Термодинамика и теплопередача Болгарский А.В. Мухачев Г.А. Щукин В.К. (1013761), страница 13
Текст из файла (страница 13)
lг = п ( оо. Эти процессы расположены между адиабатой и изохорой. Кривые процесса по мере увеличения значений п располагаются все более круто, приближаясь в пределе к прямой о =" сопз(: а) расширение газа; работа газа все время уменьшается, приближаясь к 0 (изохора); количество отводимой теплоты возрастает вследствие убыли внутренней энергии, и поэтому температ) ра газа понижается быстрее; б) сжатие газа; несмотря на то, что работа сжатия газа уменьшается, температура его увеличивается по мере приближения значений п к оо, так как количество теплоты, подводимой извне, все увеличивается; увеличение внутренней энергии газа происходит за счет суммарной теплоты, подводимой извне, и эквивалентной работы сжатия.
Теплоемкость в процессах по мере увеличения показателя политропы и от к до оо увеличивается от 0 до с „, что видно из уравнения (5.13). Значение величины ср от оо (при п = Ф! уменьшается до 1 (при и = оо). В этом можно убедиться, если уравнение (5.14) представить в следующем виде, полученном после деления числителя и знаменателя на п, причем при и — ~- ~ оо Рассматривая рис. 5.8, можно сделать еще следующие выводы. Так как изотермы па мере удаления от начала координат характери- зуют все более высокие температуры, то все процессы, идущие от начальной точки 1 вверх и вправо от изотермы, проходят с повышением температуры газа, т.
е. с увеличением его внутренней энергии. Процессы, идушие от начальной точки ! 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, проходяшие вверх и вправо ст адиабаты, идут с подводом извне теплоты, а идушие вниз и влево,— с отводом теплоты в окружаюшую среду.
ГЛАВА Н1 ВТОРОЙ ЗАКОН ТВРМОДИНАЭ»ИКИ $1. Положения второго закона термодинамики. Циклы прямые и обратные Первый закон термодинамики представляет собой математическое выражение обшего закона сохранения и превращения энергии. Он рассматривает любые взаимопреврашения энергии и изучает явления в этих взаимопреврашепиях, в частности при осушествлении различных термодинамических процессов. Но этот э»кон не определяет условий возможности таких преобразований; согласно этому закону равновозможны оба направления в протекании процесса, т. е. перетекание теплоты от теплого тела к холодному и от холодного тела к теплому. Между тем действительные процессы, происходящие вокруг нас, необратимы, так как они самопроизвольно идут только в одном направлении: теплота идет от теплого тела к холодному, газ вытекает только из резервуара с высоким дат лением в окружаюшее пространство и т.
п. Опыт показывает, что все процессы идут в направлении установления в любой системе равновесия, т. е. выравнивания в ней давлений, температур, концентраций и др. Утверждение о невозможности получения работы за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии, составляет основное положение второго закона термодинамики. При рассмотрении положений второго закона чаще всего исходят из постулатов (аксиом), основанных на частных соображениях о работе тепловых двигателей.
Сушествует много эквивалентных друг другу формулировок второго закова, например: «тепло не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому телу» (Клаузиус); «невозможно построить периодически действующую машину, единственным результатом действия которой было бы совершение механической работы за счет охлаждения теплового резервуара» (Планк, Томсон).
бз Тепловые двигатели работают таким образом, что рабочее тело расширяется в результате получения теплоты 9, от источника, имеющего высокую температуру. Лля того чтобы вернуться в первоначальноесостояние, нужно снова сжать рабочее тело, но при этом полезная работа получена не будет. Лля получения полезной работы 1работа сжатия должна быть меньше работы расширения) необходимо в процессе расширения понизить давление рабочего тела путем отвода от него части теплоты Ц, к источнику с более низкой температурой.
На рис. 6.! подвод и отвод теплоты производятся на различных участках цикла: подвод 1 в процессе 4-1, а отвод 2/ в процессе 2-3. э Согласно формулиг ровке Планка нельзя, 3 чг получив теплоту из некоторого резервуара, превратить ее в работу, а затем снова эту рабовЂ'г ту превратить в теплоту 5м т имт х ~ в резервуаре с более высокой тем перату рой. Так из формулировки Рис. 6.1 Планка вытекает формулировка Клаузиуса.
Но нз формулировки последнего следует, что невозможно передать теплоту к высокотемпературному источнику. без каких-либо дополяительных 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. 63~ из нагревателя с высокой температурой подводится теплота Я„а отводится в холодильник с низкой температурой теплота Я;, полученная работа расширения определяется пл.
12561; затраченная на сжатие работа эквивалентна пл. 34653. В результате осуществления этих процессов рабочее тело прошло через ряд последовательных изменений состояния и вернулось к исходному, т. е. совершило замкнутый круговой процесс- цикл. Полезная работа двигателя за цикл равна разности рабы расширения и сжатия 1. = 1.
„„, — 1,,„, = пл. 12561 — пл. 34653 = пл. 12341. С другой стороны, в работу превращается Г2, — Я„ следовательно, 1.,=9 — Я. Степень совершенства преобразования теплоты в работу в цик- ле оценивается отношением полученной работы 1., к подведенной теплоте Я«. Это отношение называют термическим к. н. д. цик. ла и обозначают еч О,— Р« Ч1 (6.!) Я~ Так как отводимая от рабочего тела машины теплота 1)» не может равняться нулю, то х), всегда меныне 1.
Расслютренный выше цикл называется прямым. В таких цлклах теплота превращается в работу; в них работа расширения больше работы сжатия. По прямым циклам работают тепловые двигатели (диигатели внутреннего сгорания, газотурбинные установки, паровые машины, ракетные двигатели). Таким обрдзом, порой 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 рагюту «из ничего», без внешнего источника энергии. Если цикл, изображенный на рис. 6.1, представить протекающим в обратном направлении 1.4-3-2-1, то для его осуществления необходимо затратить работу, эквивалентную площади цикла. При этом от холодного источника будет передаваться рабочему телу теплота Я„ а нагревателю — теплота (1« = Я» + 1.ч.
Таким образом, при затрате извне работы (компенсирующий процесс) теплота будет перетекать от холодного источника к горячему. По обратному циклу работают тепловые насосы и холодильные машины, где на осуществление обратного цикла затрачивается работа; в них работа сжатия больше работы расширения. Для оценки работы холодильных машин применяется так называемый холодильный коэффициент, определяемый отношением полезной теплоты 9„отнятой от холодного источника ограниченной емкости к затраченной работе е= — ' (6,2) ~ ы '«! '«2 В холодильной машине теплота Д, выбрасывается в окружая>щую среду — источник неограниченной емкости. Машины, основным продуктом производства которых является теплота Я„передаваемая в источник ограниченной емкости, называются тепловыми насосами.
Эффективность работы тепловых насосов оценивается отопительным коэффициентом, представляющим собой отношение теплоты Я,, переданной потребителю, к затраченной работе 1. Я <Р = — = «-ч Я» — Я» В этом случае теплота Я» отбирается от источника неограниченной емкости (например, атмосфера, водные массивы и т. п.). Комбинация из цикла двигателя и циклов теплового насоса или холодильной установки представляет собой цикл т е п л о в о г о 65 3 За«.
52 т р а н сф о р м а то р а, который позволяет перекачивать теп. лоту от источника одной температуры к источнику другой температуры в ходе совмещенного цикла. Назначение теплового трансформатора — 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 повышаюц!им.
Большое значение при термодинамических исследованиях имеют циклы, состоящие из обратимых процессов, при осуществлении которых нет потерь работы — обратимые циклы. й 2 Цикл Карно Цикл, дающий максимальное значение термического к. и. д. (при определенных температурах нагревателя и охладителя), предложенный французским ученым — инженером Сади Карно, носит название цикла Карно. Карно в !824 г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
