Лекція 8. Другий закон термодинаміки. Теплові двигуни

8.1 Оборотні процеси. Кругові процеси (цикли). Призначення і принцип дії теплових двигунів. Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна.

Оборотні процеси

У природі існують оборотні й необоротні процеси. До оборотних процесів належать механічний рух тіл у вакуумі при відсутності сил опору. Усі інші процеси природи - необоротні.

*Оборотний процес – це процес, при якому можливе повернення системи в початковий стан без будь – яких перетворень у навколишньому середовищі. Наприклад, прямий напрям: камінь кидають угору з початковою швидкістю v₀, під час польоту кінетична енергія каменя W_к переходить у потенціальну W_п.

Зворотний напрям - камінь, піднявшись на висоту h, падає вниз. При падінні потенціальна енергія каменя W_п переходить у кінетичну W_к..

Визначення. Необоротний процес - це процес, при якому неможливе повернення системи в початковий стан без перетворень у навколишньому середовищі.

Необоротній процес може протікати тільки в прямому напрямі.

Наприклад, прямий напрям, камінь кидають униз. Під час падіння потенціальна енергія каменя W_п переходить у його внутрішню енергію U, тобто камінь нагрівається.

Зворотний напрям - камінь охолонув і від цього підстрибнув на висоту h. Такого процесу в природі не існує.

Н еоборотність теплових процесів пов’язана не з природою молекул, а з їхньою кількістю. Оскільки у теплових процесах бере участь величезна кількість молекул, то вони необоротні. Як приклад розглянемо дві посудини з перегородками, в лівій частині яких знаходиться газ (Рисунок 8.1). У першій посудині всього три молекули, а в другій 10²⁵. Якщо в посудинах ліквідувати перегородки і спробувати дочекатися, доки всі молекули займуть початкове положення. То для посудини з трьома молекулами це цілком можливо. Щодо іншої посудини, то молекули ніколи не зможуть самостійно зібратися в лівій частині посудини.

Призначення і принцип дії теплових двигунів

Механічну енергію можна легко перетворити у внутрішню. Наприклад, досить пустити важкий брусок по похилій площині й потенціальна енергія бруска перетвориться у внутрішню. А примусити брусок рухатись угору, підвівши до нього тепло, важко, бо перехід упорядкованого руху тіла в невпорядкований рух молекул тіла є необоротним процесом. Для перетворення тепла в механічну роботу потрібні теплові двигуни.

Визначення. Теплові двигуни – це пристрої, що перетворюють внутрішню енергію в механічну.

О дним із різновидів теплових двигунів є циклічний тепловий двигун – машина, яка здійснює замкнений цикл.

Визначення. Круговим процесом або циклом називається процес, при якому система, пройшовши через ряд станів, вертається у вихідний стан. (рисунок 8.2).

Т епловий двигун повинен мати нагрівник, робоче тіло й холодильник (Рисунок 8.3). Нагрівник передає тепло робочому тілу. Отримавши тепло від нагрівника, робоче тіло виконує роботу. А для повертання двигуна в початковий стан потрібен холодильник. Зроблені нами висновки правильні для всіх циклічних теплових двигунів.

Визначення. Цикл, у результаті здійснення якого виконується додатна корисна робота (цикл за годинниковою стрілкою), яка передається в зовнішнє середовище, називається прямим.

Зворотний цикл (цикл відбувається в напрямку проти годинникової стрілки).

Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна

1. Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна є важливою характеристикою машин та двигунів, яка характеризує їхню якість.

2. Визначення. Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна - це відношення корисної роботи двигуна А_к до кількості теплоти, що поступає від нагрівника Q_н.

3. ;З даної формули можна отримати інший вираз для знаходження коефіцієнта корисної дії теплового двигуна.

Оскільки А_к = Q_н – Q_х, маємо ; або ;

Виходячи з отриманих формул, зрозуміло, що збільшити ККД двигуна можна збільшивши кількість теплоти, що поступає від нагрівника (Q_н), та зменшивши кількість теплоти, що передається холодильнику.

4. Одиницею вимірювання корисної дії теплового двигуна є [h] = %