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

Основы:

Первый закон термодинамики гласит, что в любой изолированной системе энергия сохраняется. Ученому-физику Джоуль установил, что энергия, выделяемая гидравлической, пневматической, электрической и механической системами, может превращаться в тепло.

Общий критерий экономии энергии (топлива, электричества, пара, солнечного излучения) можно получить из термодинамики. Применяя второй закон термодинамики, можно оценить полезность любого вида и уровня энергии. Более того, можно определить эффек­тивность расходования этой энергии и найти способ его улучшения.

Второй закон термодинамики утверждает, что тепло нельзя полностью превратить в работу в круговом процессе (т.е. некоторое количество тепла останется непреобразованным). Причина этого ограничения состоит 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.

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.

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

Располагаемая работа, обратимые процессы и необратимые процессы.

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.

Хорошей мерой ценности является заключенная в них располагаемая работа, с помощью которой их можно сравнить с электрической или механической энергией, способной непосредствен­но превращаться в работу.

Процесс, в котором состояние жидкости изменяется благодаря приложенной работе и в котором жидкость, возвращаясь в исходное состояние, может произвести такое же количество работы, называ­ется обратимым. Примером обратимого процесса является процесс в идеальном компрессоре, работающем на идеальном газе. Работа, приложенная к компрессору, может повысить давление и темпера­туру газа. Если система совершенна, т.е. в ней нет трения или потерь тепла, расширение газа может произвести в точности такое же количество работы, которое было затрачено на его сжатие.

Но если сжатый газ расширяется при истечении через отверстие и охлаждается до своего исходного состояния, работа не восстанавли­вается. Процесс расширения при истечении через отверстие и процесс теплопередачи теоретически необратимы

Однократное и повторное использование энергии

Наибольшие возможности для экономии энергии в промышленности заключаются в многократном использовании энергии. 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 (турбин), 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.

Такая методика давно уже применяется при многоступен­чатом выпаривании концентрированных растворов. На первой ступени тепло выделяется вследствие конденсации греющего водяного пара. Затем вторичный пар, образующийся при испарении раствора на первой ступени, используется как теплоноситель на второй ступени и т.д. (рис. 1.6). В наиболее типичных установках имеются три ступени: вначале греющий водяной пар подают при давлении, напри­мер, 137 кПа на первой ступени и на последующих ступенях обра­зуется пар при давлении 68,7, 34,3 и 13,7 кПа. На последней ступени заданное абсолютное давление поддерживают, с помощью охлаждаемого водой конденсатора; несконденсировавшиеся газы откачивают вакуумным насосом.