3. Изотермический процесс

Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры, в данном же процессе температура не изменяется, следовательно, в изотермическом процессе U = const, т.е. U = 0.

Q = A, т е вся сообщенная газу теплота идет на совершение работы расширения газа. Изотермический процесс является наиболее энергетически выгодным для превращения внутренней энергии газа в механическую работу.

4. Адиабатный процесс

Адиабатным называют процесс, происходящий без теплообмена системы с окружающей средой, т. е. при этом процессе Q = 0. Идеальным случаем осуществления адиабатного процесса явилась бы полная тепловая изоляция системы от окружающих тел (приблизительно такую теплоизоляцию создает сосуд Дюара или термос). В реальных условиях адиабатным можно считать быстропротекающий процесс, поскольку в данном случае теплообмен не успевает произойти.

Поскольку в адиабатном процессе Q = 0, то А = -U, т. е. работа изменения объема газа происходит в адиабатном процессе за счет изменения внутренней энергии системы. При адиабатном расширении газ охлаждается, а при адиабатном сжатии — нагревается.

Работа при адиабатном изменении объема газа может быть определена графическим способом. При одинаковом изменении объема газа в изотермическом процессе совершается работа большая, чем в адиабатном. Происходит это потому, что в адиабатном процессе давление зависит и от объема и от температуры газа, а в изотермическом — только от его объема (это приводит к тому, что при одинаковом изменении объема газа давление в адиабатном процессе изменяется быстрее, чем в изотермическом).

Принцип действия тепловых двигателей. Кпд теплового двигателя

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать часть полученного количества теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. Тепловой резервуар с более высокой температурой, передающий теплоту тепловому двигателю, называется нагревателем, а забирающий остатки тепла с целью вернуть рабочее тело в исходное состояние – холодильником. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т.д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется.

Необходимые условия для работы циклического теплового двигателя:

1. Наличие рабочего тела (газ или пар), которое нагреваясь при сгорании топлива расширяется и совершает механическую работу. Периодический тепловой двигатель не может совершать полезную работу, если в нем используется незамкнутый термодинамический процесс. Газ должен расширяется при высокой температуре Т₁, а сжимается при более низкой Т₂. Круговым процессом (циклом) называют замкнутый термодинамический процесс, в результате которого система возвращается в исходное состояние. Обратимым называют такой процесс, который может осуществляться и в прямом, и в обратном направлениях таким образом, что после возвращения системы в исходное состояние в окружающих телах не остается никаких изменений, вызванных этим процессом.

2. Использование кругового процесса (цикла).

3. Наличие нагревателя и холодильника. Нагревателем называют тело или среду с температурой более высокой, чем у рабочего тела, а холодильником — тело или среду с температурой более низкой, чем у рабочего тела.

При работе теплового двигателя выполняется закон сохранения энергии

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называется отношение полезной работы, совершенной двигателем, ко всей энергии Q₁, полученной при сгорании топлива (то есть от нагревателя): .

КПД теплового двигателя всегда меньше единицы.

Для определения максимально возможного значения КПД теплового двигателя французский инженер С. Карно рассчитал идеальный обратимый цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, который впоследствии получил название цикла Карно (на рисунке 1-2—изотермическое расширение; 2-3 — адиабатное расширение идеального газа; 3-4 — изотермическое сжатие, 4-1 — адиабатное сжатие газа. Карно показал, что КПД такого цикла не зависит от конструкции теплового двигателя и определяется по формуле , где T₁ – температура нагревателя, T₂ – холодильника. КПД даже у идеального теплового двигателя всегда меньше единицы. Если температура холодильника равна абсолютному нулю, то циклический процесс вырождается. Принципиально невозможно добиться того, чтобы КПД теплового двигателя был равен единице. У реальных тепловых двигателей КПД меньше, чем у цикла Карно, т. е. значительно меньше единицы. Для увеличения КПД обычно увеличивают температуру нагревателя. Холодильником является окружающая среда.