Дөңгелек процесс немесе цикл деп жүйе бірнеше күйден өтіп барып бастапқы күйге қайта оралу процесін айтады. Циклдің диаграммасы тұйық қисық. Идеал газдың циклін 2 процеске бөлуге болады.
Газдың ұлғаюы (1-2);
Газдың сығылуы (2-1).
Газ ұлғайған кезде жасалған жұмыс оң dV >0, яғни жұмыс 1а2V2 V11 фигураның ауданына тең болады, ал сығылу жұмысы теріс dV<0 болады да, 2в1V1V22 фигураның ауданымен анықталады. Демек, цикл ішінде газдың жасаған жұмысы тұйық қисықтың ауданымен анықталады.
(сурет 1)
Сыртқы Ғ күш әсерінен поршень dx қашықтыққа жылжып, газ сығылды. Газ тарапынан поршеньге әсер ететін күшпен Ғ күш теңелгенше, газ сығылады. Поршеньді dx-қа жылжытуға жұмсалған жұмыс
Сыртқы Ғ күш әсерінен поршень dx қашықтыққа жылжып, газ сығылды. Газ тарапынан поршеньге әсер ететін күшпен Ғ күш теңелгенше, газ сығылады. Поршеньді dx-қа жылжытуға жұмсалған жұмыс
dA=Fdx=pSdx,
мұндағы Sdx=-dV, онда істелінетін жұмыс
dA=pSdx=pdV
dx
F
P
P, V, T
A (-)
Егер цикл ішінде оң жұмыс жасалса A>0, онда цикл сағат тілімен бағыттас жүреді, тура цикл деп аталады (сурет 1).
Ал егер цикл ішінде жасалатын жұмыс теріс A = <0 болса, цикл сағат тіліне қарсы бағытта болады да, кері цикл деп аталады (сурет 2).
цикл ішінде жасалған жұмыс сырттан берілген жылуға тең.
Бірақ цикл нәтижесінде жүйе жылуды алуы да, беруі де мүмкін, сондықтан
Дөңгелек процесс үшін термиялық пайдалы әсер коэффициенті
(сурет 2).
Өмірдегі процестердің бәрі қайтымсыз процесс болып саналады.
Энтропия түсінігін алғаш енгізген Клаузиус. Оның физикалық мәнін қарастыру үшін изотермиялық процесс кезіндегі жылу мөлшерінің Q жылу беруші дененің температурасына Т қатынасын қарастырады. қатынасын келтірілген жылу мөлшері деп атайды. Процестің өте кіші бөлігіндегі келтірілген жылу мөлшері ға тең. Кез-келген қайтымды процесс кезінде денеге берілетін келтіріген жылу мөлшері нольге тең:
Дифференциалы ға тең күй функциясы энтропия деп аталады және S-пен белгіленеді:
Бұл функция жүйенің күйіне байланысты, ал жүйе сол күйге қандай жолмен келгеніне байланысты емес.
Термодинамикада қайтымды процесс үшін: ΔS = 0,
ал қайтымсыз процесс үшін өседі: ΔS > 0.
Бұл өрнектерді біріктіріп, Клаузиус теңсіздігін алуға болады: ΔS≥ 0.
Егер жүйе тепе-теңдік жағдайда бір күйден екінші күйге өтсе, онда энтропияның өзгерісін төмендегідей анықтауға болады:
Энтропияның өзінің емес, энтропия өзгерісінің физикалық мағынасы бар.
Идеал газ процесіндегі энтропияның өзгерісін қарастырайық.
Адиабаталық процесс үшін δQ = 0, ΔS = 0, S=const, яғни адиабаталық процесс тұрақты энтропияда өтеді. Сондықтан изоэнтропиялық процесс деп аталады.
Энтропия түсінігін және Клаузиустың теңсіздігін қолдана отырып, термодинамиканың 2 заңын тұйық жүйедегі қайтымсыз процестер үшін энтропияның өсу заңы деуге болады: кез-келген тұйық жүйедегі қайтымсыз процесс сол жүйенің энтропиясы өсетіндей болып жүреді немесе қысқаша былай айтуға болады: тұйық жүйеде жүретін процестерде энтропия азаймайды. Тұйық емес (ашық) жүйелерде энтропия өсуі де, азаюы да, тұрақты болуы да мүмкін.
Энтропия тұйық жүйедегі тек қана қайтымды процестер үшін тұрақты, ал тұйық жүйедегі қайтымсыз процестер үшін әрқашанда өседі.
Термодинамиканың 2 заңының Кельвин және Клаузиус бойынша тұжырымдамаларына тоқталайық.
Кельвин бойынша тұжырымдамасы: сырттан энергия алмай жұмыс атқаратын машина жасау мүмкін емес, яғни мәңгі двигательдің 1 түрін жасау мүмкін емес.
Клаузиус бойынша тұжырымдамасы: тек бір дененің сууы нәтижесінде жұмыс жасайтын машина жасау мүмкін емес.
Кельвин және Клаузиус тұжырымдамалары бір-біріне эквивалентті.
Термодинамиканың 1 және 2 заңдары термодинамикалық температура T=0 К болғанда термодинамикалық жүйелерде энтропияның мәні қандай болатынын көрсетпейді. Сондықтан термодинамиканың 1 және 2 заңдары термодинамиканың 3 заңымен немесе Нернст- Планк теоремасымен толықтырылады: тепе-теңдік күйде термодинамикалық температура нольдік бөлікке жақындаған сайын барлық денелердің энтропиясы нольге ұмтылады.
Цикл ішінде жүйедегі температурасы төмен термостаттан Q2 жылу мөлшері алынады да, температурасы жоғары термостатқа Q1 жылу мөлшері беріледі. Дөңгелек процесс үшін Q = А, бірақ шарт бойынша Q = Q2 - Q1 < 0, сондықтан А< 0 және Q2 - Q1 = - А немесе Q1 = Q2 + А, демек жүйенің жоғары температуралы жылу көзіне берген жылу мөлшері Q1 төмен температуралы температуралы жылу көзінен алынған Q2 жылу мөлшерінен жұмыс шамасына артық болады. Демек, жұмыс жасамай салқын денеден жылу алуға және оны жылы денеге беруге болмайды екен. Бұл термодинамиканың екінші заңының Клаузиус бойынша анықтамасы.
Термодинамиканың екінші заңына сүйене отырып Карно мынадай теорема қорытып шығарды: периодты түрде жұмыс істейтін жылу машиналарының ішінен жылытқыштарының және салқындатқыш-тарының температуралары , бірдей, п.ә.к. ең көбі қайтымды маши-налар.
Карно ең тиімді қайтымды циклге анализ жасап, ол цикл 2 изотермадан және 2 адиабатадан тұрады, Карно циклі деп аталады. Жұмысшы дене орнына идеал газ қолданылатын Карноның т ура ци клін қарастырайық. Изотермиялық ұлғаю және сығылу 1-2 және 3-4 қисықтарымен берілген, ал адиабаталық ұлғаю мен сығылу 2-3 және 4-1 қисықтарымен берілген.
Изотермиялық процесс кезінде U = const, сондықтан жылытқыштан алынған Q жылу мөлшері газдың ұлғаю кезіндегі жасаған жұмысына тең, газ 1 күйден 2 күйге өткенде:
Адиабаталық ұлғаю кезінде 2-3 бөлігі сыртқы ортамен жылу алмаспайды, демек ұлғаю жұмысы ішкі энергияның өзгерісі арқылы жасалады.
