![]() КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Круговые термодинамические процессы и циклы. Тепловые и холодильные машины. Работа при круговом процессе. Первое начало термодинамики в применении к круговому процессу.Круговым процессом или термодинамическим циклом называется процесс, в котором система, претерпев ряд изменений, возвращается в начальное состояние. Графически цикл изображается замкнутой линией (рис. 32).
Р и с. 32 Цикл называется прямым, если процесс расширения системы 1a2 идет при более высокой температуре, чем процесс сжатия 2b1, т. е. круговой процесс осуществляется по часовой стрелке (рис. 32.). Цикл называется обратным, если процесс расширения системы 1b2 происходит при более низкой температуре, чем процесс сжатия 2a1, т. е. цикл совершается против часовой стрелки. Проинтегрируем по замкнутому циклу уравнение первого закона термодинамики (2.3.9)
Суммарное изменение внутренней энергии за цикл равно нулю, т. е.
Суммарное количество теплоты в прямом цикле представим в виде (рис. 32):
где Работа, произведенная системой над внешними телами за прямой цикл
где
Подставляя выражения (2.9.3–2.9.4) в (2.9.2), получим выражение первого закона термодинамики для прямого цикла:
т. е. работа, полученная от системы в прямом цикле, меньше количества теплоты рис. 33. Р и с. 33 Эффективность превращения теплоты в работу в этой машине характеризует ее КПД, который представляет собой отношение работы, совершенной машиной за цикл, к подведенному за цикл теплу
Используя равенство (2.9.5), КПД тепловой машины можно представить в виде:
Таким образом, КПД тепловой машины показывает, какая часть тепла, подведенного к тепловой машине, преобразуется в работу. Рассмотрим обратный цикл (рис. 34). При обратном цикле расширение (путь Р и с. 34. Поэтому работа на участке
Суммарное количество тепла в обратном цикле
где (2.9.9– 2.9.10) в (2.9.2), получим
Таким образом, при обратном цикле рабочее вещество отдает окружающим телам больше тепла, чем получает извне, на величину работы, которую совершают внешние силы. Так как расширение в обратном процессе происходит при более низкой температуре, чем сжатие, то теплота Р и с. 35. Эффективность этой машины определяется холодильным коэффициентом
Коэффициент Обратный цикл может использоваться как цикл теплового насоса – машины, предназначенной для отбора теплоты от менее нагретого тела (
Как видно из (2.9.13), отопительный коэффициент 1 Дж внешней работы. Нетрудно представить связь отопительного
Преимущество теплового насоса перед любыми другими отопительными устройствами состоит в том, что при затрате одного и того же количества энергии
Второе начало термодинамики в формулировках Кельвина и Клаузиуса, их эквивалентность. Недостаточность первое начала термодинамики для однозначного описания процессов, происходящих в природе. Первый закон термодинамики характеризует процессы превращения энергии с количественной стороны, в нем содержится все необходимое для составления энергетического баланса любого процесса: равновесного или неравновесного, обратимого или необратимого. Однако оказывается, что далеко не всякое изменение, при котором соблюдается этот закон, может осуществиться на самом деле. Имеются дополнительные условия, которым должно подчиняться явление, чтобы оно могло наступить. Первый закон термодинамики не содержит никаких указаний о возможности протекания процесса в том или ином направлении. Тогда как опыт свидетельствует, что реальные процессы передачи энергии (например, с одного уровня давления или температуры на другой), будучи процессами неравновесными (необратимыми), имеют четко определенную направленность и сопровождаются необратимыми явлениями, т. е. такими изменениями, которые не могут быть устранены противоположными процессами такого же характера. Из опыта известно, что любая форма энергии (работа) – механическая, электромагнитная, световая, химическая и др. – при ее превращениях в конце концов полностью переходит в энергию теплового движения – во внутреннюю энергию тел. Однако обратный процесс полного преобразования теплоты в работу неосуществим: невозможно энергию хаотического движения молекул полностью преобразовать в энергию направленного макроскопического движения. Это свидетельствует о качественной неравноценности теплоты и работы как форм обмена энергией. В результате анализа неравноценности теплоты и работы и был сформулирован второй закон термодинамики, в котором обобщено огромное количество опытных данных. В наиболее общем виде этот закон может быть выражен так: “Любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым”. Любые другие формулировки являются частными случаями этой. Первое определение второго закона термодинамики было дано в 1850 г. Рудольфом Клаузиусом: “Невозможен процесс, единственным конечным результатом которого была бы передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому”. В 1851 г. У. Томсон (лорд Кельвин) предложил другую формулировку этого закона (постулат Кельвина): “Невозможно осуществить круговой процесс, единственным результатом которого было бы превращение в работу теплоты отнятой у какого-либо теплового резервуара, без всяких изменений в других телах”. Постулат Кельвина можно представить в следующем виде (по В. Оствальду): “Невозможно построить циклически действующую тепловую машину, которая производила бы работу за счет охлаждения какого-либо тела без всяких изменений в других телах”. То есть невозможно создать циклически действующую тепловую машину, энергетическая диаграмма которой представлена на рис. 36. Р и с. 36 Такую машину называют вечным двигателем второго рода. В отличие от вечного двигателя первого рода, в котором работа производится из ничего, вечный двигатель второго рода производит работу Покажем, что постулаты Клаузиуса и Кельвина эквивалентны, т. е. если не справедлив один из них, то не верен и другой. Предположим, что не выполняется постулат Клаузиуса. Рассмотрим тепловую машину, рабочее вещество которой за цикл потребляет от горячего источника количество тепла С другой стороны, предположим, что не верен постулат Кельвина. Тогда с помощью вечного двигателя второго рода можно получить механическую работу Таким образом, постулаты Клаузиуса и Кельвина эквивалентны.
|