ТОР 5 статей: Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы КАТЕГОРИИ:
|
КРУГОВОЙ ПРОЦЕСС (ЦИКЛ).
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.)
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.)
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 1 — 2 и 3—4, а адиабатические расширение и сжатие — кривыми 2 — 3 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 2 — 3 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 2 — 3 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:
|