Крутов В.И. - Техническая термодинамика (1062533), страница 11

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 11)

К числу равновесных процессов можно также отнести процессы, протекающие бесконечно медленно. Так, если давление на внутрен- нюю поверхность поршня со стороны рабочего тела превышает давле. ние внешней среды, действующее на другую сторону поршня, на бес- конечно малую величину др, то последний будет бесконечно медлен- но двигаться в сторону расширения газа.

При перемене знака др будет происходить бесконечно медленное сжатие газа. П)>и равенстве давле- 'ний по обе стороны поршня он остановится и наступит одно из проме- жуточных состояний равновесия. " В случае теплового взаимодействия рабочего тела е внешней сре. ой бесконечно медленное пРотекание пРоцесса возможно лишь тог"а, когда температуры газа и окружающей среды отличаются друг от руга на бесконечно малую величину 6Т, под действием которой к теподводится или отводится бесконечно малое количество теп'оты. Поэтому приведенное выше представление о равновесном процессе :как о ряде последовательных состояний равновесия можно дополнить :,яедующим: равновесным прсцесспл> называется такой, который в пре:сле протекает при отсутствии разности давлений и температур ' т>ежду рабочим гпелом и окружи>силей средой, Таким образом, равновес.- ий процесс является предельным случаем неравновесного процес- ~.за при стремлении скорости этого процесса к нулю.

Именно поэто.му такие равновесные процессы иногда называют квазистатиче,скими. "„-.Для термодинамики большое значение имеет и другая характеристика процесса — его обратимость. -'-: Пусть после прямого процесса 1-2 следует обратный процесс 2-1 так, что всеми своими точками совпадает с прямым процессом, т. е. :проходит в обратной последовательности через те же состояния, что и прямой.

Получить такое совпадение состояний в прямом и обратйом процессах можно лишь в том случае, если процессы эти равновесные. В самом деле, если процесс неравновесиый, то в зависимости от льаправлений процесса в газе должны существовать поля давлений и температур, разные по своему распределени>о, и поэтому для одного и ейго же положения поршня в прямом и обратном процессах состояния ,збочего тела будут разными.

лкля равновесного же процесса ка>к>1ому 'оложению поршня всегда соответствуют единые давление и темпе( атуа газа независимо от направления движения поршня через данную >бяку. В результате обращения процесса рабочее тело возвра>ится в'первоначальное состояние, т. е. в точку 1. При совпадении прямого и обратного процессов термодинамичсгкой системы вернется в исходное состояние также и окружающая с1;еда. )лощади под прямым и обратным процессамн одинаковые по размеру, о разные по алгебраическому знаку, поэтому положительная работа роцесса расширения 1-2 окажется равной отрицательной работе проесса сжатия 2-1, а количество теплоты, подведенное к рабочему телу процессе 1-2 из окружающей среды (см. рис.

8, а), окажется равным оличеству теплоты, отведенному в окружающую среду в обратном роцессе 2.-1. Поскольку крайние точки обоих процессов одни и те же, изменение внутренней энергии между ними одинаковое по размеру, о разное по знаку. Поэтому если в прямом процессе внутренняя эиерия возрастала, то настолько же она уменьшится в обратном процессе, -'' наоборот. "Таким образом, в результате обоих процессов никаких изменениИ в рабочем теле, ни в окружающей среде не произойдет. - Процессы, подобные описанному, называются обратимыми. Следова. пьио, обратимым называетсн равновесный процесс, проходящий прямом и обратном направленилк через ряд одинаковых состояний, 41 но в обратной последовательности, и возвращающий как рабочее тело, так и внешнюю среду в исходное соспюлние. Если хотя бы одно из указанных условий не выполняется, то процесс является необратимым.

Для получения обратимого процесса должны быть созданы условия, указанные выше для равновесных процессов. К ним относятся отсутствие (в пределе) разности давлений и температур между рабочим телом и окружающей средой в любой момент времени. На рис. 6, б изображен обратимый процесс 1-2 расширения. Пл.

1'1222' под процессом расширения — удельная работа 1,вр, совершаемая рабочим телом, и одновременно это работа сил вйешней среды, сопротивляющихся расширению рабочего теяа. Это соотвежвует условию бесхонечно медленного протекания обратимого процесса при равенстве сил, действующих на внутреннюю и наружную поверхности поршня. Работа, совершаемая рабочим телом, при этом полностью передается внешней среде. Если внешние силы меньше внутренних сил на конечное значение, то процесс пойдет с конечной скоростью и окажется необратимым. Пусть изменение внешних сил условно изображается кривой 1-8, лежащей под кривой 1-2.

Тогда пл. 1'118У должна графически представлять работу, фактически переданную во внешнюю среду, т. е. удельную работу необратимого процесча 1„в Из рис. 6, б видно, что 1,зр 1„,в. Полученное неравенство отражает основное свойство обратимых процессов расширения: работа обратимых процессов, передаваемая вовне, всегда больше, чем работа при необратимом протекании процесса, В обратимом процессе сжатия 2-1 удельная работа, затраченная внешней средой и воспринятая рабочим телом 1,вр„определяется пл.

2'261. При необратимом процессе сжатия внешние силы должны быть больше внутренних сил на нонечную величину' и поэтому затрачиваемая работа необратимого процесса 1„,,е определяется пл. 2'251. Из рис. 6, б видно, что в этом случае 1,зе ( 1в„е, Это неравенство также иллюстрирует свойство обратимых процессов сжатия; затрачиваемая работа в обратимых процессах всегда меньше, чем в необратимых.

Часто оба эти свойства обратимых процессов обьединяют в одном понятии, называемом принципом максимальной работы. Физике известны два процесса, являющиеся обратимыми при условии бесконечно медленного их протекания. К иим относятся изотермиый, идущий при неизменной температуре, и адиабатный, не сопровождающийся теплообменом о внешней средой. Изотермный процеса 1-2 (см.

рис. 8, б) проходит при одинаковой температуре источника и рабочего тела, поэтому, естественно, обеспечиваются условия передачи отводимой от тела теплоты в обратном процессе источнику теплоты ИТ, от которого в прямом процессе эта теплота была заимствована. Выше указывалось, что при совпадении прямого и обратного процессов эти количества теплоты равны по абсолютному значению, ио противоположны по знаку.

То же можно сказать в отношении работы, которой обменивается рабочее тело в окружающей средой. В результате протекания процесса в обоих напрввлеииях и тело и среда возвратятся 4л ! в исходное состояние, что и обусловит обратимость изотермиого процесса. При выполнении определенных условий можно представить себе обратимым любой термодинамический процесс.

Эти условия состои~ в том, что процесс должен быть разбит на бесконечно большое количество элементарных процессов (рис. 1О), каждый из которых взаимодействует со своим ИТ. Таким образом, и источников теплоты в этом слччае должно быть бесконечно большое количество. Элементарные же процессы предполагаются настолько малыми, что дают возмшкность считать температуры тела в их пределах постоянными, а при переходе от одного элементарного процесса к другому — температуру рабочего тела, изменяющуюся на бесконечно малую величину.

Если все эти источники теплоты имеют температуры, равные температурам рабочего тела на обслуживаемых ими участках, то рассматриваемый процесс оказывается разбитым на бесконечно большое количество элемеп ~арных обра- а '7 тнмых процессов. При последовательном обращении всех этих процессов можно, очевидно, обратить и весь кс>нечный процесс любого вида. Необратимость процессов, происходящих в рЕальНЫх тЕпЛОВЫх машннаХ, 1,,',,.,',~ 1;;/ как уже отмечалось, вызывается прежде всего конечной скоростью протекания ',~~%' процесса. В дополнеяие к этому необратимость обусловливается также наличием трения.

пластическими деформа- Рас. 1О. Произвольама обратициями и тепловыми потерями в окру- мня процесс жающую среду, т. е. факторами, имеющими место в действительных тепловых машинах. Так, например, в процессе расширения на преодоление трения расходуется некоторая доля работы, совершаемой рабочим телом, поэтому потребителю передается меньше работы, чем передавалось бы при отсутствии трения. Наоборот, при сжатии потребуется больше работы, так как кроме сжатия газа необходимо еще преодолевать трение, на что также расходуется работа.

Следовательно, условиями обратимости термодинамического пропесса являются квазистатичность изменений состояния системы, участвующей в процессе, отсутствие трения и других диссипативных факторов. Обратимые процессы являются следствием идеализации реальных необратимых процессов. В связи с вышеизложенным второй закон термодинамики применительно к тепловым процессам можно сформулировать так: процесс, при котором не происходит никаких изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, поэтому теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких- либо других изменений в термодинамической системе, например без затраты работы.

В этой формулировке, так же как и в предыдущих, раскрывается сущность второго закона термодинамики. ф 14. Термодинамический анализ круговых1 процессов (циклов) Тепловой машиной называется непрерывно дейстцующая система, осуществляющая круговой цикл, обеспечивающий превращение теплоты в работу (машина-двигатель) или передачу теплоты от холодного тела к горячему (холодильная машина) при затрате механической работы. Рассмотрим цикл простейшей машины-двигателя (рис. 11, а). Допустим, начальные параметры рабочего тела в цилиндре при положении поршня в верхней мертвой точке характеризуются в координатах Рис Ц, Циклы машины-двигааели (а) и холодильной машины (б) и, р точкой 1.

К рабочему телу подводится определенное количество теплоты (д,) и рабочее тело расширяется от объема в точке 1 до объема а точке 2, а давление газа падает от р, до р,. В процессе расширения 1-2 газ совершает полезную работу. В соответствии с выражением (25) ь» удельная работа расширения газа а процессе 1-2 11 е = 1 р~(п, гра- (ч фическн определяется площадью под процессом расширения 1-2 (пл. с1а2с(). Состояние рабочего тела в конце процесса расширения определяется точкой 2. Для того чтобы вернуть рабочее тело в исходное состояние, определяемое точкой 1, и замкнуть цикл, необходимо осуществить процесс сжатия газа 2-1 и затратить удельную работу (зп = = ~ рс(п, определяемую пл.

02Ыс. Эта работа сжатия осуществляется за счет той полезной работы, которую совершило рабочее тело в процессе расширения 1-2. Разница между полезной работой расширения в процессе 1-2 и работой, затраченной на сжатие в процессе 2-1, и составляет полезную работу цикла (1ч = (ыа — (а 1), Как видно из рис. ! 1, а, удельная полезная работа цикла равна площади цикла в ко- ординатах о, р, Таким образом, для получения полезной раг>огы в ма. п1ине-двигателе необходимо создавать гакие условия работы машины, при которых процесс расширения рабочего тела должен протекать выше процесса сжатия в координатах в, р.

Характеристики

Список файлов книги