Главная

Популярная публикация

Научная публикация

Случайная публикация

Обратная связь

ТОР 5 статей:

Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия

Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века

Ценовые и неценовые факторы

Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка

Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы

КАТЕГОРИИ:






КРУГОВОЙ ПРОЦЕСС (ЦИКЛ).




Рис. 93. Круговой процесс на диаграмме (p, V). abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия. Работа A в круговом процессе равна площади фигуры abcd.

Круговым процессом (циклом) называется процесс, при котором система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное состояние. Цикл, совершаемый идеальным газом, можно разбить на процессы расширения

(1 — 2) и сжатия (2 — 1) газа. Работа расширения положительна, работа сжатия отрицательна.

Работа, совершаемая газом за цикл, определяется площадью,

охватываемой замкнутой кривой. Если за цикл совершается положительная работа A = òpdV > 0, (14.8.)

то он называется прямым, если же за цикл совершается отрицательная работа

A = òpdV < 0, (14.9.)

то он называется обратным. Прямой цикл используется в тепловых двигателях, совершающих работу за счет полученной извне теплоты. Обратный цикл используют в холодильных машинах — периодически действующих установках, в которых за счет работы внешних сил теплота переносится от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. В результате кругового процесса система возвращается в исходное состояние и, следовательно, полное изменение внутренней энергии газа равно нулю. Первое начало термодинамики для кругового процесса Q = DU + A = A, т.е. работа, совершаемая за цикл, равна количеству полученной из вне теплоты. В результате кругового процесса система может и получать, и отдавать теплоту, поэтому Q = Q1 - Q2, где Q1 - количество теплоты, полученной системой, Q2 - количество теплоты, отданное системой. Коэффициент полезного действия для кругового процесса h = A/Q1 =(Q1 - Q2)/Q1. (14.10.)

Рис. 94. Три различных пути перехода из состояния (1) в состояние (2). Во всех трех случаях газ совершает разную работу, равную площади под графиком процесса.

ЦИКЛ КАРНО.

Из формулировки второго начала термодинамики по Кельвину следует, что вечный двигатель второго рода — периодически действующий двигатель, совершающий рабо­ту за счет охлаждения одного источника теплоты, — невозможен. Для иллюстрации этого положения рассмотрим работу теплового двигателя (исторически второе начало термодинамики и возникло из анализа работы тепловых двигателей).

Принцип действия теплового двигателя. От термостата* с более высокой температурой Т 1, называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты Q 1, а термостату с более низкой температурой Т 2, называемому холодильником, за цикл передается количество теплоты Q 2, при этом совершается работа А = Q 1 Q 2.

*Термодинамическая система, которая может обмениваться теплотой с телами без измене­ния температуры.

 

Чтобы термический коэффициент полезного действия теплового двигателя был равен 1, необходимо выполнение условия Q 2 = 0, т. е. тепловой двигатель должен иметь один источник теплоты, а это невозможно. Taк, французский физик и инженер Н. Л. С. Карно (1796 — 1832) показал, что для работы теплового двигателя необ­ходимо не менее двух источников теплоты с различными температурами, иначе это противоречило бы второму началу термодинамики.

Рис. 95.

Процесс, обратный происходящему в тепловом двигателе, используется в холо­дильной машине, принцип действия которой представлен на рис.. Системой за цикл от термостата с более низкой температурой Т 2 отнимается количество теплоты Q 2 и от­дается термостату с более высокой температурой Т 1 количество теплоты Q 1. Для кругового процесса, Q=A, но, по условию,

Q = Q 2 – Q 1 < 0, поэтому А< 0 и Q 2 – Q 1 = –А, или Q 1 = Q 2 + A, т. е. количество теплоты Q 1, отданное системой источнику теплоты при более высокой температуре T 1 больше количества теплоты Q 2, полученного от источника теплоты при более низкой температуре T 2, на величину работы, совершенной над системой. Следовательно, без совершения работы нельзя отбирать теплоту от менее нагретого тела и отдавать ее более нагретому. Это утверждение есть не что иное, как второе начало термодинамики в формулировке Клаузиуса.

Однако второе начало термодинамики не следует представлять так, что оно совсем запрещает переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. Ведь именно такой переход осуществляется в холодильной машине. Но при этом надо помнить, что внешние силы совершают работу над системой, т. е. этот переход не является единст­венным результатом процесса.

Основываясь на втором начале термодинамики, Карно вывел теорему, носящую теперь его имя: из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих оди­наковые температуры нагревателей (T 1) и холодильников (T 2), наибольшим к. п. д. обладают обратимые машины; при этом к. п. д. обратимых машин, работающих при одинаковых температурах нагревателей (T 1) и холодильников (T 2), равны друг другу и не зависят от природы рабочего тела (тела, совершающего круговой процесс и обменивающегося энергией с другими телами), а определяются только температурами нагревателя и холодильника.

Карно теоретически проанализировал обратимый наиболее экономичный цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Его называют циклом Карно.

Циклом Карно - это круговой процесс, при котором работа, совершаемая тепловым двигателем за счет внешней теплоты, максимальна.

Рассмотрим прямой цикл Карно, в котором в качестве рабочего тела используется идеальный газ, заключенный в сосуд с подвижным поршнем.

Для получения цикла Карно необходимо иметь нагреватель (тело, отдающее теплоту), холодильник (тело, принимающее теплоту) и рабочее тело (газ), посредством которого происходит передача теплоты от нагревателя к холодильнику.

Первая теорема Карно: К.П.Д. теплового двигателя, работающего по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя (Т1) и холодильника (Т2), но не зависит от свойств рабочего тела и конструкции двигателя: h = (Т1 - Т2)/T1 = 1 -(T2/T1). (14.11.)

Рис.96. Цикл Карно.

Вторая теорема Карно: В термодинамике наибольшим К.П.Д. обладает цикл Карно.

Вторая теорема Карно дает верхний предел КПД любой реальной тепловой машины. Прямой цикл Карно лежит в основе работы тепловых двигателей, а обратный цикл холодильных машин.

Цикл Карно изображен на рис.73, где изотермические расширение и сжатие заданы соответственно кривыми 12 и 3—4, а адиабатические расширение и сжатие — кривы­ми 23 и 4—1. При изотермическом процессе U= const, поэтому, количество теплоты Q 1, полученное газом от нагревателя, равно работе расширения А 12, совершаемой газом при переходе из состояния 1 в состояние 2: А12 = (m/M)RT1ln(V2/V1) = Q1.

При адиабатическом расширении 23 теплообмен с окружающей средой отсутствует и работа расширения А 23 совершается за счет изменения внутренней энергии: А23 = -(m/M)Cv (T1 – T2).

Количество теплоты Q 2, отданное газом холодильнику при изотермическом сжатии, равно работе сжатия А 34: А34 = (m/M)RT2 ln(V4 /V3 ) = Q 2.

Работа адиабатического сжатия А41 = -(m/M)Cv (T1 – T2) = - А23.

Работа, совершаемая в результате кругового процесса,

А = А12 + А23 + А34 + А41 = Q 1 + А23 - Q 2 - А23 - Q 2. = Q 1- Q 2.

и, как можно показать, определяется площадью, заштрихованной на рис. Термический к. п. д. цикла Карно, η = А/Q 1 = (Q 1- Q 2.)/Q 1.

Применив уравнение для адиабат 23 и 4—1, получим

T1 V2γ-1 = T2 V3γ-1, T1 V1γ-1 = T2 V4γ-1, о ткуда V2/ V1 = V3/ V4,

И получаем

η =(Q1-Q2)/Q1=[(m/M)RT1 ln(V2 /V1)-(m/M)RT2ln(V4/V3)]/[(m/M)RT1ln(V4 /V3)]

= (T1 - T2)/T1.

т. е. для цикла Карно к. п. д. действительно определяется только температурами нагревателя и холодильника. Для его повышения необходимо увеличивать разность температур нагревателя и холодильника. Например, при T 1 = 400 К и T 2 = 300 К h = 0,25. Если же температуру нагревателя повысить на 100 К, а температуру холодильника понизить на 50 К, то

h = 0,5. К. п. д. всякого реального теплового двигателя из-за трения и неизбежных тепловых потерь гораздо меньше вычисленного для цикла Карно.

Обратный цикл Карно положен в основу действия тепловых насосов. В отличие от холодильных машин тепловые насосы должны как можно больше тепловой энергии отдавать горячему телу, например системе отопления. Часть этой энергии отбирается от окружающей среды с более низкой температурой, а часть — получается за счет механической работы, производимой, например, компрессором.






Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

vikidalka.ru - 2015-2024 год. Все права принадлежат их авторам! Нарушение авторских прав | Нарушение персональных данных