Различают прямой и обратный цикл

План лекции.

1. I и II законы термодинамики – как исключение вечного двигателя I-го и II-го рода.

Равновесное состояние термодинамической системы, обратимый и необратимый процессы, циклы.

3. Цикл Карно: диаграммы цикла Карно; КПД цикла Карно; КПД реальных тепловых машин; теоремы Карно; обратный цикл Карно; холодильные машины; коэффициент преобразования.

II начало термодинамики, его формулировки.

Энтропия.

1. Второй закон термодинамики – является фундаментальным законом природы. Имеет большое практическое и философское применение.

Чтобы конструировать оптимальные системы, потребляющие горючее и производящие работу, необходимо уяснить ограничения, налагаемые II Н.Т.

Одна из формулировок:

Невозможно совершить работу за счет энергии тел, находящихся в тепловом равновесии.

Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии исключает возможность построения вечного двигателя первого рода, который бы совершал работу из ничего, без источника.

Второй закон термодинамики исключает возможность построения вечного двигателя второго рода – за счет тел находящихся в тепловом равновесии и за счет непосредственной передачи теплоты от менее нагретого к более нагретому телу или прямого преобразования теплоты в работу.

Равновесным называется состояние системы, в котором система может находиться сколь угодно долго и параметры:

p, V, T=const.

Если изолированная система переходит из состояния А в состояние В и обратно в А, и в системе и окружающих телах никаких изменений не происходит, то процесс обратимый.

При невыполнении этих условий – необратимый.

Если система переходит из А в В, а обратный переход осуществляется через другие промежуточные состояния, то это круговой процесс или цикл.

Циклы могут быть как обратимыми, так и необратимыми. Вообще тепловые процессы являются необратимыми. Необратимы все процессы, связанные с трением тел.

Однако, в ряде случаев, исключив контакт с окружающей средой (аддиабатически) можно приблизиться к обратимому процессу.

Различают прямой и обратный цикл.

Прямой цикл: при расширении 1-2 поглощается Q₁ теплота, при сжатии 2-1 выделяется Q₂.

Работа: А=Q₁-Q₂.

Обратный цикл: А=Q₂-Q₁. Цикл холодильной машины.

3. Рассмотрим тепловую машину, КПД которой самый высокий, самая эффективная среди всех тепловых машин. Её называют машиной Карно, или циклом Карно. Теоретически КПД ее выше, чем у ДВС.

В машине Карно – цилиндр с поршнем. Источник энергии – бензин – для поддерживания Т₁ –теплового источника. Трение, потери на теплопроводность исключены.

Резервуар с жидкой Т₂ – например вода – с t=10⁰C и нагреватель вода с t=100⁰C. При изотермическом расширении и нагревании забирается тепло Q₁ (1-2). При адиабатическом расширении (2-3) – Q=0. ∆U=A температура падает до T₂ чтобы привести в первоначальное состояние, необходимо: изотермически сжать (3-4) при этом остатки внутренней энергии газа в цилиндре уйдут в холодильник. (В машине Карно цилиндр с поршнем, но без клапанов, так что во всех цилиндрах многократно используется одно и то же вещество).

И аддиабатически сжать до 1 (4-1). В холодильный резервуар →Q₂. Согласно Первому началу термодинамики потеря тепла за цикл Q₁-Q₂ должна перейти в работу, совершаемую газом в цилиндре по перемещению поршня:

A=Q₁-Q₂;

КПД – это относительное количество тепла, отобранного от нагревателя и переданного рабочему телу – газу:

;

Если известно Т₁ - нагревателя и Т₂ - холодильника, то можно получить:

;

Сравним машину Карно с ДВС. При горении бензина → Т₁ 2400К – а в окружающий воздух переходит тепло и нагревает воздух до Т₂ = 300К.

;

На самом же деле η_ДВС = 0,56 = 56%, что происходит из-за потерь на трение, утечку тепла, вследствие необратимости процессов до η_Р=30%.

Теорема Карно: КПД всех обратимых тепловых машин, имеющих один Т₁ и Т₂ одинаков и определяется, независимо от принципа работы.

η - любой реальной тепловой машины η<η_Ц.К.

Как мы увидели, большая часть полученной из топлива энергии возвращается холодильнику, т. е. в окружающую среду – нагрев окружающей среды – тепловое загрязнение. Так КПД электростанций вырабатывает энергию для обогрева – 30%. КПД атомных электростанций в тех же пределах из-за невозможности работать при высоких первоначальных температурах. Но опять же, надо учитывать, что это идеальный случай, без потерь.

– соответствует идеальным условиям;

Машину Карно можно заставить работать и в обратном направлении:

При этом Q₂, будет отбираться от холодильника, а Q₁ отдаваться нагревателю.

Q₁ и Q₂ – отрицательны. Тогда коэффициент преобразователя холодной машины:

;