Контрольные вопросы:

1. Расскажите о работе совершаемой газом при постоянном давлении.

2. Как вычислить работу газа при изменяющемся давлении?

3. Что такое круговой процесс? Как вычислить работу газа при круговом процессе?

4. Как вычислить КПД кругового процесса?

5. Что такое обратимый термодинамический процесс?

Принцип действия тепловой машины. Цикл Карно

Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии газа в механическую энергию, называются тепловыми двигателями.

Внутренняя энергия газа, находящегося в цилиндре, двигает поршень при расширении газа и совершает работу. Газ называют рабочим телом. При расширении газа его давление падает и становится равным внешнему давлению. Тогда поршень останавливается, и совершение работы газом прекращается. Для того, чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо, чтобы поршень после расширения газа возвращался в исходное положение, сжимая газ. Это может происходить только под действием внешней силы.

Следовательно, работа теплового двигателя должна состоять из периодически повторяющихся процессов (циклов) расширения и сжатия.

Для того, чтобы работа при сжатии была меньше работы при расширении, необходимо, чтобы давление при сжатии было меньше, чем при расширении. Этого можно достичь, используя разные температуры газа при расширении и при сжатии. Следовательно, тепловая машина должна содержать рабочее тело, нагреватель и холодильник.

Кпд тепловой машины

, где – количество теплоты, получаемой газом от нагревателя. = – , где - количество теплоты, отдаваемое холодильнику. . Реальный КПД тепловых машин составляет 30-35%.

Наибольшим КПД обладает цикл Карно. _Карно = 66 – 75%. Цикл Карно построен на изотермических и адиабатных процессах (рисунок 20). Цикл Карно состоит из 4 тактов (рисунок 20, рисунок 21).

В первом такте рабочее тело (пар в цилиндре) приводится в соприкосновение с нагревателем, имеющим температуру и изотермически получает от нагревателя количество теплоты . Пар при этом расширяется и совершает работу (отрезок 1-2 рисунок 20, 1 на рисунке 21).

Во втором такте рабочее тело расширяется адиабатически (по адиабате 2-3 рисунок 20, 2 на рисунке 21), совершая работу и охлаждаясь до температуры .

В третьем такте при температуре рабочее тело сжимается изотермически (отрезок 3-4 рисунок 20, 3 на рисунке 21) и отдает количество теплоты холодильнику с температурой .

Рисунок 20. Цикл Карно

Завершается цикл адиабатным процессом (отрезок 4-1 рисунок 20, 4 на рисунке 21) возвращающим рабочее тело в исходное термодинамическое состояние. Рабочее тело сжимается за счет механической энергии, и его температура возрастает до величины .

Рабочее тело за один цикл совершает работу:

Работа А численно равна площади фигуры 1 – 2 – 3 – 4 - 1 ограниченной отрезками изотерм и адиабат (рисунок 20).

КПД: .

Таким образом, КПД цикла Карно зависит от разности температур нагревателя и холодильника.

Н Х

1)

Н – Нагреватель

2) Н Х Х – Холодильник

3) Н Х

4) Н Х

Рисунок 21. Схематическая реализация цикла Карно