Мухачёв Г.А. Щукин В.К. - Термодинамика и теплопередача (1013614), страница 13
Текст из файла (страница 13)
л — л 1 — л/л 1 — л/о~ ! — О Рассматривая рис. 4.7, можно сделать еще следующие выводы. Так как изотермы по мере удаления от начала координат характеризуют все более высокие температуры, то все процессы, идущие от начальной точки 1 вверх и вправо от изотермы, проходят 60 с повышением температуры газа, т. е.
увеличением его внутренней энергии. Процессы, идущие от начальной точки 1 вниз и влево, проходят с понижением температуры газа и„следовательно, с уменьшением его внутренней энергии. Таким образом, изотерма является границей процессов, проходящих с увеличением и уменьшением внутренней энергии газа. Если рассматривать адиабату как границу процессов, то можно убедиться, что все процессы, проходящие вверх и вправо от адиабаты, идут с подводом извне теплоты, а идущие вниз и влево,— с отводом теплоты в окружающую среду. ГЛАВА 5 ВТОРОИ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Если первый закон термодинамики характеризует количественную сторону процессов превращения энергии, то второй закон (второе начало) термодинамики характеризует качественную сторону этих процессов. В главе приводятся положения второго закона; вводится понятие энтропии, как параметра состояния вещества; рассматривается связь между энтропией и термодинамической вероятностью состояния системы; приводится анализ различных аспектов второго закона термодинамики.
5 бд. ПОЛОЖЕНИЯ ВТОРОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ. ДИКЛЫ ПРЯМЫЕ И ОБРАТНЫЕ Первый закон термодинамики представляет собой математическое выражение общего закона сохранения и превращения энергии. Он рассматривает любые взаимопревращения энергии и изучает явления в этих взаимопревращениях, в частности ири осуществлекии различных термодииамнческих процессов.
Но этот закон не определяет условий возможности таких преобразований; согласно этому закону равновозможны оба направления в протекании процесса, т. е. керетекание теплоты от теплого тела к холодному и от холодного тела к теплому. Между тем действительные процессы, проясходящие вокруг нас, необРатимы, так как они самопроизвольно идут тольио в одном направлении: теплота переходит от теплого тела к холодному, газ вытекает только из резеруара с высоким давлением в окружающее пространство н т.
о. Опыт показывает, что реальные процессы идут в направлении установления в любой системе равновесия, т. е. выравнивания в ией давлений, температур, концентраций и др. ггтверждение о невозможности получения работы за счет знере"и тел, находящихся в термодинамическом равновесии, составллет основное положение второго закона термодинамики При рассмотрении положений второго закона чаще всего ис"одят из постулатов (аксиом), основанных на частных соображения" о работе тепловых двигателей.
Существует много эквивалентных друг другу формулировок второго закона, например: «тепло не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому телу» (Р. Клаузиус); «невозможен процесс, единственный результат которого состоял бы в поглощении теплоты от нагревателя и полном преобразовании этой теплоты в работу» (У.
Томсон); «невозможно построить периодически действующую машину, единственным результатом действия которой было бы совершение механической работы за счет охлаждения теплового резервуара» (М. Планк). Тепловые двигатели работают таким образом, что рабочее тело расширяется в результате получения теплоты Я, от источника, имеющего высокую темпе- р ! ратуру.
Для того чтобы веру нуться в первоначальное 1 . ч состояние, нужно снова сжать рабочее тело, но при этом полезная работа получена не будет. Для получе- 5 5 » У ч ния полезной работы (работа сжатия должна быть меньше работы расшире- 5 ння) необходимо в процесвмт нмт се расширения понизить Рис.
51 давление рабочего тела пу- тем отвода от него части теплоты Я, к источнику с более низкой температурой. Подвод и отвод теплоты производятся на различных участках цикла (рис. 5.1): подвод — в процессе 4-1, а отвод — в процессе 2-3. Согласно формулировке Планка нельзя, получив теплоту из некоторого резервуара, превратить ее в работу, а затем снова эту работу превратить в теплоту в резервуаре с более высокой температурой. Так из формулировки Планка вытекает формулировка Клаузиуса.
Но из последней следует, что невозможно передать теплоту к высокотемпературному источнику без каких-либо дополнительных условий. Для получения полезной работы от двигателя или переноса теплоты от холодного источника к горячему необходимы компенсирующие процессы: отвод теплоты в холодильник или же затрата работы. В тепловом двигателе (рис. 5.1) из нагревателя с высокой температурой подводится теплота Яь а отводится в холодильник с низкой температурой теплота Я,; полученная работа расширения определяется пл.
12361; затраченная на сжатие работа эквивалентна пл. 34бб3. В результате осуществления этих процессов рабочее тело прошло через ряд последовательных изменений со- 62 тояния и вернулось к исходному, т. е. совершило замкнутый круовой процесс — цикл. Полезная работа двигателя за цикл равна разности работ расв1нрения и сжатия А„=1» — Е, = пл. 125б! — пл.
34633=пл. 12341. С другой стороны, в работу превращается количество теплоты 91-!«2, следовательно, ~)1 ~«2 3ффективность цикла теплового двигателя оценивается термическин м кпд, т. е. отношением работы, совершенной в прямом обратимом термодинамическом цикле, к теплоте, сообщенной рабочему телу от внешних источников. Термический кпд 'ч1= 1. Я1 =(Я1 02)%1. Так как отводимое от рабочего тела машины количество теплоты ие может равняться нулю, то п1 всегда меньше 1. Рассмотренный выше цикл называется прямым.
В таких циклах теплота превращается в работу; в ннх работа расширения больше работы сжатия. По прямым циклам работают тепловые двигатели (двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные установки, паровые машины, ракетные двигатели). Таким образом, второй закон исключает возможность построения «вечного двигателя второго рода», который бы совершал работу за счет энергии тел, находящихся в тепловом равновесии, подобно тому, как первый закон термодинамики исключает возможность построения «вечного двигателя первого рода», который бы совершал работу «нз ничего», без внешнего источника энергии.
Если цикл, изображенный на рис. 5.1, представить протекающим в обратном направлении 1-4-3-2-1, то для его осуществления необходимо затратить работу, эквивалентную площади цикла Прн этом от холодного источника будет передаваться рабочему телу количество теплоты я2, а нагревателю — количество теплоты () =О,+1,, Таким образом, при затрате извне работы (компенсирующий "Роцесс) теплота будет псретекать от холодного источника к гор"чему. По обратному циклу работают тепловые насосы и холодильные машины, где на осуществление обратного цикла затрачи.
аается работа„.в них работа сжатия больше работы расширения. Дла оценки работы холодильных машин применяется так называемый холодильный коэффициент, определяемый отношением полезного количества теплоты я2, отнятого от холодного источника ограниченных~ размеров, к затраченной работе: е () « (Ь.») а — () В холодильной машине количество теплоты Щ выбрасывается з окружающую среду — источник неограниченных размеров.
Машины, основным продуктом производства которых является теплота Яь передаваемая в источник ограниченных рззмеров, на. зываются тепловыми насосами. Эффективность работы тепловых насосов оценивается отопительным коэффициентом представляющим собой отношение количества теплоты Яь пере. данного потребителю, к затраченной работе: 9= — = с, е С„Оз — Оз В этом случае теплота Яз отбирается от источника неограниченных размеров (например, атмосфера, водные массивы и т.
п.). Комбинации из цикла двигателя и циклов теплового насоса или холодильной установки представляет собой цикл теплового трансформатора, который позволяет перекачивать теплоту от источника одной температуры к источнику другой температуры з ходе совмещенного цикла. Назначение теплового трансформатора в изменение потенциала теплоты. Если трансформатор предназначен для получения теплоты при более низкой температуре, чем исходная температура горячего источника, то такой трансформатор называется понижающим. Если в трансформаторе получена теплота при температуре более высокой, чем исходная, то такой трансформатор называется повьь шающим.
Большое значение при термодинамических исследованиях имеют циклы, состоящие из обратимых процессов, при осуществлении )соторых нет потерь работы,— обратимые циклы. 5 6.2. ЦИКЛ КАРНО Цикл, дающий максимальное значение термического кнд (при определен. ных температурах нагревателя и охладителя), предложенный французским уче. ным — инженером Сади Карно, носит название цикла Карно.
Карно в 1824 г. опубликовал работу <Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развить эту силу». В этом труде Карно впервые сформулировал положения второго закона термодинамики о возможности превращения теплоты в работу. Цикл Карно (рис. 5.2) представляет собой круговой процесс /-2-3-4-1. Этот. цикл состоит из адибат 2-3 и 4-1 и изотерм 1-2 и 3-4. Прямой цикл совершается по направлению 1-2-3-4-1, и физическая картина явлений может быть представлена следующим об. разом. В точке 1 находится рабочее тело (газ) с давлением рь объемом о1 и температурой Ть равной температуре нагревателя заключающего в себе большой запас энергии. Поршень двигателя под влиянием высокого давления начинает двигаться вправо, пря этом внутреннее пространство цилиндра сообщено с нагревателем 64 яоддерживающим в расширяющемся газе постоянную температуру Т посредством передачи ему соответствующего количества энер- ! „яя в виде теплоты.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
