17. Оборотні і необоротні процеси. Цикли

Процес - це перехід системи із одного стану в інший. Є рівноважні і нерівноважні, оборотні і необоротні процеси.

Прирівноважному процесі зміни параметрів системи (тиску, температури і т.ін.) встигають за змінами зовнішніх умов. Це означає, що в момент припинення зміни зовнішніх умов зміна параметрів системи теж відразу припиняється. Це нескінченно повільні процеси.

Принерівноважному процесі після стабілізації зовнішніх умов параметри системи ще деякий час продовжують змінюватись. Це швидко текучі процеси. Наприклад, при швидкому стискуванні газу поршнем поблизу нього температура газу вища ( молекули відбиваються від нього з більшою швидкістю на подвоєну швидкість поршня, ніж падають (див. наслідок у розділі 4.8), ніж в об’ємі. Тому після зупинки поршня температура продовжує змінюватись (вирівнюватись).

Оборотній – це такий процес, який можна провести в зворотному напрямку через ту ж саму сукупність станів системи, що і в прямому (рис.6.28,а). Якщо ж цього здійснити неможливо, процес називається необоротнім (рис.6.28,б). Наприклад, при швидкому стискуванні газу , коли його температура поблизу поршня більша, ніж в об’ємі, зворотній процес розширення газу, із температурою поблизу поршня вищою, ніж в об’ємі, неможливий. Дійсно, в цьому випадку молекула буде мати швидкість відбивання меншу на подвоєну швидкість поршня (див. наслідок у розділі 4.8), ніж швидкість падіння на нього. А це означає меншу температуру газу поблизу поршня, ніж в об’ємі. А це вже інший шлях зворотного процесу ніж прямого.

Цикл – це замкнутий процес, тобто коли система після ряду змін повертається в свій початковий стан. Якщо всі процеси циклу оборотні, цикл теж оборотній. Якщо ж хоч один процес циклу необоротній, цикл теж необоротній.

Робота газу цикл чисельно дорівнює площі, обмеженій циклом в координатах Р-V.

17. Принцип дії теплової і холодильної машин та їх коефіцієнт корисної дії (ккд). Холодильний коефіцієнт. Друге начало термодинаміки

Теплова машина уявляє собою пристрій, який багатократно здійснює деякий цикл, результатом якого є перетворення теплової енергії в механічну роботу. Причому ця робота повинна бути позитивною. Тоді її можна використати і машина буде корисною.

Всяка теплова машина складається із трьох невід’ємних частин (рис.6.29): 1) нагрівника з температурою Т₁, як джерела теплової енергії; 2) робочого тіла, як носія енергії і посередника між тепловою і механічною енергіями; 3) холодильника.

Необхідність перших двох частин не викликає сумніву, а третьої, холодильника, потребує обгрунтування. Доведемо необхідність холодильника, тобто необхідність викидання певної кількості теплоти в холодильник, як правило оточуюче середовище. При розширенні газу він виконує певну позитивну роботу. Щоб машина працювала відносно довго, робоче тіло необхідно повернути в початковий стан, затративши на це меншу роботу. Тільки тоді А>0 і машина буде корисною. Отже зворотний процес стискування робочого тіла повинен пройти нижче, ніж прямий (рис.6.28,б), а значить при нижчій, ніж прямий, температурі (див. рис.6.2). При стискуванні газ нагрівається. Щоб знизити його температуру, необхідно відбирати частину тепла і викидати в холодильник.

Таким чином, ми впевнились, що неможлива теплова машина, яка б повністю перетворювала всю теплоту в роботу. Така машина називається вічним двигуном другого роду і він нгеможливий. В цьому полягає суть другого начала термодинаміки.

Слід зауважити, що процес, при якому все тепло перетворюється в роботу є – це ізотермічний процес. Але ж для роботи теплової машини необхідно проводити замкнутий процес, тобто цикл.

Знайдемо вираз для ККД ( η ) теплової машини. На основі закону збереження енергії робота

, (6.58) а затрачена енергія дорівнюєQ₁. За означенням ККД – це відношення корисної роботи до затраченої енергії

. (6.59)

Звернемо увагу, що ККД завжди менший одиниці.

Холодильна машина, це пристрій, призначенням якого є відбирання тепла від холодного тіла і передача його більш гарячому, тобто охолодження холоднішого тіла. Ця машина працює по оберненому циклу теплової машини (рис.6.30). Корисним результатом роботи холодильної машини є відібране теплоQ₂, на що витрачається робота . Ефективність роботи холодильної машини характеризує відношення забраної кількості теплотиQ₂ до роботи А, тобто холодильний коефіцієнт

. (6.60)

Звернемо увагу, що холодильний коефіцієнт^, Він може приймати будь-яке значення, як менше так і більше одиниці. Чим більший холодильний коефіцієнт, тим ефективніша холодильна машина. Але ККД циклу холодильної машини знаходиться за виразом (6.59), як і теплової машини.