5.1. Круговые обратимые и необратимые процессы 5.2. Тепловые машины 5.3. Цикл Карно (обратимый) 5.4. Работа и КПД цикла Карно 5.5. Необратимый цикл. Холодильная машина
Прежде, чем переходить к изложению второго закона термодинамики, рассмотрим круговые процессы. Круговым процессом, или циклом, называется такой процесс, в результате которого термодинамическое тело возвращается в исходное состояние.
В диаграммах состояния P, V и других круговые процессы изображается в виде замкнутых кривых. Это связано с тем, что в любой диаграмме два тождественных состояния (начало и конец кругового процесса) изображаются одной и той же точкой на плоскости.
Цикл, совершаемый идеальным газом, можно разбить на процессы: расширения (1 – 2) сжатия (2 – 1) газа Работа расширения (1 a 2 V 2 V 1 1) - положительна ( dV >0 ) Работа сжатия (2 b 1 V 1 V 2 2) - отрицательна ( dV < 0). Работа, совершаемая за цикл, определяется площадью, охватываемой кривой
Рис. 5.1 Прямой цикл Рис. 5.2 Обратный цикл
Падение упругого шарика на идеальную упругую плиту Прямой процесс W р. Еупр. Еупр. W р. Ек. Ек. Обратный процесс
Быстро вдвигая и выдвигая поршень, получают распространение изменения давления в одном и том же направлении: от поршня!!! При медленном движении поршня процесс будет обратимым
Например, обратимым можно считать процесс адиабатического расширения или сжатия газа.
Обратимые процессы – это в какой-то степени идеализация реальных процессов. Их рассмотрение важно по двум причинам:
Тепловой машиной называется периодический действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне тепла.
Наибольшим КПД при заданных температурах нагревателя T 1 и холодильника T 2 обладает тепловой двигатель, где рабочее тело расширяется и сжимается по циклу Карно график которого состоит из двух изотерм и двух адиабат Сади Карно (1796 – 1832)
Любая тепловая машина работает по принципу кругового ( циклического ) процесса, т.е. возвращается в исходное состояние.
Рис. 5.3
Прямой цикл используется в тепловом двигателе – периодически действующей тепловой машине, совершающей работу за счет полученной извне теплоты. Рис. 5.3
Рисунок 5.4 Обратный цикл используется в холодильных машинах – периодически действующих установках, в которых за счет работы внешних сил теплота Q 2 от холодного тела переносится к телу с более высокой температурой.
Рассмотрим прямой цикл Карно, в котором в качестве рабочего тела используется идеальный газ, заключенный в сосуд с подвижным поршнем. Определим его КПД.
Процесс А-В. Положитель-ная работа, совершенная газом при изотермическом расширении газа от V 0 до V 1
Нужно сначала рабочее тело охладить до Т 2, а затем, уже присоединять к холодильнику. Охлаждение без затрат тепла – это адиабатическое расширение – участок ВС
Возвращение в т. А опять происходит в два этапа: сначала рабочее тело сжимают не прерывая контакта с холодильником, при этом холодильнику отдается тепло Q 2 (изотермическое сжатие С D ).
Почему рабочее тело нагревается? При адиабатическом сжатии (ДА) тело нагревается за счет внешней работы, совершенной над ним.
А = А 1 + А 2 + А 3 + А 4 А Полезная работа равна площади ограниченной кривой АВС D А. А
Полезная работа равна площади ограниченной кривой АВС D А. А
Из равенств следует:
Предположим для простоты, что необратимость цикла обусловлена тем, что теплообмен между рабочим телом и источником теплоты (считаем холодильник тоже «источником», только отрицательной температуры) происходит при конечных разностях температур. Нагреватель и холодильник не идеальны, они не обладают бесконечной теплоемкостью, поэтому нагреватель, отдавая тепло, охлаждается на Δ T, а холодильник нагревается на ΔТ.
Рис. 5.6 Как видно, площадь под кривой, а значит и полезная работа уменьшилась! А
Эта машина, работающая по обратному циклу Карно. Если проводить цикл в обратном направлении, тепло будет забираться у холодильника и передаваться нагревателю ( за счет работы внешних сил ).
рисунок 5.4
Обратный цикл Карно можно рассмотреть на примере рис. 5.5. При изотермическом сжатии В-А от газа отводится количество теплоты Q 1 при Т 1. В процессе D -С – изотермического расширения к газу подводится количество теплоты Q 2.
Чтобы вернуть поршень в исходное состояние, необходимо сжать рабочее тело, для этого следует затратить работу А.
Лекция окончена !
