системы веществом, энергией с низкой энтропией;

- возможность избавления от отходов, обладающих высокой энтропией.

Особенность живого организма состоит в том, что он поддерживает себя на сравнительно низком уровне энтропии, пользуясь высококачественной энергией, за счет возрастания энтропии окружающей среды, а условием существования жизни является достаточность энтропийных запасов окружающей природной среды. Для обеспечения жизни окружающая среда должна находиться в "достаточном упорядоченном состоянии". В ней должны находиться ряд питающих подсистем: солнечное излучение, воздух, вода, минералы, растения, животные и т.п. Существование и развитие жизни создают новые высокоупорядоченные системы, но при этом ускоряются процессы возрастания энтропии. В окружающую среду (в космос) выносятся низкокачественные потоки энергии (длинноволновые излучения) и другие отходы человеческой цивилизации. Жизнь создает актуальную упорядоченность из неактуальной неупорядоченности. При этом происходит увеличение энтропии в неактуальной части общей системы. В нашем случае актуальной подсистемой является биосфера на Земле, неактуальной - космическое пространство, откуда приходит солнечное излучение, дающее жизнь на Земле. Туда же, в космическое пространство, рассеивается излучение с земной поверхности. Это излучение обладает большей энтропией, т.е. более низким качеством энергии, чем поток солнечного излучения. Поэтому рост упорядоченности в биосфере Земли с большим избытком оплачен увеличением энтропии Вселенной. Главное при этом заключается в том, что происходит перемещение роста энтропии в неактуальные части системы. Таким образом, в полном согласии с законом возрастания энтропии достигается локальное уменьшение энтропии в актуальных для жизни человека подсистемах. В действительности, нет ни одного процесса в жизни, где нарушался бы закон возрастания энтропии. Все процессы в биосфере связаны с этим законом. Человек, как высший продукт живой природы, находится на верхнем уровне энтропийной пирамиды, где ее значение имеет очень малое значение, но устойчивость этого уровня обеспечивается за счет значительного возрастания энтропии нижележащих уровней и других питающих подсистем. Положение уровня человека весьма чувствительно к любым внешним воздействиям и требуется большой набор дополнительных достаточных условий, обеспечивающих относительную стабильность существования этого уровня, сложившегося в ходе длительных процессов эволюции живой материи. Мало того, что для обеспечения человеческой жизни нужны воздух, вода, пища, жилище, солнечное излучение и многое другое, но требуется, чтобы вода и воздух были чистыми. Такие, к каким привык человек за долгие годы эволюционного развития. Требуется большой набор биотических и абиотических факторов, обеспечивающих достаточность устойчивости жизни. Быстрое изменение одного из этих факторов может нарушить устойчивость уровня в пирамиде, где находится человек. Ни состав воды, ни состав воздуха и т.д. не должны быстро меняться от состава, сложившегося за эволюционный период. Если, например, абиотические факторы меняются (состав воды, воздуха и т.п.), то скорость этих изменений должна быть такой, чтобы успевал срабатывать механизм адаптации живого организма. Необходимые (обязательное наличие низкой энтропии открытой подсистемы за счет большего прироста энтропии внешних питающих систем) и достаточные (набор биотических и абиотических факторов, постоянных или меняющихся со скоростью адаптации) условия обеспечивают устойчивость жизни в биосфере. Необходимо отметить, что эти условия не охватывают все стороны многогранной жизни человека и общества с его наукой, культурой, производством, искусством, этикой, моралью и т.д., однако они являются фундаментом и каркасом здания, в котором живет и творит человек.

Энтропия Земли.

Планета Земля вместе с живой и неживойприродой представляет собой сложнейшую самостоятельную экосистему, в которой нужно заботиться о ее состоянии, способном обеспечить существование жизни. Для этого необходимо, чтобы имелись, во-первых, источники, в которых будет происходить возрастание энтропии в системе "Земля - космос" за счет уменьшения энтропии в ноосфере, во-вторых, необходимы способы избавления от отходов человеческой цивилизации. Важнейшим источником энергии с низким значением энтропии является солнечное излучение, которое обеспечивает жизнедеятельность биосферы, протекание различных неравновесных процессов, включая фотосинтез и другие биохимические и биофизические реакции.

Длинноволновое тепловое излучение Земли, уходящее в космос, уносит часть "отходов" в виде приращения энтропии, как неизбежного побочного продукта многих земных процессов естественного и техногенного происхождения. Баланс энергии при этом сохраняется. Главное заключается в том, что солнечная энергия обладает более низкой энтропией (следовательно, более высоким качеством энергии), чем уходящее в космос длинноволновое излучение Земли, обладающее более высокой энтропией (следовательно, более низким качеством энергии). Иными словами, Земля получает от Солнца качественную энергию с низкой энтропией, а отдает в космос некачественное излучение с высокой энтропией и, таким образом, "очищается" от избытка энтропии. Последний процесс также важен, как и первый процесс получения качественного солнечного излучения. Эти две стороны пока не вызывают беспокойства: солнечного излучения хватит на миллионы лет, а приращение энтропии во Вселенной за счет поступления избытков энтропии от антропогенной деятельности ничтожно мало. Вопрос в другом. В результате научно-технической революции и научно-технического прогресса нарушается устойчивое равновесие системы "человек - среда". В настоящее время настолько много различных видов загрязнений биосферы, что требуются специальные дополнительные меры для их утилизации. Но с другой стороны, для их утилизации требуется энергия и средства. Это вызывает приращение энтропии в других областях, которые поставляют эту энергию и средства.

Возникает заколдованный круг, одно место очищают, передвигая отходы в другое место, аналогично тому, что дымовая труба строится выше с тем, чтобы продукты выхлопа уносились по возможности дальше, в соседнюю область. Если рассматривать в целом весь Земной шар, то категория "чистое производство", "полная утилизация" при глобальном балансе представляет собой избавление от своих отходов за счет увеличения их суммарного количества на планете. Для выхода из этого порочного круга можно рассмотреть два пути:

- лучше и эффективнее использовать солнечное излучение;

- найти и ввести новые источники энергии с низкой энтропией.

По первому способу возможно в недалеком будущем в космосе создать приемники солнечного излучения в виде совершенных гелиобатарей и передавать эту энергию на Землю.

По второму способу можно использовать атомную или термоядерную энергию. При этом имеем низкую энтропию процессов высвобождения энергии при превращении атомных ядер. Однако, при всё увеличивающемся росте энергопотребления (например, в 102раз больше, чем в настоящее время) снова встанет проблема захоронения радиоактивных отходов в огромных количествах и избавления от тепловых загрязнений. Бросовое тепло от атомных станций и других источников энергии вызовет существенный нагрев атмосферы, гидросферы, литосферы, что является серьезной угрозой, нарушающей устойчивое равновесие.

Оценим величину энтропии, применительно к тепловой системе "Земля". Считаем, что падающее солнечное излучение имеет внутреннюю энергиюЕ1и температуруТ2а рассеянное Землей в космос излучение имеет соответственноЕ2иТ2.

В среднем энергия на Земле не накапливается, поэтому с известным приближением можно считать, чтоЕ1=Е2= Еи энтропия на Земле равна разности энтропии падающего солнечного излучения и рассеянного в космос излучения Земли. Считаем Землю равновесной термодинамической системой типа абсолютно черного тела. Величина энтропии Земли по абсолютной величине будет равна [3, 4]:

(1).

СчитаяT2?6000 К и T2?300 К, с учетом интенсивности солнечного излучения и геометрических размеров Земли, имеем:

кал•град-1•г-1 (2)

Учитывая, что выражение (2) примет вид:

кал•град-1•г-1. (3)

Из (3) видно, что чем меньше Т2т.е. более глубокое охлаждение уходящего излучения от Земли в космос при постоянных количестве и качестве солнечного излучения, тем можно больше добиться большей разности энтропии между качественной солнечной энергией и низкокачественной, рассеянной в космос энергией Земли. При большей деградации энергии Е2 Земли, рассеиваемой в космос в виде более длинноволнового излучения, большее число фотонов будет переносить заданное количества энергии, так как солнечное излучение, падающее с энергией Е1 и частотой v1 имеет N1 квантов, а уходящее в космос с поверхности Земли излучение с энергией Е2 имеет N2 квантов. Учитывая, что E1=E2иv1>v2, имеем:

N1hv1=N2hv2 (4)

(5)

Увеличение числа квантов N2 с частотой v2<v1 обозначает рост энтропии.

Растительный покров Земли дополнительно способствует охлаждению уходящего излучения, т.е. температура Т2 уменьшается, но при этом увеличивается рост энтропии Вселенной.

Снова приходим к начальному толкованию. Локально в отдельной упорядоченной подсистеме можно добиться уменьшения энтропии, но для всей системы в целом будет большее приращение энтропии. Для отдельных термодинамических систем важнейшей характеристикой является производная энтропии по времени:

dSi/dt,

где Si- внутренняя энтропия системы. Через эту величину можно выражать условия динамического равновесия, эволюционного развития и устойчивого равновесия.

В ходе различных производственных процессов, использования природных ресурсов, распыления материалов в окружающей среде, образования в виде физических, химических и биологических загрязнений энтропия системы "человек - окружающая среда" увеличивается.

Заключение

В заключении хотелось бы отметить о взаимодействии тепловых машин и окружающей средой. Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастание потребления угля, нефти и газа в промышленности и на бытовые нужды увеличивает возможности удовлетворения жизненных потребностей человека. Однако в настоящее время количество ежегодно сжигаемого в различных тепловых машинах химического топлива настолько велико, что все более сложной проблемой становится охрана окружающей среды от вредного влияния продуктов сгорания.

Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую сре-ДУ связано с действием разных факторов.

Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферного воздуха, поэтому содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается. Если в России пока количество кислорода, производимого лесами, превышает количество кислорода, потребляемого промышленностьо, то, например, в США леса восстанавливают лишь 60% используемого промышленностью кислорода.

Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. За последние двадцать лет содержание углекислого газа в атмосфере Земли увеличилось примерно на 5%.

Молекулы оксида углерод способны поглощать инфракрасное излучение. Поэтому увеличение содержания углекислого газа в атмосфере изменяет ее прозрачность. Инфракрасное излучений, испускаемое земной поверхностью, все в большей мере поглощается в атмосфере. Дальнейшее существенное увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере может привести к повышению ее температуры.

В-третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. Особенно существенно это загрязнение в крупных городах и промышленных центрах.

Более половины всех загрязнений атмосферы создает транспорт. Кроме оксида углерода и соединений азота, автомобильная двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу 2--3 млн. т свинца. Соединения свинца добавляют в автомобильный бензин для предотвращения детонации топлива в двигателе, т.е. слишком быстрого сгорания топлива, приводящего к снижению мощности двигателя и его быстрому износу. Так как автомобильные двигатели играют решающую роль в загрязнении атмосферы в городах, проблема существенного усовершенствования автомобильного двигателя представляет одну из наиболее актуальных научно-технических проблем.

Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды - переход от использования в автомобилях карбюраторных бензиновых двигателей к использованию дизельных двигателей, в топливо которых не добавляют соединения свинца.

Перспективными являются разработки и испытания автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей используется электродвигатель, питающийся от аккумулятора, или двигатель, использующий в качестве топлива водород. В последнем типе двигателя при сгорании водорода образуется вода.

Литература

Бернал Дж. Наука в истории общества.М.,1956.

Енохович А.С. Справочник по физике и технике. - М.: Просвещение, 1983.

Кабардин О.Ф. Физика. - М.: Просвещение, 1988.

Курс общей физики. - Киев.: Днепр, 1994.

5. Базаров И.П. термодинамика: учеб. для. вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. Шк., 1991. - 376 с.

Размещено на Allbest.ru