Конспект лекций_ФИЗИКА_1сем (А.Е. Тарасов - Электронный учебно-методический комплекс по физике для РТФ (2012)), страница 13

1.3.14). Это связано с тем, что в любой диаграмме два тождественныхсостояния (начало и конец кругового процесса) изображаются одной и той же точкой наплоскости.88Рис. 1.3.14. Прямой процессРис. 1.3.15. Обратный процессЦикл, совершаемый идеальным газом, можно разбить на процессы расширения (1 – 2) исжатия (2 – 1) газа. Работа расширения (определяется площадью фигуры 1a2V2V11)положительна (), работа сжатия (определяется площадью фигуры 2b1V1V22)отрицательна (dV < 0). Следовательно, работа, совершаемая за цикл, определяетсяплощадью, охваченной замкнутой кривой. Если за цикл совершается положительнаяработа(1.3.51).(цикл протекает по часовой стрелке), то он называется прямым (рис.

1.3.14). Если за циклсовершается отрицательная работа(1.3.52).(цикл протекает против часовой стрелки), то он называется обратным (рис. 1.3.15).Круговые процессы лежат в основе всех тепловых машин: двигателей внутреннегосгорания, паровых и газовых турбин, паровых и холодильных машин и т.

д.В результате кругового процесса система возвращается в исходное состояние, иследовательно полное изменение внутренней энергии газа равно нулю. Поэтому первоеначало термодинамики для кругового процесса(1.3.53).т.е. работа, совершаемая за цикл, равна количеству полученной извне теплоты. Однако врезультате кругового процесса система может теплоту как получать, так и отдавать,поэтому.(1.3.54)89где Q1 – количество теплоты, полученное системой; Q2 – количество теплоты, отданноесистемой.Поэтому термический коэффициент полезного действия для кругового процесса(1.3.55).Все термодинамические процессы, в том числе и круговые, делят на две группы:обратимые и необратимые.Процесс называют обратимым, если он протекает таким образом, что послеокончания процесса он может быть проведен в обратном направлении через все те жепромежуточные состояния, что и прямой процесс.

После проведения круговогообратимого процесса никаких изменений в среде, окружающей систему, не произойдет.При этом под средой понимается совокупность всех не входящих в систему тел, скоторыми система непосредственно взаимодействует.Процесс называется необратимым, если он протекает так, что после егоокончания систему нельзя вернуть в начальное состояние через прежниепромежуточные состояния. Нельзя осуществить необратимый круговой процесс, чтобынигде в окружающей среде не осталось никаких изменений.Свойством обратимости обладают только равновесные процессы.

Каждоепромежуточное состояние является состоянием термодинамического равновесия,нечувствительного к тому, идет ли процесс в прямом или обратном направлении.Например, обратимым можно считать процесс адиабатического расширения илисжатия газа. При адиабатическом процессе условие теплоизолированности системыисключает непосредственный теплообмен между системой и средой. Поэтому, производяадиабатическое расширение газа, а затем сжатие, можно вернуть газ в исходноесостояние так, что в окружающей среде никаких изменений не произойдет.

Конечно, вреальных условиях, и в этом случае, всегда имеется некоторая необратимость процесса,обусловленная, например, несовершенством теплоизоляции, трением при движениипоршня и т.д.Только в обратимых процессах теплота используется по назначению, не расходуетсязря. Если процесс неравновесный, то будет необратимый переход, т.е. часть энергии уйдет(необратимо).Максимальным КПД обладают машины, у которых только обратимые процессы.Реальные процессы сопровождаются диссипацией энергии (из-за трения,теплопроводности и т.д.), которая нами не рассматривается. Обратимые процессы – это вкакой-то степени идеализация реальных процессов.

Их рассмотрение важно по двумпричинам:•многие процессы в природе и технике практически обратимы;90•обратимые процессы являются наиболее экономичными и приводят кмаксимальному значению термического коэффициента полезного действиятепловых двигателей.91ЛЕКЦИЯ 141.3.13. Тепловые машиныТепловоймашинойназываетсяпериодическийсовершающий работу за счет получаемого извне тепла.действующийдвигатель,Любая тепловая машина работает по принципу кругового (циклического) процесса, т.е.возвращается в исходное состояние (рис.1.3.14).

Но чтобы при этом была совершенаполезная работа, возврат должен быть произведен с наименьшими затратами.Полезная работа равна разности работ расширения и сжатия, т.е. равна площади,ограниченной замкнутой кривой.Обязательными частями тепловой машины являются нагреватель (источник энергии),холодильник, рабочее тело (газ, пар).Зачем холодильник? Так как в тепловой машине реализуется круговой процесс, товернуться в исходное состояние можно с меньшими затратами, если отдать часть тепла.Или если охладить пар, то его легче сжать, следовательно работа сжатия будет меньшеработы расширения. Поэтому в тепловых машинах используется холодильник.Рис. 1.3.16. Схема теплового двигателяПрямой цикл используется в тепловом двигателе – периодически действующейтепловой машине, совершающей работу за счет полученной извне теплоты. Рассмотримсхему теплового двигателя (рис.

1.3.16). От термостата с более высокой температурой Т1,называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты Q1, а термостату сболее низкой температурой Т2, называемому холодильником, за цикл передаетсяколичество теплоты Q2 и совершается работа A:(1.3.56).Обратный цикл используется в холодильных машинах – периодически действующихустановках, в которых за счет работы внешних сил теплота переносится к телу с болеевысокой температурой.

Принцип действия холодильной машины представлен на рисунке1.3.17. Системой за цикл поглощается при низкой температуре T2 количество теплоты Q2и отдается при более высокой температуре Т1 количество теплоты Q1 за счет работывнешних сил А.92Рис. 1.3.17.

Принцип действия холодильной машины1.3.14. Цикл Карно (обратимый)Карно Никола Леонард Сади (1796 – 1832) – французский физик иинженер, один из создателей термодинамики. Впервые показал, чтоработу можно получить в случае, когда тепло переходит от нагретоготела к более холодному (второе начало термодинамики). Ввел понятиекругового и обратимого процессов, идеального цикла тепловых машин,заложил тем самым основы их теории.

Пришел к понятиюмеханического эквивалента теплоты. В 1824 г. опубликовал сочинение«Размышления о движущей силе огня и о машинах способных развитьэту силу».Основываясь на втором начале термодинамики, Карно вывел теорему, носящуютеперь его имя:Из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковыетемпературы нагревателей и холодильников, наибольшим КПД обладаютобратимые машины. Причем КПД обратимых машин, работающих при одинаковыхтемпературах нагревателей и холодильников, равны друг другу и не зависят отконструкции машины и от природы рабочего вещества.

При этом КПД меньшеединицы.Цикл, изученный Карно, является самым экономичным и представляет собойкруговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат (рис. 1.3.18).Рис. 1.3.18. Цикл КарноРассмотрим прямой цикл Карно, в котором в качестве рабочего тела используетсяидеальный газ, заключенный в сосуд с подвижным поршнем. Определим его КПД.Рассмотрим круговой процесс, при котором тепло можно превратить в работу, притомнаилучшим образом, т.е. чтобы работа была максимальна. Напомню, что тепловоймашиной называется периодически действующий двигатель, совершающий работу за счетполучаемого извне тепла и имеющего нагреватель, холодильник и рабочее тело.

Так вотбудем считать, что нагреватель и холодильник имеют бесконечную теплоемкость, т.е. ихтемпературы не изменяются в процессе передачи тепла.93Рассмотрим процесс сначала качественно. Начнем процесс из т. А. Газ сжат додавления Р0 и находится в контакте с нагревателем при Т1. Расширение газа при какомпроцессе даст максимальную работу? Вспомним закон сохранения энергии втермодинамике, или I начало:.В изотермическом процессе dU = 0, значит все тепло перейдет в работу:(1.3.57)(1.3.58).Итак, на участке АВ – изотермическое расширение при температуре Т1 (процесстеплопередачи не происходит, т.к.

нет разности температур, не происходит и передачатепла без совершения работы, т.е. процесс обратимый).Полученное рабочим телом тепло нужно передать холодильнику. Но если простопривести к соприкосновению с холодильником, то будет передача тепла без совершенияработы. Поэтому нужно сначала рабочее тело охладить до Т2 (а охлаждать без затрат тепла– это адиабатическое расширение участок ВС), а затем уже присоединять кхолодильнику.

Адиабатическим расширением заканчивается первая половина цикла –совершение полезной работы.Теперь необходимо вернуть рабочее тело в исходное состояние, т.е. сжать газ до Р0.Контакт с нагревателем опять не следует делать, пока рабочее тело не примет температурунагревателя (Т1).Возвращение в т. А опять происходит в два этапа: сначала рабочее тело сжимают, непрерывая контакта с холодильником, при этом холодильнику отдается тепло Q2(изотермическое сжатие СD).