05 семестр / Лекции и семинары / Лекции

61

Второй закон также как и первый закон эмпирические. Он получается на основе опыта. Имеется много различных формулировок второго закона, но все они логически связаны.

Постулат Клаузиуса

«Теплота сама собой, т.е. без затраты работы не может переходить от холодных тел к более нагретым, в то время как обратный процесс протекает самопроизвольно. Следовательно, процесс теплообмена между телами при конечной разности температур является всегда односторонним необратимым процессом».

Формулировка Карно

«Всюду где имеется разность температур возможно получение работы за счет теплоты». Разность температур первопричина перехода теплоты в работу. Разность температур в тепловом двигателе вызывает разность давлений.

Формулировка Кельвина Планка

«Невозможна непрерывная работа тепловой машины, все эффекты которой сводились бы к подъему груза и теплообмену с одним источником теплоты». Недостаточно иметь только источник теплоты (теплоотдатчик) нужен обязательно и теплоприемник.

формулировка

Невозможно создание вечного двигателя второго рода. Это означает, что невозможна работа теплового двигателя за счет теплоты, взятой из окружающей среды, если отсутствует разность температур.

18.3. Круговые процессы или циклы

Это основа работы всех тепловых машин.

Круговыми процессами или циклом называются такие совокупности термодинамических процессов, после которых рабочее тело приходит в исходное начальное состояние. Число отдельных процессов может быть любым в цикле.

Круговые процессы обеспечивают непрерывную и длительную работу тепловых машин .

Различают два вида круговых процессов прямые циклы и обратные циклы.

62

По прямым циклам работают тепловые двигатели (ДВС, ПСУ, АЭС, ГТУ и т.д.); по обратным циклам работают холодильные машины и тепловые насосы.

Прямые циклы

Принцип действия всех тепловых двигателей соответствует следующей термодинамической схеме.

Изображение прямого цикла общего вида в диаграмме

Процесс расширения

Процесс сжатия

63

Направление прямого цикла всегда по часовой стрелке

При процессе рабочее тело принимает теплоту от теплоотдатчика и совершает работу расширения .

При процессе сжатия рабочее тело отдает теплоту в теплоприемник и затрачивается на сжатие .

Работа за весь цикл:

это площадь

полезная работа идеального цикла.

Как видно для получения полезной работы необходимо выполнить отвод теплоты от рабочего тела, т.е. иметь теплоприемник.

Так как , то по первому закону термодинамики

Эффективность получения работы любого двигателя за счет теплоты оценивается термическим коэффициентом полезного действия цикла:

Поскольку то всегда!

Всю расходуемую теплоту превратить в работу невозможно. КПД реального двигателя оценивается понятием эффективного КПД:

64

относительно эффективный КПД, учитывающий всевозможные потери энергии внутри теплового двигателя.

Таким образом, невозможно непрерывное получение работы теплового двигателя, если наряду с подводом теплоты нет отвода теплоты.

Обратные циклы

По этим циклам работают холодильные установки и тепловые насосы.

Принцип их действия соответствует следующей термодинамической формуле:

более нагретая среда

менее нагретая среда

Процесс происходит непрерывно с помощью обратного цикла.

Изображение обратного цикла в диаграмме

65

Процесс расширения Процесс сжатия

Направление обратного цикла всегда против часовой стрелки.

Так как , следовательно, в соответствии с законом сохранения энергии

В случае холодильной машины полезный холодильный эффект

Если , то холодильная машина работает неэффективно

Тепловые насосы отличаются от холодильных машин только назначением полезный тепловой эффект насоса Отопительным коэффициентом теплового насоса называются соотношения:

66

18.4. Цикл Карно. Учение Карно

Цикл Карно идеальный обратимый цикл, с помощью которого оценивается совершенство тепловых машин, т.е. выясняется, при каких условиях можно получить максимальный КПД теплового двигателя.

Максимальной эффективность обладает идеальный тепловой двигатель, работающий по полностью обратимому циклу, который при условии одного теплоотдатчика и одного теплоприемника состоит из двух адиабат. Это Цикл Карно.

Изображение цикла Карно в диаграмме

теплоотдатчик с температурой

теплоприемник с температурой

67

Термический КПД цикла Карно Для удобства вывода формул термического КПД цикла Карно используем

диаграмму, принимая в качестве рабочего тела газ.

Процессы изотермические процессы;

Процессы адиабатные процессы В диаграмме площади отражают теплоту

(площадь )=

(площадь )=

(площадь 1234)

68

абсолютная температура теплоотдатчика

абсолютная температура теплоприемника

18.5. Основные свойства цикла Карно

Цикл Карно имеет максимальный КПД по сравнению с любым другим циклом.

Докажем это с помощью диаграммы.

Площадь цикл Карно

Площадь цикл любого двигателя с процессами:

подвод тепла

отвод тепла

69

Заменяем цикл эквивалентами циклу Карно: в процесс подводится тепло

В процессе подводится тепло

Усредненные температуры подвода и отвода тепла в эквивалентном цикле равны:

Таким образом, в заданном интервале температур не может быть цикла с более высоким КПД, чем у цикла Карно.

18.6. Максимальная полезная работа

Максимальная полезная работа оценивается величиной энергии.

Величина энергии термодинамической системы оценивается той максимальной работой, которая возможна при переходе системы от ее исходного состояния к состоянию равновесия с окружающей средой.

Путь исходная температура термодинамической системы, температуры окружающей среды

В систему подано тепла в количестве

Максимальная полезная работа:

70

В этом случае теплота это энергия.

Теплота неработаспособная

Выводы по прямому циклу

1.Полная обратимость прямого цикла обеспечивает лучшие условия для работы тепловых двигателей. Цикл Карно реально не выполним, но поскольку он является идеальным по эффективности, его приняли в качестве эталона для сравнения с любым реальным двигателем.

Сравнивая КПД любого двигателя с КПД цикла Карно, оценивается насколько совершенен данный двигатель.

2. Для повышения КПД теплового двигателя необходимо увеличивать разность температур , приближать термодинамические процессы в двигателях к обратимым.

Обратный цикл Карно

Состоит из тех же четырех процессов, но рабочее тело проходит их против часовой стрелки.

Изображение обратного цикла Карно в и диаграммах

Известно, что по обратному циклу Карно работают холодильные машины и тепловые насосы.

В случае холодильной машины