8) Циклические процессы. Коэффициент полезного действия и холодильный коэффициент. Циклические процессы

циклические позволяют реализовать преобразования энергии в различных формах, в механизмах и машинах. Сопряжение одного процесса с другим позволяет осуществить иначе невозможные и энергозатратные процессы и реакции, поднимать тела против силы тяжести, передавать теплоту от более холодного к теплому и т.д.

Цикл Карно́ — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Состоит из 2 адиабатических и 2 изотермических процессов.

она изменяется и возращается обратно в начальное состояние в конце.

1.

2.

3 и 4 будут с минусом

КПД η равен:

Термодинамический КПД и холодильный коэффициент циклов

Источники, имеющие высокую температуру (Т1) и отдающие теплоту рабочему телу, называются теплоот-датчиками. Источники, имеющие низкую температуру (Т2) и получающие теплоту от рабочего вещества, называются теплоприемниками.

На РУ-диаграмме полезная работа кругового процесса равна площади, образованной кривыми прямого и обратного хода процесса и заключенной внутри цикла. Если на графике линия расширения расположена над линией сжатия, направление цикла происходит по часовой стрелке и произведенная в процессе работа потребляется внешними устройствами, такой цикл является прямым. Если на диаграмме линия сжатия расположена выше линии расширения, направление цикла происходит против часовой стрелки и работа совершается с помощью внешнего источника, такой цикл является обратным.

Полезную работу двигателя возможно получить только в случае, когда работа расширения больше работы по сжатию. Преобразование теплоты в механическую работу является несамопроизвольным процессом и обязательно должно сопровождаться компенсацией.

Тепловые устройства считаются идеальными, если в них нет потерь. Цикл также считается идеальным, если образован только обратимыми явлениями. В тепловых двигателях оценку экономичности идеального прямого цикла называют термическим коэффициентом полезного действия. Он равен отношению теплоты, которая преобразовалась в ходе цикла в работу, ко всей подведенной теплоте и обозначается ht(«эта», греческая буква):

где 1ц – полезная работа;

q1 – подведенная теплота;

q2 – отведенная теплота. Внешняя работа при обратном цикле равна:

1ц = q1 – q2,

где q1– отведенная теплота к горячему источнику;

q[2]– отведенная теплота от холодного источника.

Для обратного идеального цикла существует термин холодильного КПД, который обозначается ?t:

Можно сформулировать второй закон термодинамики таким образом: «В тепловом двигателе преобразование теплоты в механическую работу на 100% невозможно».

9) Цикл Карно. Коэффициент полезного действия и холодильный коэффициент.

Цикл Карно та його ККД

 

          Французький фізик і інженер Нікола Леонар Саді Карно, один із засновників термодинаміки, у 1824 році опублікував роботу “Роздуми про рушійну силу вогню”, яку не оцінили його сучасники. У ній вперше були розглянути питання взаємного перетворення тепла і роботи. Карно підходив до розгляду проблеми з позицій теплороду, вважаючи тепло рідиною, яка втікає у тіло при його нагрівання, і витікає при його охолодженні. Незважаючи на це, отримані ним результати виявились правильним і досі не втратили свого значення.

          Лише через два роки після смерті Карно у 1834 році цією роботою зацікавився Клапейрон, і користуючись ідеями Карно запропонував цикл, який стали називати циклом Карно.

 Будь який реальний двигун можна уявити собі як нескінченну кількість нагрівачів і нескінченну кількість холодильників. Але аналізувати таку систему складно. У циклі Карно задача якомога спрощена. Розглянемо найпростішу машину – маємо дві температури – нагрівача і холодильника. Це машина без тертя, процеси у ній відбуваються нескінченно повільно, можна вважати, що квазістатично.

          Цикл Карно виглядає наступним чином. Спочатку система приводиться у тепловий контакт з нагрівачем, що має температуру . Потім нескінченно повільно зменшуючи зовнішній тиск, її заставляють квазістатично розширятись по ізотермі 12. При цьому вона відбирає кількість теплоти  від нагрівача і виконує роботу  проти зовнішнього тиску. Після цього систему адіабатно ізолюють, тобто повністю виключають теплообмін з оточуючим середовищем, і заставляють її квазістатично розширятись по адіабаті 23, поки її температура не досягне температури холодильника . При адіабатному розширенні система також виконає  деяку роботу  проти зовнішнього тиску. У стані 3 систему приводять у тепловий контакт із холодильником і неперервним збільшенням тиску ізотермічно стискають її до деякого стану 4. При цьому над системою виконується робота (тобто вона виконує від’ємну роботу ), і вона віддає холодильнику деяку кількість тепла . Стан 4 вибирається таким чином, щоб можна було б квазістатичним стисканням по адіабаті 41 повернути систему у вихідний стан 1. Для цього над нею треба виконати роботу . В результаті циклу Карно внутрішня енергія системи не змінилась. Тоді, згідно з першим началом термодинаміки, виконана робота

 

.                         (10.5.1)

 

Цикл Карно є квазістатичним, отже може проходити як в прямому, так і в оберненому напрямку. Машина, яка працює за прямим циклом Карно є тепловою, а за оберненим – холодильною. К.к.д. прямого циклу Карно вводиться, як і для будь-якої теплової машини

.

 

Отже, це можна переписати і в такому вигляді

 

.

 

Саді Карно займався підвищенням к.к.д. машин. На той час двигуни машин працювали на різних парах (води, ртуті та ін.). Досліджуючи їх роботу, Карно сформулював три теореми, які ми зараз доведемо.