Лекция №5 «Второй закон термодинамики и термодинамические циклы »

Первый закон термодинамики устанавливает зависимость между количеством тепла, участвующего в процессе, изменением внутренней энергии и совершенной работой в данном процессе. Однако этот закон не дает ответа на ряд важных вопросов, относящихся к преобразованию энергии в тепловых машинах.

Второй закон термодинамики определяет направление, в котором протекают термодинамические процессы, и устанавливает максимально возможные пределы превращения теплоты в работу в круговых процессах.

Определенная последовательность термодинамических процессов, в результате осуществления которых тепло превращается в работу или наоборот, а рабочее тело возвращается в исходное состояние, называется круговым процессом или циклом.

В зависимости от направления преобразования циклы можно разделить на прямые и обратные.

Прямым называется цикл, в котором тепло преобразуется в работу. Такие циклы осуществляются в тепловых двигателях.

Обратным называется цикл, в котором работа преобразуется в тепло так, что осуществляется передача тепла от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Обратные циклы реализуются в холодильных машинах.

Рассматривая круговой процесс (цикл), мы видим, что не вся работа, совершаемая газом в процессе расширения, может быть использована как внешняя работа. Часть работы расширения требуется затратить на сжатие газа, чтобы привести его в первоначальное состояние, соответствующее началу процесса расширения.

Разность между работой, совершенной 1 кг газа в процессе расширения, и работой затраченной на сжатие газа, называется полезной работой цикла.

Полезная работа цикла определяется по формуле

Дж/кг,

- работа, совершенная 1 кг газа в процессе расширения Дж/кг;

- работа, затраченная на сжатие 1 кг газа, Дж/кг.

Для оценки совершенства цикла в смысле превращения тепла в полезную работу вводят понятие термического коэффициента полезного действия цикла.

Отношение тепла, эквивалентного полезной работе цикла, к подведенному теплу называется термическим КПД цикла , т.е.

.

Величина показывает, какая часть подведенного к газу тепла преобразуется в работу цикла.

Термический КПД цикла меньше единицы, так как всегда существуют тепловые потери, т.е. потери тепла, уносимого с выхлопными газами в окружающую среду.

Идеальными циклами называют замкнутые циклы, составленные из обратимых простейших процессов и представляющие упрощенную схему работы реального двигателя.

Идеальные (т.е. без потерь трения) термодинамические циклы реактивных двигателей можно классифицировать следующим образом:

1. Циклы с подводом тепла при постоянном давлении .

По этим циклам работают прямоточные и газотурбинные реактивные двигатели с непрерывным установившимся потоком газа.

2. Циклы с подводом тепла при постоянном объеме .

По циклам с подводом тепла при работают прямоточные и газотурбинные реактивные двигатели с пульсирующим потоком газа.

3. Двухфазные циклы с подводом тепла при постоянном давлении .

По этим циклам работают жидкостные реактивные двигатели и пороховые ракетные двигатели.