29. Цикл Карно

Условия обратимости процесса теплообмена. Тело обменивается Q с резервуаром. Срез = ¥, т.е. Трез = const. Процесс обратим, если в ходе процесса Ттела = Трез. Þ тело получает Q, Трез = Т, Ттела = Т’ < T.

Обратное направление процесса Þ тело Q резервуару только при T’ ≥ T Þ T’ при прямом и обратном ходе процесса различна Þ различная последовательность состояний Þ процесс необратим Þ Процесс теплообмена обратим, если T’ = T – ΔT при получении Q и T’ = T + ΔT – при отдаче Q.

Единственный обратимый процесс, сопровождающийся теплообменом с резервуаром с Т = const – изотермический (Т = Трез).

Для работы тепловой машины необходимо два резервуара - нагреватель и холодильник. Допустим, Срез = ¥ Þ каков обратимый цикл рабочего тела машины в этих условиях? Þ 2 изотермы (при Т резервуаров) и 2 адиабаты Þ введен Карно – цикл Карно.

Адиабатический процесс d’Q = 0 Þ обратимый

dS = 0 Þ S = const Þ обратимый адиабатический процесс – изэнтропический.

Рабочее тело – идеальный газ (координаты р, V) и любое рабочее тело – координаты Т, S. 1-2 Þ Q1 = T1(S2 – S1); 3-4 Þ - Q2’ = T2(S1 – S2) Þ

Кпд всех обратимых машин, работающих в идентичных (т.е. при одной и той же температуре нагревателя и холодильника) условиях одинаков и определяется только температурами нагревателя и холодильника – теорема Карно.

30)Теорема Карно

Вариант: 1) КПД обратимого цикла Карно не зависит от состава рабочего тела; 2) КПД необратимого цикла Карно не может быть больше, чем КПД обратимого цикла.Теорема Карно является основой для установления термодинамической шкалы температур:

Т.о., для сравнения температур двух тел нужно осуществить обратный цикл Карно, в котором эти тела используют в качестве нагревателя и холодильника. Согласно теореме Карно, химический состав рабочего тела не влияет на результат сравнения температур, поэтому установленная таким образом т.-д. шкала температур не связана со свойствами термометра. Однако вследствие необратимости реальных процессов этот способ не имеет практического применения.

Необратимость на адиабатическом участке 2-3. Состояния 2 и 3 – равновесные. При необратимом адиабатическом процессе S возрастает (S3 > S2) Þ обратимый изотермический процесс «длиннее» Þ Q2’ увеличивается (площадь) Þ КПД уменьшается Þ кпд любой необратимой машины всегда меньше, чем КПД обратимой машины, работающей в тех же условиях (утверждение носит общий характер). Т нагревателя выше, h больше.

31.Тепловые машины

Холодильники

При проходе цикла в обратном направлении машина не производит работы, а, наоборот, над машиной совершается работа. Результат цикла состоит в том, что тело с меньшей температурой, от которого отнимается тепло, охлаждается, а тело с большей температурой, которому отдается тепло, нагревается. Такая машина, работающая по обратному циклу Карно, называется холодильной машиной или нагревателем в зависимости от назначения.

Эффективность нагревателя определяется коэффициентом

Эффективность холодильника определяется коэффициентом

Для домашнего холодильника коэффициент эффективности равен

Т.е., на каждый джоуль электроэнергии, затраченной на работу компрессора, приходится 4.17 Дж тепла, отнятого от холодильной камеры.

Кондиционеры – то же, только теплообменник наружу.

Тепловые насосы – то же:

Т.о., 1Дж химической энергии топлива позволяет получить 17 0.7=12 Дж (если КПД сгорания топлива 0.7), в то время как при сжигании горючего получается лишь 0.7 Дж.

Тепловые двигатели и экология

Повсеместное применение тепловых двигателей с целью получения удобной для применения энергии связано с воздействием на окружающую среду. Согласно законам термодинамики, производство энергии не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительного количества теплоты. Это ведет к повышению средней температуры на Земле. Сейчас потребляется 1010 кВт, когда потребляемая мощность достигнет 3•1012 кВт, то температура повысится на 1°С, что приведет к нарушению теплового баланса Земли (таяние льда). Кроме того: выбросы парниковых газов; проблема захоронения радиоактивных отходов; вода для охлаждения отработанного пара.

Двигатель Дизеля

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Паровой двигатель.