1598005370-70491a7283ca3540dddce2de932120e0 (Нетрадиционные возобнавляемые источники энергии. А.М. Магомедов, 1996u), страница 15

Этот процесс мы будем вести до тех пор, пока газ не расширится до заданного объема Чз и поршень не поднимется на высоту Б см. Естественно, возникает вопрос, почему для достижения максимальной работы нужно уменьшать вес груза отдельными порциями, Не проще было бы после достижения равновесия сразу снять столько груза, сколько необходимо для расширения газа до заданного копечного объема Чз и подъема поршня на высоту 8 см за один цикл? 11есомненно, этот путь более простой, но газ совершил бы меньшую работу, поскольку на начальном этапе расширения ему пришлось бы поднимать груз меньший, чем он способен поднять при начальном давлении Р.

Итак, мы видим, что даже в идеальном мысленном эксперименте весьма трудно ос ществить процесс, в котором совершалась бы максимальная работа. ~оршяем, ь орай рийотг Каждый раз, по достижении состояния чяовзвоипз рисшиямояьчяся равновесия, необходимо уменьшать вес груза, давящего на поршень, бесконечно малыми порциями, чтобы газ расширялся также на бесконечно малую величину и производил при этом соответствующую максимальную работу. Этот процесс необходимо повторять до тех пор, пока не будет достигнуто заданное конечное состояние. Если мы просуммируем работу, совершенную газом на каждом шаге, то 5 Заказ 1О получим максимальную работу, достижимую в данном процессе.

Характерная особенность каждой фазы такого процесса — это бесконечно малое отличие состояния системы от равновесного и возможность ведения процесса не только в прямом, но и в обратном направлении, если вместо уменьшения груза мы будем его увеличивать на ту же бесконечно малую величину. Процессы, производимые по такому методу, называются обратимыми, Итак, максимальную работу можно получить только в том случае„если процесс ведется обратимо.

В обратимом процессе материальная система последовательно проходит ряд состояний, каждое нз которых бесконечно мало отличается от равновесного. По этой причине такие процессы называются также равновесными. Осуществим ли вообще обратимый процесс? Из сказанного выше видно, что практически ни один процесс не может быть проведен строго обратимо уже по той простой причине„что в таком процессе нужно уменьшать противодействующую силу бесконечно малыми порциями н бесконечно много раз, на что, естественно, потребуется длительное время.

Кроме того, невозможно полностью устранить трение и другие потери. Как же тогда узнать величину максимальной работы? Известно, что невозможно осуществить обратимый процесс, но можно провести процесс так, чтобы ои достаточно мало отличался от обратимого. Если соответствующим образом регулировать величину противодействующей силы и максимально уменьшить силу трения, то полученная работа будет мало отличаться от максимально возможной.

Это отличие тем меньше, чем больше удастся снизить необратимость процесса. Из данных, полученных в реальном эксперименте, можно теоретически (с достаточной точностью) вычислить максимальную работу многих процессов. Практическое значение обратимых процессов Знание величины максимальной работы, которую можно получить в обратимых процессах, во многих случаях имеет большое практическое значение. Так, например, знание максимальной работы, достижимой в некотором процессе, позволяет оценить КПД машины, использующей такой процесс, и определить возможности реальной машины, а, следовательно, саму целесообразность ее создания и возможности усовершенствования. Если, например, расчеты покажут, что какой-либо процесс при обратимом его проведении должен давать в единицу времени 100кГм работы, а реальная установка дает только ЗкГм, то совершенно очевидно, что эта установка весьма несовершенна по сравнению с заложенными в ией реальными возможностями, и объективно имеет смысл работать над дальнейшим совершенствованием ее конструкции.

Если же окажется, что машина дает 90 кГм, то ясно, что КПД можно увеличить максимально на 1О/о и поэтому вряд ли целесообразно вкладывать средства в дальнейшие бб Газ в цилиндре может расширяться только до тех пор, пока сила его давления иа поршень не сравняется с силой атмосферного давления и весом груза. По достижении такого равновесия газ не может более производить работу. Это значит, что наша простая машина может полностью превратить в работу одну-единственную порцию термической энергии, после чего она, при данных условиях, не способна вновь производить работу. Очевидно, что такая машина не имеет никакого практического смысла.

Превращение тепла в работу в циклическом процессе Возникает вопрос, можно лн каким-либо способом вновь восстановить работоспособность установки, потерянную ею в результате расширения газа. Очевидно, это возможно, если мы с помощью давления вновь сожмем газ, хотя, конечно, такой процесс потребует затраты работы. Если мы сожмем газ до первоначального объема Чп то он вновь окажется в исходном состоянии и будет, таким образом, способен дать очередную порцию работы, Такая последовательность изменений, которая в конце концов приводит систему в первоначальное состояние, называется циклическим процессом.

Для установления энергетического баланса циклического процесса мы должны выяснить, в каком соотношении находится работа, полученная при расширении газа на первой стадии, и работа, затраченная на восстановление первоначального состояния. Если на первой стадии мы получим больше работы, чем ее нужно затратить на восстановление первоначального состояния, то циклический процесс дает выигрыш в энергии и многократном повторении этого процесса можно получить работу.

В противном случае устройства такого типа не пригодны для этого. На первой стадии при обратимом расширении газ производит наибольшую работу. Рассуждая аналогично тому, как в случае расширения газа, можно показать, что сжатие газа потребует наименьшей работы, если процесс будет идти обратимо.

Но даже в этом идеальном предельном случае обратимое сжатие газа до исходного состояния потребует точно такого же количества работы, какое дает газ прн обратимом расширении. Таким образом, баланс энергии всего кругового процесса, даже в этом принципиально возможном благоприятном случае, равен нулю: для того чтобы вновь восстановить способность машины совершать работу, мы должны полностью затратить ту работу, которую мы получим на первой стадии. Следовательно, это устройство даже в идеальном предельном случае не сможет длительно производить работу.

Действительное положение 'вещей еще менее благоприятно, так как циклический процесс никогда нельзя провести обратимо. Необратимость приведет к тому, что работа, полученная на-первой стадии, будет меньше максимальной, и по той же причине работа, затраченная на второй ста- 63 дни, — больше минимально необходимой. Итак, весь процесс заканчива- ется с отрицательным энергетическим балансом. Работа, получаемая при наличии разности температур Таким образом, циклический процесс, состоящий из расширения и сжатия газа, не подходит для получения работы, так как сжатие требует слишком большой ее затраты. Нельзя ли уменьшить эту работу настолько, чтобы энергетический баланс циклического процесса все же стал положительным и мы получили бы выигрыш в работе? Для этого давление газа на стадии сжатия должно быть меньше, чем на соответствующей стадии расширения.

Этого можно добиться, охлаждая газ перед началом второй стадии. С понижением температуры давление данной массы газа также понижается, если при этом не изменяется его объем. Соотношение между давлением, объемом и температурой идеального газа описывается объединенным газовым законом. Он утверждает, что для одного моля газа соотношение между давлением Р, объемом У и абсолютной температурой Т имеет вид РУ = ВТ, (2) где К = 1,98 кал/(кмоль) — так называемая универсальная газовая постоянная, не зависящая от свойств газа.

Прн заданном значении Ч давление газа пропорционально температуре. С учетом приведенного соотношения описанный выше' циклический процесс можно сделать "рентабельным": после того как данное количество при температуре Тэ расширится от объема Ч~ до объема Чэ и совершит при этом работу Аъ газ в цилиндре нужно охладить до температуры Т~ и сжать его до объема %, при этом совершив работу Аь Наконец, для достижения исходного состояния газ нужно вновь нагреть до температуры Ть Здесь циклический процесс заканчивается (рнс.?): газ возвращается в исходное состояние и процесс может быть повторен 'вновь.

Проверим энергетический баланс этого кругового процесса в идеальном случае, когда на всех стадиях процесс идет обратимо (цикл Карно). Теперь он закончится чистым выигрышем в работе, так как работа, необходимая для восстановления исходного состояния, меньше, чем полученная при расширении газа ~А,~ < ~А,~. Разность — это "чистая" работа циклического процесса)А! = (Ат! — ~А~~. Для циклического процесса, который ведется при двух различных температурах, необходимо иметь два "тепловых резервуара", например два сосуда с водой с температурами Тэ и Ть На первой стадии процесса цилиндр находится в резервуаре с более высокой т емпературой Ть Расширяющийся газ производит работу Аз за счет термической энергии резервуара, нз которого ве ~ йй)~~ Е,' он забирает тепло Яз и полностью превращает —, его в работу.