7. Круговые процессы (циклы). Принцип действия тепловых двигателей

Тепловой двигатель – это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию (двигатель внутреннего сгорания), или устройство, в котором часть тепловой энергии, полученной от нагревателя, превращается в полезную работу.

Выделившаяся при сгорании топлива энергия в виде теплоты Q₁ передается от нагревателя рабочему телу, увеличивая его внутреннюю энергию (Рис. 2 .11). Рабочее тело (газ, пар), расширяясь в рабочей части машины, совершает механическую работу. Для того чтобы работа двигателя не сводилась к однократному расширению, газ необходимо путем сжатия вернуть в исходное состояние.

Рис. 2.11 Схема теплового двигателя

Процесс, при котором система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное состояние, называется круговым процессом (циклом). Работа цикла

.

Рис. 2.12 Определение работы газа при круговом процессе

Если направление цикла происходит по часовой стрелке, как на Рис. 2 .12, то первый интеграл положителен, а второй отрицателен (dV<0) – общая работа цикла положительна и определяется площадью, заключенной внутри замкнутой кривой, изображающей цикл.

При сжатии газа (участок L₂ цикла) за счет внешней силы, совершающей работу над газом, теплота Q₂ передается холодильнику. При обходе цикла по часовой стрелке работа сжатия меньше работы расширения, а Q₂ < Q₁. При этом полезная работа А= Q₁ – Q₂. Отношение совершаемой работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия (КПД) тепловой машины :

.

2.39

Карно показал, что максимально возможный КПД идеальной тепловой машины достигается при использовании цикла из двух изотерм и двух адиабат:

,

2.40

где Т₁, Т₂ – температуры нагревателя и холодильника, соответственно.

Основной способ повышения КПД состоит в повышении температуры нагревателя, поскольку холодильником в большинстве случаев является окружающая среда.

При работе тепловых двигателей в окружающую среду выбрасывается не только тепло, но и продукты сгорания топлива (оксиды углерода, сернистые соединения и др.). Для уменьшения вреда, наносимого природе, двигатели должны снабжаться устройствами, препятствующими вредным выбросам (фильтры на тепловых электростанциях, катализаторы на автомобилях и т. п.).

8. Энтропия

Идеальный цикл Карно является обратимым. Для него

,

откуда получаем: . Если учесть, что теплота Q₂, отдаваемая холодильнику, является величиной отрицательной, тогда можно записать:

.

Отношение передаваемой теплоты к температуре называется приведенной теплотой. Сумма приведенной теплоты в цикле Карно равна нулю.

Любой обратимый круговой процесс можно разбить на ряд малых циклов Карно. При бесконечном увеличении числа циклов и уменьшении их размеров приведенная теплота определяется как Q/T – где Q – бесконечно малое количество передаваемой теплоты. При этом за полный цикл приведенная теплота также равна нулю: .

Равенство интеграла по замкнутому контуру означает, что этот интеграл выражает изменение некоторой функции состояния, дифференциал которой

,

2.41

Эта функция S называется энтропией. Изменение энтропии:

,

2.42

Энтропия определяется с точностью до некоторой постоянной. Отметим некоторые другие свойства энтропии. Энтропия системы из нескольких тел является суммой энтропий каждого тела. Энтропия замкнутой системы либо не меняется (в случае обратимых процессов), либо возрастает (в случае необратимых процессов): . Поскольку все реальные процессы необратимы, можно дать следующую формулировку второго начала термодинамики: все процессы в изолированных системах протекают в направлении, приводящем к увеличению энтропии.