Контрольные вопросы.

1. Сформулируйте второе начало термодинамики.

2. Что называется тепловой машиной?

3. Что называется холодильной машиной?

4. Объясните, как графически можно вычислить работу тепловой машины.

5. Чему равен к.п.д. тепловой машины?

Лабораторная работа № 8. Цикл Карно.

1. Краткая теория.

Тепловыми машинами называются устройства, в которых проис­ходит превращение теплоты в работу. Рабочее вещество в любой тепловой машине последовательно приводится в тепловой контакт с горячими те­лами (нагреватели), получая от них некоторое количество теплоты Q₁, и с холодными телами (холодильники), отдавая им количество теплоты Q₂<Q₁, и периодически возвращается в первоначальное состояние. Такие процессы называют циклическими или круговыми.

Термодинамика утверждает, что невозможно всю теплоту Q₁, полу­ченную в круговом процессе от нагревателей, превратить в работу (2-ой закон термодинамики). Согласно закону сохранения энергии (1-й закон термодинамики), работа, производимая тепловой машиной, равна:

A = Q₁ - Q₂ .

К оэффициентом полезного действия теплового двигателя назы­вают отношение

.

Цикл Карно представляет собой такой круговой процесс, при помощи которого тепло, переданное рабочему телу нагревателем, можно превратить в работу наилучшим образом, так, что получается максимально возможная работа.

Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат. Французский инженер Карно доказал, что к.п.д. такого идеального теплового двигателя максимален при данных значениях температур нагревателя T₁ и холодильника T₂ :

Любой реальный тепловой двигатель, работающий с нагревателем, температура которого T₁, и холодильником, температура которого T₂, не может иметь к.п.д., превышающий _max.

В начальном состоянии 1 рабочее тело (газ), сжатое до некоторого давления, находится в контакте с нагревателем. Получая тепло от нагревателя, газ изотермически расширяется при температуре T₁ и совершает максимально возможную работу (переходит в состояние 2).

После этого газ должен часть теплоты отдать холодильнику, чтобы понизить свою температуру. Если газ привести в контакт с холодильником, то он потеряет эту теплоту без совершения работы. Поэтому после изотермического расширения газ изолируют от нагревателя и дают ему возможность адиабатно расшириться (переход из 2 в 3) и охладиться до температуры холодильника. При этом газ совершает дополнительную механическую работу.

В процессе этой половины цикла газ совершает полезную работу за счет тепла Q₁, полученного от нагревателя.

Для возвращения в исходное состояние газ приводят в контакт с холодильником и изотермически сжимают при температуре T₂ (переход 3-4). При этом над рабочим телом совершается работа, и оно отдает холодильнику некоторое количество теплоты Q_2.

Затем, изолировав рабочее тело от холодильника, его дополнительно сжимают адиабатно, так, чтобы оно нагрелось до температуры нагревателя (переход 4-1), и приводят в контакт с нагревателем.

В таком цикле нет соприкосновения тел с разными температурами и, значит, нет бесполезных потерь тепла.

Положительная работа, совершаемая газом при его расширении, больше, чем отрицательная работа, совершаемая над газом при его сжатии, поэтому часть тепла преобразуется в механическую работу.

Цикл Карно идеальной тепловой машины на P,V - диаграмме идёт по часовой стрелке. Однако, он может быть проведен и в противопо­ложном направлении (холодильный цикл). В этом случае система отби­рает тепло Q₂ от холодного тела и передает тепло Q₁ > Q₂ горячему телу. Для того, чтобы такой процесс был возмо­жен, над системой должна совершаться положительная работа А. Холо­дильный цикл реализуется в холодильных машинах.