§ 3. Обратный обратимый цикл карно
Этот цикл является идеальным циклом холодильных машин. Изображение обратного цикла Карно приведено на рисунке 10. Цикл состоит из тех же процессов, что и прямой цикл, но состояние рабочего тела изменяется в направлении против движения часовой стрелки.
Рис. 10. Обратный цикл Карно в (а)- и Ts(б)-диаграммах.
Сначала происходит адиабатное расширение газа по 1-4 и температура рабочего тела понижается от Т1 (в точке 1) до Т2 (в точке 4). При последующем расширении по изотерме 4-3 газ получает теплоту от холодного источника в количестве q2 при постоянной температуре Т2. Последующим сжатием сначала по адиабате 3-2, а затем по изотерме 2-1 газ возвращается в исходное состояние. В процессе адиабатного сжатия температура рабочего тела повышается от Т2 (точка 3) до Т1 (точка 2).
В процессе изотермического сжатия по 2-1 от рабочего тела при температуре Т1 отводится теплота q1, эквивалентная работе сжатия. Таким образом, в результате протекания обратного цикла теплота от холодного источника переходит к горячему источнику за счет затрат работы (– ℓ0) извне, эквивалентной площади цикла.
Холодильный коэффициент обратного обратимого цикла Карно определяется выражением:
= q2 / ℓ0 = q2 / (q1 – q2) = T2 / T1 – T2. (95)
Уравнение (95) показывает, что холодильный коэффициент увеличивается с понижением температуры Т1 и повышением Т2.
§ 4. Сущность и формулировки
ВТОРОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ
Первый закон термодинамики устанавливает эквивалентность теплоты и работы как двух форм передачи энергии. Однако этот закон ничего не говорит об условиях преобразования теплоты и работы.
Между тем известно, что преобразование механической работы в теплоту может происходить без каких-либо ограничений и условий, но преобразование теплоты в работу (как показано при рассмотрении круговых процессов) требует специальных условий: наличия горячего и холодного источников теплоты, а также расширения газа. Более того, даже в цикле Карно в работу может быть превращена только часть подведенной теплоты (q1), а другая ее часть (q2) передается холодному источнику.
Это положение выражает сущность второго закона термодинамики.
Второй закон термодинамики имеет несколько формулировок.
1. «Теплота не может переходить от холодного тела к более нагретому сама собой, даровым процессом – без компенсации» (Р. Клаузиус, 1850 г.).
2. «Невозможна периодически действующая тепловая машина, единственным результатом действия которой было бы получение работы за счет отнятия теплоты от некоторого источника» (В. Томсон, 1851 г.).
3. В круговом процессе подводимая теплота (q1) не может быть полностью превращена в работу: часть этой теплоты (q2) отводится в холодный источник.
4. «Осуществление перпетуум мобиле второго рода невозможно» (В. Оствальд) и др.
В последней из приведенных формулировок под перпетуум мобиле второго рода понимают тепловую машину, которая всю полученную теплоту превращала бы в работу.
Контрольные вопросы и задания. 1. Какие машины работают по прямым и какие по обратным циклам? 2. Чем оценивается эффективность машин, работающих по прямым и обратным циклам? 3. Изобразите в - и Ts-диаграммах цикл Карно и напишите формулу его термического КПД. 4. В чем заключается сущность второго закона термодинамики? 5. Приведите основные формулировки второго закона термодинамики.
ЛЕКЦИЯ 7
ИДЕАЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ПРОЦЕССЫ ПОРШНЕВЫХ
КОМПРЕССОРОВ
Двигателями внутреннего сгорания (ДВС) называются тепловые поршневые машины, в которых в качестве рабочего тела используются продукты сгорания жидких или газообразных топлив, сжигаемых непосредственно внутри рабочего цилиндра.
Поршневые ДВС классифицируются по следующим основным признакам:
1) по способу осуществления рабочего цикла - четырехтактные и двухтактные (такт – часть рабочего цикла между крайним верхним и крайним нижним положениями поршня в рабочем цилиндре). Эти крайние положения называются соответственно верхняя мертвая точка – ВМТ и нижняя мертвая точка – НМТ;
2) по способу образования горючей топливовоздушной смеси и ее воспламенения – с внешним смесеобразованием в карбюраторе и принудительным воспламенением смеси от электрической искры – карбюраторные и с внутренним (в рабочем цилиндре) смесеобразованием и воспламенением смеси от сжатия – дизельные;
3) по роду топлива – на жидком топливе, на газообразном топливе;
4) по назначению – стационарные, мобильные, авиационные, судовые и т. д.;
5) по конструктивному исполнению – с вертикальным расположением цилиндров, с горизонтальным расположением цилиндров, с расположением цилиндров под углом (V-образные, звездообразные и т. п.).