26. Тепловые машины. Эффективность работы тепловой машины.

Д ля реализации перехода теплоты в работу служат тепловые машины (тепловые двигатели). Эту работу они должны осуществлять неопределенно долгое время, т.о. двигатели - это устройство, которое работает циклически, периодически возвращаясь в исходное состояние. Оно может работать сколь угодно долго, потребляя энергию от нагревателя.

Принцип работы устройства базируется на двух основных положениях:

1. рабочим телом может служить любой газ по своим свойствам близкий к идеальному газу.

2. с рабочим телом должен совершаться круговой процесс, чтобы устройство работало неопределенно долгое время.

Устройство работает так: нагреватель с температурой передает рабочему телу количество теплоты , рабочее тело совершает работу , затем передает количество теплоты холодильнику с температурой (отметим, что ) и, затем, возвращается в исходное состояние, при этом по закону сохранения энергии

Эффективность работы тепловой машины определяется с помощью КПД (коэффициента полезного действия) – это отношение величины произведенной работы, к величине затраченной на ее совершение энергии.

.

Различные циклы используются в технике для превращения теплоты в работу и работы в теплоту. Как сами двигатели, так и осуществляемые ими рабочие циклы могут быть достаточно сложными, это определяется замыслом конструктора.

27.Холодильные машины. Эффективность работы холодильной машины.

Е сли устройство осуществляет рабочий цикл в обратном порядке, т.е. рабочее тело получает от холодильника с температурой количество теплоты , затем над рабочим телом совершается работа, и оно передает количество теплоты нагревателю с температурой (отметим, что ). Такое устройство называется холодильной машиной или нагревателем, в зависимости от назначения.

Таким образом, пре условии совершения работы над рабочим телом возможен перенос тепла от холодного «источника» к горячему «стоку». Мы можем осуществлять процесс, невозможный в природе (осуществлять процесс обратный естественному процессу), повышать температуру более нагретого тела и понижать температуру более холодного тела.

Эффективность работы такой машины характеризуется двояко, в зависимости от ее назначения:

1) Если эффективность машины оценивается по способности повышения температуры тела с более высокой температурой , т.е. машина действует как нагреватель, то эффективность характеризуется коэффициентом равным отношению величины переданного горячему телу тепла к величине работы, затраченной на этот процесс:

.

2) Если эффективность машины оценивается по способности понижения температуры тела с более низкой температурой, т.е. машина действует как холодильник, то эффективность характеризуется коэффициентом равным отношению величины отобранного у холодного тела тепла к величине работы, затраченной на этот процесс:

.

28.29.Цикл Карно. К.П.Д. Цикла Карно. Идеальная тепловая машина Карно.

От любой машины требуется, чтобы работа, которую она совершает, была максимальной, а затраты, расходы – минимальны. Многие ученые занимались разработкой тепловых машин и особое место в этом ряду занимают работы французского военного инженера Сади Карно (1796-1832). Он занимался разработкой высокоэкономичной универсальной паровой машины. Карно тщательно проанализировал условия совершенствования паровых машин, но он, однако, был весьма далек от практического применения своих выводов. Карно всю жизнь не сомневался в существовании теплорода.

С ади Карно предложил цикл идеальной тепловой машины, являющийся важнейшим термодинамическим циклом. Рабочий цикл идеальной тепловой машины состоит из 2-х равновесных изотермических и 2-х равновесных адиабатических процессов. В машине отсутствуют всякие потери на теплопроводность, лучеиспускание, трение и т.д. С машиной связаны два резервуара теплоты. Один с температурой - нагреватель, теплоотдатчик; второй с температурой - холодильник, теплоприемник. Резервуары настолько велики, что отдача и прием теплоты не изменяет их температуры.

Рассмотрим циклический процесс, совершаемый рабочим телом, на диаграмме состояний в -координатах, и принцип работы идеальной тепловой машины Карно:

1-2 – рабочее тело совершает изотермическое расширение при этом:

изменяется объем , так что ;

работа, совершается рабочим телом за счет передаваемого рабочему телу количества теплоты от нагревателя - положительна;

теплота, полученная рабочим телом, положительна;

внутренняя энергия рабочего тела не изменяется .

2-3 – адиабатическое расширение рабочего тела при этом:

изменяется объем , так что ;

изменяется температура , так что ;

адиабатическое расширение, следовательно, рабочее тело совершает работу за счет убыли внутренней энергии, работа системы ;

изменение внутренней энергии рабочего тела - отрицательно.

3-4 – изотермическое сжатие рабочего тела при этом:

изменяется объем , так что ;

работа совершается над рабочим телом - отрицательна, если учесть уравнения адиабат 2-3  и 4-1  , разделив первое уравнение на второе, то , отсюда  и работу можно выразить через отношение объемов изотермы 1-2 ;

холодильнику передается от рабочего тела количество теплоты;

теплота, полученная холодильником от рабочего тела, - отрицательна;

внутренняя энергия рабочего тела не изменяется .

4-1 - адиабатическое сжатие рабочего тела при этом:

изменяется объем , так что ;

изменяется температура , так что ;

адиабатическое сжатие, следовательно, работа совершается над рабочим телом, она отрицательна и идет на увеличение внутренней энергии рабочего тела ;

изменение внутренней энергии рабочего тела - положительно.

В результате такой работы из количества теплоты , переданного от нагревателя рабочему телу, только часть превращается в полезную механическую работу, а другая часть рассеивается, отдается теплоприемнику.