Термодинамические парадоксы. Статья №39. 16.05.17.


Главным объектом внимания всей термодинамики является энергия, что вполне ожидаемо, так как тепло и работа – частные случаи проявления энергии.

Кстати, после развенчания идеи теплорода, стало принято говорить не о тепле, содержащемся в рабочем теле, а о внутренней энергии тела.

В классической термодинамике рабочим телом является идеальный газ. При обычных земных условиях атмосферный воздух очень близок по своим свойствам к идеальному газу, поэтому к обычному воздуху вполне применимы все основные положения термодинамики.

Например, внутренняя энергия воздуха зависит исключительно от его температуры.

Это значит, что при одинаковой температуре две одинаковые порции воздуха, независимо от давления, должны обладать равной внутренней энергией.

Представьте себе десятилитровый баллон с воздухом, сжатым до ста атмосфер, и воздушный шарик с объёмом в кубометр. Так вот, две эти одинаковые по массе порции воздуха в термодинамике энергетически эквивалентны.

С инженерной точки зрения – явный парадокс…

С помощью сжатого до ста атмосфер воздуха, можно совершить немало полезных дел, в том числе, вволю пострелять из пневматики, а вот от метрового воздушного шарика пользы никакой. Почему же, в термодинамике, туго взведённая газовая пружина и та же пружина, но почти спущенная, энергетически считаются эквивалентными ?

Дело в том, что внутренняя энергия порции газа оценивается в термодинамике по способности совершать работу расширения в окружающий вакуум.

При таком абстрактном способе подсчёта энергии, действительно не важно, какое первоначальное давление было у порции газа. Важна лишь его первоначальная температура, поскольку при расширении в вакууме газ совершает одинаковую работу расширения, независимо от исходного давления. По ходу выполнения работы расширения идеальный газ остывает до абсолютного нуля по шкале Кельвина.

Но мы все обитаем не в вакууме, а на дне воздушного океана, где давление равно ста тысячам паскалей, или одному бару, или, примерно, одной атмосфере.

В этих условиях один килограмм воздуха комнатной температуры с начальным давлением 100 бар, при расширении в атмосферу, способен произвести работу в 135 тысяч джоулей. Этой работы хватило бы для подъёма тонны воды на высоту ~14 метров.

В процессе расширения, воздух сильно охлаждается, поэтому его объём увеличивается не в 100 раз, как можно было бы ожидать, а только в 27 раз. При этом температура воздуха снижается на 220 градусов и почти достигает температуры его сжижения.

За счёт чего же производится работа при расширении сжатого воздуха ?

За счёт энергии упругой деформации газовой пружины, или за счёт тепловой энергии, содержащейся в газе?

Оказывается, применительно к газу – это одно и тоже. Потеря внутренней (тепловой) энергии газа численно равна механической работе, совершённой расширяющейся газовой пружиной. Поэтому, убыль энергии газа можно рассчитывать, как через работу расширения, так и через изменение температуры газа – результат одинаковый.

Как говорится, что в лоб, что по лбу.

Такого рода двойственность очень удобна при термодинамических расчётах.

И, тем не менее, в условиях земной атмосферы, сама по себе внутренняя энергия газа, без наличия избыточного давления, недостаточна для совершения работы.

Поэтому одинаковые порции воздуха с одинаковой температурой, но с разным давлением, нельзя считать энергетически эквивалентными, как это принято делать в термодинамике.

Причиной, по которой температура не может однозначно характеризовать располагаемую энергию газа, является земная атмосфера.

Температура верно характеризует потенциальную энергию газа, которую можно высвободить лишь в условиях вакуума, а вот энергию, высвобождаемую в тепловой машине, – нет. Необходимо учитывать ещё и давление, как самого газа, так и атмосферы.

Надо сказать, что влияние земной атмосферы наложило свой отпечаток на некоторые газовые законы. Так, например, при определении удельной теплоёмкости газов, многие европейские исследователи столкнулись с неоднозначностью результатов своих опытов.

Для повышения температуры газа на один градус, расходовалось разное количество тепла, в зависимости от условий нагрева.

Если нагреваемый газ находился в сосуде с неизменным объёмом, то тепла расходовалось примерно в полтора раза меньше, чем при нагревании того же газа в цилиндре с “плавающим” поршнем, обеспечивающим постоянное давление нагреваемого газа.

С жидкостями и с твёрдыми веществами такой двойственности не наблюдалось.

В результате, пришлось вводить в справочники два значения удельной теплоёмкости: теплоёмкость при постоянном объёме (Сv) и теплоёмкость при постоянном давлении (Ср).

Причина парадоксальной двойственности значений была понята не сразу, однако само по себе различие двух видов теплоёмкостей привлекло повышенное внимание учёных.

Выяснилось, что разница Ср и Сv является важнейшей характеристикой конкретного газа, получившая название удельной газовой постоянной: Ср – Сv = R.

Стало быть, для правильного определения газовой постоянной, необходимо с высокой точностью измерить значения удельных теплоёмкостей при постоянном давлении и при постоянном объёме, а затем вычислить их разность.

Позднее стало ясно, что истинная удельная теплоёмкость газа – это теплоёмкость при постоянном объёме (Сv). Что же касается удельной теплоёмкости при постоянном давлении (Ср), то это – сумма истинной удельной теплоёмкости Сv и работы расширения, которую совершает килограмм газа против давления атмосферы, при нагреве на один градус.

Другими словами, при нагревании газ поглощает только часть подводимого тепла, а другая часть тепла тратится на совершение работы по сжатию какого-либо внешнего объекта.

В частном случае, таким внешним объектом может быть атмосфера.

При этом дополнительно потраченная энергия аккумулируется уже не в самом газе, а в атмосфере или в другом внешнем объекте, например, в пружине, установленной на штоке поршня.

Разумеется, первоначальное представление о полной уд. теплоёмкости (Ср), иначе называемой уд. энтальпией (полным теплосодержанием), не отражает физическую суть процесса.

Тем не менее, параметр энтальпия продолжают использовать в курсах термодинамики по сей день, наводя туман на и так непростое учение о газовых тепловых циклах.

А вот физический смысл газовой постоянной (R) обычно остаётся в тени, хотя именно газовая постоянная характеризует способность газа совершать внешнюю работу при подводе к нему тепла. К тому же, газовая постоянная является ключевым членом в уравнении состояния газа: Pν = RT, устанавливающим связь между тепловой и механической энергией газового рабочего тела.

Произведение давления на объём одного килограмма газа численно равно произведению газовой постоянной данного газа на значение его температуры по абсолютной шкале.

По-хорошему, уравнение состояния должно было бы получить статус одного из базовых законов газовой термодинамики – настолько важна содержащаяся в нём информация.

Практически все основополагающие физические соотношения и главные постулаты термодинамики получены в ходе практического изучения тепловых процессов в газах. Однако считается, что выводы газовой термодинамики безусловно справедливы для всех, без исключения, тепловых процессов, независимо от физической природы используемого рабочего тела и от характера физических процессов.

В качестве обоснования расширительного толкования термодинамики приводят железный, с их точки зрения, довод: если бы существовал какой-то негазовый термодинамический процесс, не подчиняющийся законам газовой термодинамики, то тогда появилась бы возможность функционирования вечного двигателя второго рода, что исключено в принципе. Стало быть, все мыслимые и немыслимые термодинамические процессы соответствуют законам газовой термодинамики.

Как видим, запрет на саму идею возможности полезного использования рассеянной энергии окружающего пространства – главный аргумент в доказательстве абсолютного характера термодинамических канонов.

В следующей статье мы, на примере электролиза воды, рассмотрим сколь незыблемы термодинамические каноны и сколь непререкаемы термодинамические ограничения.

Игорь Юрьевич Куликов


Запатентуем ваше изобретение.

Телефон: +7 (495) 737-63-77 доб. 6800
Нина Николаевна Андреева



Автор:  Игорь Юрьевич Куликов, видео - Николай Геннадьевич Соков

Возврат к списку