20.2. Основы термодинамики автоматизации и регулирования. Понятие энтропии. Понятие располагаемой работы, обратимых и необратимых процессов. Однократное и повторное использование энергии.

Первый закон термодинамики — любой изолированной системе энергия сохраняется.

Второй закон термодинамики —тепло нельзя полностью превратить в работу в круговом процессе. Причина в том, что можно достичь равновесия только в результате перете­кания тепла или массы от высокого энергетического уровня к низ­кому. Эти соотношения можно лучше всего оценить, вводя понятия энтропии и располагаемой работы.

Энтропия как мера необратимости.

Трение в механических деталях теплового двигателя необратимо преобразует работу вала в тепло. Действительная работа, совер­шаемая двигателем, меньше, чем располагаемая работа, содержа­щаяся в жидкости: W = Q - ∆H.

Если начальное и конечное состояния жидкости одинаковы, то энтро­пия, потерянная жидкостью, тоже одинакова - энтропия является параметром состояния. Поэтому превышение Q над Q_R показывает, что энтропия окружающей среды изменилась больше, чем энтропия жидкости; в результате это приводит к возрастанию энтропии сис­темы S: ∆S=∆S₀+∆S_K>0, и производимая работа является функцией энтропии, приобретенной окружающей средой.

W= - T₀ ∆S₀ - ∆H. Следовательно, потери располагаемой работы прямо пропорциональны результирующему приросту энтропии системы: W₀ –W = T₀ ∆S.

влияние трения можно количественно определить как прирост энтропии системы. Поэтому сохранение располагаемой работы заключается в сведении к min прироста энтропии в любом процессе, следовательно, в сведении к min его необратимости.

Располагаемая работа, обратимые процессы и необратимые процессы.

Энергию можно использовать в 2 видах: в виде тепла и ра­боты. Работа –высшей формой энергии, поскольку ее можно полностью превратить в тепло, тогда как обратное невозможно. Только часть тепловой энергии, можно превратить в работу в замкнутом круговом процессе, что зависит от следующих факторов:

а) начального и конечного состояний жидкости;

б) термодинамического к.п.д. процесса.

Из заданной массы очень горячей ж-ти можно извлечь больше работы, чем из более холодной ж-ти, даже если масса последней такоя, что в ней содержится достаточное кол-во энергии по отношению к энергии окр. среды. Горючий газ можно использовать для приведения в дей­ствие турбины или для обогрева помещения; в то же время воздух при 50° С может обогревать помещение, но его температура недостаточ­на для работы турбины. Следовательно, не нужно использовать горю­чий газ для обогрева помещений, а нужно сохранять его для таких про­цессов, в которых можно наилучшим образом использовать его располагаемую работу.

Поэтому жидкости с высокой температурой или топлива, продук­ты сгорания которых имеют высокую температуру, имеют большую ценность по сравнению с той, которая определяется только их эн­тальпией. Хорошей мерой их ценности является заключенная в них располагаемая работа, с помощью которой их можно сравнить с электрической или механической энергией, способной непосредствен­но превращаться в работу.

Процессы, в которых используется или преобразуется энергия можно оценить, исходя из того, насколько эффективно в них сохраняется работа. Все процессы подчинены физ. ограни-нениям. Но некоторые процессы теорети­чески весьма эффективны, тогда как другие неэффективны. Если физ. ограничения можно лишь свести к min путем тща­тельного изготовления узлов системы и т.п., то процессов, которые неэффективны по своей сущности, можно в известной степени из­бегать. Действительно, многие процессы специально делают неэффек­тивными, чтобы с их помощью можно было управлять.

Однократное и повторное использование энергии

экономии энергии в промышленности – многократном ее использование. Жидкости, имеющие в какой-либо установке наибольшие темпера­туры и давления, содержат также наибольшее относительное коли­чество располагаемой работы. Поэтому их следует использовать для приведения в действие двигателей, в которых происходит расшире­ние рабочего тела, чтобы извлечь по крайней мере часть со­держащейся в рабочем теле располагаемой работы и перевести ее в механическую энергию для насосов и компрессоров или для генериро­вания электроэнергии. Но, вместо того чтобы отводить отработав­шее рабочее тело в конденсатор, следует использовать содержащееся в нем тепло в качестве технологического тепла. В установке с совершенным энергетическим балансом не должна потребляться электроэнергия и не должен конденсироваться пар над холодной водой или в холодном воздухе.

Необходимо кратко пояснить последнее утверждение. Если уста­новка потребляет электроэнергию, то эту электроэнергию генери­рует, вероятно, конденсационная паровая турбина. Поскольку энер­гетическая установка производит только работу и сбрасывает тепло, ее общий к.п.д. не может быть таким же высоким, как к.п.д. уста­новки, в которой используются и работа, и тепло. Но если техноло­гическое оборудование потребляет больше работы, чем тепла, и не потребляет электроэнергию, то необходимо конденсировать или вы­пускать низконапорный пар. Когда спрос на тепло превышает спрос на работу, можно обеспечить получение дополнительного количества тепла, производя электроэнергию и поставляя ее потребителям, не способным самостоятельно ее производить.

С этой точки зрения сжигание топлива только для получения тепла несовместимо с задачей сохранения работы. Кроме того, пре­образование работы в тепло, как в случае электрического омичес­кого нагрева, непродуктивно, и его следует по возможности избе­гать.

Преобразование тепла в механическую работу, а затем в электро­энергию - наиболее очевидный пример использования тепла, но он далеко не единственный. В промышленности имеется много разнооб­разных операций, потребляющих энергию, хотя она и не видна в продуктах производства.

потери тепла и дру­гие причины могут уменьшить привлекательность такого метода, приведенный пример демонстрирует ценность водяного пара высокого давления