1.4.12. Круговые процессы или циклы

Круговые процессы или циклы ― это процессы, в которых рабочее тело, пройдя ряд различных состояний, возвращается в исходное состояние. При непрерывной работе машины цикл постоянно повторяется.

Р Рис.16.

1 а

b

2

V₁ V₂ V

Как мы уже знаем, величины работы и количества тепла в

каком-либо произвольном политропном термодинамическом

ℓ

процессе зависят от характера процесса (показателя политропы).

Знак работы (положительный или отрицательный) зависит от

направления процесса (сжатия или расширения).

Если между точками 1 и 2 рабочее тело осуществляет

последовательно ряд процессов расширения на пути 1-а-2,

а затем также последовательно ― ряд процессов сжатия на пути

2-b-1, то в итоге рабочее тело совершит круговой процесс, или термодинамический цикл. Этот цикл описывает изменение термодинамических параметров рабочего тела и преобразование тепла в работу в тепловых машинах.

Суммарная работа цикла будет измеряться заштрихованной площадью 1-а-2-b и эта площадь выражает полезную работу.

Циклы бывают прямые и обратные. Прямые циклы осуществляются в тепловых машинах, в которых теплота переходит в работу, а обратные ― в холодильных установках, где работа переходит в теплоту. Если процессы, входящие в цикл, являются равновесными и обратимыми, то и цикл является обратимым. Если какой-либо процесс, входящий в цикл, неравновесный, то и весь цикл будет неравновесным и, следовательно, необратимым.

Полезная работа цикла равна разности количеств тепла, подведённого и отведённого при совершении цикла. В круговых процессах начальное и конечное состояния рабочего тела совпадают, поэтому изменение его внутренней энергии равно нулю.

Степень термодинамического совершенства прямого цикла характеризуется термическим коэффициентом полезного действия (КПД), который представляет собой отношение полезно использованного в цикле тепла q_пол ко всему подведённому в нём тепла.

Обозначим через q₁ всё подведённое в цикле тепло, а через q₂ ― всё отведённое, то, согласно второму закону термодинамики, которое мы изучим в следующем разделе, q_пол=q₁-q₂ и, следовательно, термический КПД цикла можно выразить следующим образом:

.

Из этого выражения следует:

1. В рассматриваемом цикле всегда η_t<1, так как по второму закону термодинамики q₂ всегда больше нуля.(q₂>0).

2. В данном интервале температур цикл тем эффективнее, чем меньше величина , то есть чем больше в цикле подводится и меньше отводится тепла или, иначе говоря, чем больше подводимое тепло используется на совершение работы.

1.4.13. Второй закон термодинамики

Вспомним, что первым законом термодинамики устанавливаются:

1. Эквивалентность взаимных превращений тепла и работы и, следовательно, количественные отношения между теплом и работой при этих превращениях.

2. Постоянство энергии изолированной термодинамической системы.

3. Взаимная связь между теплом, внутренней энергии системы и работой изменения объёма, совершаемой ею или совершаемой над ней окружающей средой.

Этих закономерностей недостаточно для того, чтобы на их основе можно было решать целый ряд практических вопросов, таких как установление факторов, определяющих условия возникновения термодинамических процессов, направления и границы их развития, условия превращения тепловой энергии в механическую.

Хаотическое движение молекул, являющееся своеобразной особенностью внутренней энергии идеального газа, отличает энергию этого вида движений от энергий направленного движений.

В отличие от неорганизованного характера внутренней энергии идеального газа, каждая молекула которого движется в своём направлении и со своей скоростью, при энергии направленного характера движение молекул или электронов происходит в определённом направлении. Энергия направленного характера свойственна механической, электрической и другим видам энергии.

Например, энергией направленного характера являются: механическое вращение вала турбины или насоса, движение рабочей среды по трубе, движение электрического тока по проводам (проводнику) и т.д.

Характерная особенность тепловой энергии идеального газа, то есть ненаправленного движения, проявляется и в том, что она в отличие от энергии направленного движения не может полностью превращаться в энергию другого вида.

Наблюдения за явлениями природы показывают, что:

1. Возникновение и развитие самопроизвольно протекающих в ней естественных процессов, работа которых может быть использована для нужд человека, возможно лишь при отсутствии равновесия между участвующей в процессе термодинамической системой и окружающей средой.

2. Самопроизвольно протекающие процессы всегда характеризуются односторонним их протеканием от более высокого потенциала к более низкому (например, от более высокой температуры к более низкой, или от более высокого давления к более низкому).

3. При протекании самопроизвольных процессов термодинамическая система стремится к тому, чтобы прийти в равновесие с окружающей средой, например, равенством давления и температуры системы и окружающей среды. Как вы поняли, что самопроизвольное протекание процессов в природе происходит без участия человека.

Односторонность протекания термодинамических процессов и то, что тепловая энергия направленного движения проявляется в хаотическом движении молекул, находят отражение в особенностях взаимного превращения тепла и работы. Если работа может быть превращена в тепловую энергию полностью, то при обратном превращении в работу возможно превратить лишь часть тепловой энергии, теряя безвозвратно всю другую её часть.

Многие тысячелетия потребовалось человечеству, с тех пор как были установлены способы превращения механической энергии в тепловую, чтобы решить обратную задачу: превращение тепла в работу и создать непрерывно работающий тепловой двигатель. Лишь в ХVIII веке появились паровые машины, назначение которых состоит в превращении тепла в работу.

Из наблюдений за явлениями природы следует также, что для того чтобы заставить процесс протекать в направлении, обратном направлению протекания самопроизвольного процесса, необходимо затратить взятую из внешней среды энергию.

При соответствующей затрате энергии, получаемой из внешней среды, можно сжимать рабочее тело, способное самопроизвольно лишь расширяться, при этом можно также осуществить перенос тепла от менее нагретого тела к более нагретому.

Формулировки второго закона термодинамики, данные различными учёными, вылились в форму постулатов, полученных в результате развития положений, высказанных французским учёным Сади Карно.

Постулат ― это утверждение, принимаемое за истинное, хотя и недоказуемое, поэтому аксиоматичное.

В частности, постулат немецкого учёного Клазиуса состоит в том, что тепло не может переходить от холодного тела к тёплому без компенсации. Сущность постулата английского учёного Томпсона заключается в том, что невозможно осуществить цикл теплового двигателя без переноса некоторого количества тепла с более высокой температурой к источнику с более низкой температурой.

Эту формулировку надо понимать так, что для того чтобы работала периодически действующая машина, необходимо, чтобы были минимум два источника тепла различной температуры.

При этом в работу может быть превращена лишь часть тепла, забираемого из высокотемпературного источника, в то время как другая часть тепла должна быть передана низкотемпературному источнику. Высокотемпературный источник иногда называют теплоотдатчиком, а низкотемпературный ― холодильником.

Таким образом, второй закон термодинамики показал на основании наблюдений за рабочими машинами, какие условия должны выполняться для превращения теплоты в работу:

1. Должно быть два источника тепла: горячий и холодный.

2. Тепло переходит от тел более нагретых к менее нагретым телам.

3. В круговом процессе подводимая теплота не может быть полностью превращена в работу.

4 Самопроизвольное протекание естественных процессов возникает и развивается при отсутствии равновесия между участвующей в процессе термодинамической системой и окружающей средой.

5. Ход самопроизвольно протекающих процессов происходит в направлении, приводящим к установлению равновесия термодинамической системы с окружающей средой, и по достижении этого равновесия, процессы прекращаются.

6. Процесс может протекать в направлении, обратном самопроизвольному процессу, если энергия для этого заимствуется из внешней среды.

Наглядно суть второго закона термодинамики можно представить, если рассмотреть работу простейшей паротурбинной установки.

И

Рис.17.

з этой схемы (рис.17) следует, что конденсационная паровая турбина может непрерывно работать при условии превращения пара в жидкость (конденсат). Это связано с тем, что часть тепла рабочего тела должна быть безвозвратно поглощена в конденсаторе. Аналогично этой схеме паротурбинной установки можно во всякой другой теплосиловой установке всегда установить наличие двух разнотемпературных источников тепла.