Контрольные вопросы

1. Дайте определение основным термодинамическим процессам.

2. Изобразите графически изохору, изобару, изотерму и адиабату в р, υ- и T, s-координатах.

3. Напишите уравнения основных процессов.

4. Напишите формулы соотношений между основными параметрами для каждого процесса.

5. Напишите формулы удельной работы изменения объема для каждого процесса.

6. Напишите формулы располагаемой (полезной) работы для каждого процесса.

7. При каком условии основные процессы идеального газа будут политропными?

8. Напишите уравнение политропы и укажите, в каких пределах изменяется показатель политропы.

9. Укажите значения показателя политропы для основных процессов.

10. По каким уравнениям вычисляется изменение удельной энтропии?

Задача

Воздух массой 10 кг расширяется изотермически при температуре 400 ºС и давлении 800 кПа до конечного объема V₂ = 5 м³. Определить начальный объем, конечное давление, работу расширения, изменение удельных энтальпии, энтропии, внутренней энергии.

Решение

Начальный объем определяем из уравнения состояния

м³.

Конечное давление кПа.

Работа расширения кДж.

Изменение удельной энтропии

.

Удельная энтальпия и удельная внутренняя энергия идеального газа в изотермическом процессе не изменяются, так как di = 0 и du = 0.

8. Второй закон термодинамики

8.1. Основные положения

Первый закон термодинамики, являясь частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии, утверждает, что теплота может превращаться в работу, а работа – в теплоту, не устанавливая условий, при которых возможны эти превращения и не рассматривая вопроса о направлении теплового процесса. Работа, как и все другие виды энергии, участвующие в каком-либо процессе, легко и полностью превращается в теплоту. Этот факт известен человеку с глубокой древности, когда тот добывал огонь трением двух кусков дерева. Процессы превращения работы в теплоту происходят в природе непрерывно: трение, удар, торможение и т. д., совсем иначе дело обстоит с переходом теплоты в работу. Такой переход возможен только при наличии разности температур между источником тепла и теплоприемником.

Таким образом, между преобразованием теплоты в работу и обратно имеется глубокое различие. Существует закон, позволяющий указать направление теплового потока и максимально возможный предел превращения теплоты в работу в тепловых машинах, – это второй закон термодинамики, имеющий общее значение для всех тепловых процессов.

Формулировка закона гласит: тепловой двигатель без холодного источника теплоты, т. е. двигатель, полностью превращающий в работу всю полученную от горячего источника теплоту, называется вечным двигателем второго рода и его существование невозможно.

8.2. Круговые термодинамические процессы (циклы)

При подведении теплоты или изменении внутренней энергии рабочего тела, или в результате одновременного действия этих параметров получается определенное количество работы. При однократном расширении газа в цилиндре это количество работы является весьма ограниченным, поскольку наступает момент, когда температура и давление рабочего тела становятся равными температуре и давлению окружающей среды. В этот момент получение работы прекращается. Для повторного получения работы необходимо в процессе сжатия возвратить рабочее тело в первоначальное состояние.

На рис. 19 показано, что при расширении рабочего тела по кривой 132 газ совершает работу, соответствующую площади под кривой 51324. При достижении точки 2 рабочее тело должно быть возвращено в точку 1, чтобы оно снова могло произвести работу. Процесс возвращения тела в начальное состояние может быть произведен тремя путями.

Кривая сжатия 231 совпадает с кривой 132. В таком процессе вся полученная при расширении работа (площадь 51324) равна работе сжатия (площадь 42315), и положительная работа равна 0.

К ривая сжатия 261 располагается над линией расширения 132. При этом на сжатие затрачивается больше работы (площадь 51624), чем на расширение (площадь 51324). Такой цикл называется обратным (по ним работают холодильные установки).

Кривая сжатия 271 располагается под линией расширения 132. В этом процессе работа расширения (площадь 51324) больше работы сжатия (площадь 51724). В результате положительная работа (площадь 13271) будет отдана во вне. Такой цикл называется прямым (или циклом теплового двигателя).

Повторяя цикл неограниченное число раз, можно получить любое количество работы. Циклы бывают:

1. обратимые (состоящие из обратимых равновесных процессов; рабочее тело в таких циклах не должно подвергаться химическим изменениям);

2. необратимые (в которых хотя бы один процесс является необратимым).

Результаты исследований идеальных циклов могут быть перенесены на работу реальных необратимых циклов с учетом поправочных коэффициентов.