7. Круговые процессы изменения состояния газов.
Тепловой двигатель – это непрерывно действующая машина. Наиболее характерным в работе непрерывно действующего поршневого теплового двигателя являются возвращения поршня в первоначальное положение, а рабочего тела – в первоначальное состояние. Возвращение рабочего тела в первоначальное состояние является обязательным. Это обстоятельство обусловливают то, что все тепловые двигатели работают по круговым процессам или циклам. Итак, полезная работа цикла в pv-диаграмме изображается площадью, заключённой внутри кругового процесса.
Если рабочее тело в процессе расширения получило от горячего источника тепло q1, а в процессе сжатия отдало холодному источнику количество тепла q2, то разность
q1 – q2 = qц показывает как тепло исчезает в течении протекания цикла в результате преобразования его в механическую энергию, т. е. в соответствии с первым законом термодинамики qц = Ац. Поэтому qц называется полезным теплом.
Степень совершенства цикла в части превращения в нём тепла в работу принято оценивать термическим коэффициентом полезного действия, обозначаемым t и равным отношению
(q1 – q2) : q1.
Чем больше величина термического коэффициента полезного действия, тем более совершенной будет тепловая установка.
Из определения термического к.п.д. следует, что понятие об этой величине тесно увязывается с сущностью второго закона термодинамики, основные положения которого были сформулированы в 1824 г. французским инженером Сади Карно. Он решил также вопрос о максимальной доле тепла, которая может быть при заданных условиях превращена в механическую энергию, предложив цикл, получивший название цикла Карно.
8. Цикл Карно.
В Тs-диаграмме (Рис. 9.) этот процесс изобразится прямой, параллельной оси абсцисс, причём точка 2 будет правее точки 1 и площадь 12561 графически будет измерять количество подведённого тепла q1.
Работа в цикле Карно Ац в pv-диаграмме измеряется площадью 12341, ограниченной двумя изотермами 1-2 и 3-4 и двумя адиабатами 2-3 и 4-1, а полезное тепло qц в Тs-диаграмме измеряется площадью прямоугольника 12341.
Термический к.п.д. для обратимого цикла Карно может бать выражен так:
t = 1 – Т2/Т1.
Из формулы следует:
1.) Термический к.П.Д. Зависит исключительно от температуры источника и от температуры холодильника;
2.) Термический к.П.Д. Цикла Карно увеличивается при возрастании температуры источника т1 и при уменьшении температуры холодильника т2;
3.) термический к.п.д. цикла Карно всегда меньше единицы и не может быть равен ей, так как это могло бы быть лишь при Т2/Т1 = 0, т.е. при Т1 = бесконечности или Т2 = 0, но как первое, так и второе неосуществимо. В тепловых двигателях температура холодильника – это обычно температура окружающей среды Т2 = 250–//- 3000 К, а температура горячего источника, при котором длительно могут работать конструкционные металлы паросиловых установок, составляет около 9000 К, в поршневых двигателях внутреннего сгорания, где стенки цилиндра охлаждаются, Т1 = 2500 – 30000 К.
Таким образом, тепло, получаемое в цикле газом, невозможно полностью обратить в работу, и превращение тепла в работу при всех условиях сопровождается переходом некоторого количества тепла от источника к холодильнику.
4.) термический к.п.д. цикла Карно при Т1 = Т2 равен нулю. Последнее указывает на невозможность превращение тепла в работу, если все тела системы имеют одинаковую температуру, т.е. находятся в тепловом равновесии.
Как видно, положения, устанавливаемые при рассмотрении цикла Карно, являются основными положениями второго закона термодинамики.
Необходимо иметь в виду, что полученное выше выражение для к.п.д. цикла Карно относится к обратимому круговому процессу. Все действительные процессы, как известно, необратимы и необратимость связана с потерей работы. Поэтому к.п.д. необратимого цикла Карно будет меньше, чем 1 – Т2/Т1.
Характерная особенность цикла Карно состоит и в том, что его к.п.д. не зависит от природы работающего тела, т.е. данных Т1 и Т2 он будет одинаков не только для идеальных, но и для реальных газов. Это положение, известное под названием теоремы Карно, строго доказывается в подробных курсах. Вместе с тем к.п.д. цикла Карно будет больше к.п.д. любого другого цикла в тех же пределах температур.