1598005370-70491a7283ca3540dddce2de932120e0 (811201), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Затем цилиндр переносится в бо- ' лее холодный резервуар, соответственно газ в ,' ' нем охлаждается и сжимается, при этом затра- чивается работа Аь Так как обратимое сжатие—,>, процесс, строго противоположный обратимому расширению, то тепло Я ~„эквивалентное затра- , ' ченной работе Ап переходит в более холодный -.яя;.: резервуар. Затем цилиндр каким-нибудь "под- — — "" * ' '- ходящим способом" ~адиабатическое сжатие) Ряа.
7. Схема ввкяичесяонагревают до температуры Тъ Можно доказать, что в циклическом процессе газ при охлат мязевшвя я охмм- ждении отдает. столько энергии, сколько полуя'"®'овьедо®"" кяв"') чает при нагревании, то есть суммарный энерге- тический баланс процессов охлаждения и нагревания газа равен О, поэтому его не надо принимать во внимание. Таким образом, в рассматриваемом случае гаэ отбирает из более теплого резервуара тепло (2г и отдает более холодному - тепло Яп при этом Яг превращается в работу лишь частично: А = (3з-Яп а © переходит в термическую энергию более холодного резервуара. Второе начало термодинамики Итак, в циклическом процессе получить полезную работу из тепла можно только тогда, когда термическая энергия в форме тепла переходит из резервуара с более высокой температурой в резервуар с более низкой, и при этом в работу превращается только часть тепла.
В результате довольно сложного расчета получено выражение для определения полезной работы, совершаемой в рассмотренном процессе: Тл — Т~ Ав = — Яг Р) Тз Здесь |Тз — Т~)Л'з = ц — коэффициент полезного действия циклического процесса. На основании опытных данных установлено, что уравнение (3) справедливо для любого обратимого циклического процесса, в котором работа получается из тепла. Следовательно, это уравнение универсально, оно является математическим выражением второго начала термодинамики.
70 8 5. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ПРОЦЕССА ПРЕВРАЩЕНИЯ ТЕПЛА В РАБОТУ Второе начало термодинамики утверждает, что получение работы из тепла возможно только прн наличии нагревателя и охладителя, между которыми поддерживается определенная разность температур. Отобранное от нагревателя тепло О~ частично превращается в работу, а частично переходит к более холодной части установки (охладнтетао). КПД обратимого процесса получения работы ц не зависит нн от вещества, используемого для получения работы, нн от устройства машины, а лишь от разности температур между нагревателем н охладителем. КПД такого идеального обратимого процесса имеет максимальное значение, которого он может достигнуть.
В реялвных процессах из-за неустранимой необратимости КПД значительно ниже. Разность между фактическим КПД реальной машины, получающей работу из тепла, и идеальным КПД (Тэ-Т~)Л'~ есть меря. необратимости соответствующего процесса. Увеличение коэффициента полезного действии Иэ второго начала термодинамики следует, что КПД идеальной машины, производящей работу нз термической энергии, будет тем выше, чем больше разность температур между нагревателем и охладнтелем (радиатором) н чем ниже температура радиатора.
На практике температура охладителя не может быть ниже температуры окружающей среды, как правило, она почти всегда выше. Температура нагревателя зависит от многих факторов. Так как тепло, переводимое в работу, получается в результате сгорания различных видов топлива, то температура нагревателя в первую очередь зависит от теплоты н скорости сгорания. Современные устройства позволяют хорошо регулировать зту скорость и получать очень высокую температуру, но практически величина температуры ограничена, так как при высокой температуре в металлах и других метериалах возможны нежелательные изменения.
В современных паровых машинах котел нагревается путем внешнего сгорания топлива. В таких машинах пар можно нагреть до Тэ=б50"С (923 К). Если при этих условиях температура охлалнтеля Т~=бб'С (333 К), то КПД при обратимом процессе составляет 923-333 ч= ° 100 = 63,8% 923 Однако оказывается, что полное превращение в работу было бы возможно, если бы удалось довести температуру охладителя до абсолютного нуля (Т~=О), Именно в этом случае КПД обратимого процесса был бы равен 1 в соответствии с уравнением (4). Правда, для практики это не имеет никакого значения, так как температура охладителей в тепловых двигателях всегда выше температуры окружающей среды, которая, естественно, всегда намного выше абсолютного нуля.
Это обстоятельство может быть использовано для термодинамического определения понятия абсолютного нуля. Абсолютный нуль — такая темпертура охладителя, которая в обратимом цикле Карно обеспечивает КПД и= !. в 6. ОХЛАЖДЕНИЕ НАГРЕВАНИЕМ В природе термическая энергия самопроизвольно всегда переходит от более нагретых тел к менее нагретым, На практике же иногда необходимо провести обратный процесс, то есть перенести тепло от менее нагретых тел к более нагретым. Такой процесс, например, осуществляется в холодильнике. Там термическая энергия отбирается у охлаждаемых тел и отводится в окружающее пространство, температура которого обычно 20-25 С.
Однако такой процесс требует затраты работы, По принципу работы холодильник — зто тепловой двигатель, работающий в обратном направлении. Холодильник — обращенный тепловой двигатель Кратко рассмотрим работу холодильника. В холодильнике трубы, проведенные в объеме, подлежащем охлаждению, наполняются жидкостью, имеющей низкую температуру кипения и высокую теплоту испарения (например аммиак, фреон С1РзСЬ н др.) Энергию, необходимую для испарения, жидкость берет из термической энергии охлаждаемого объема, температура которого вследствие этого понижается.
После установления заданной низкой температуры последняя поддерживается благодаря испарению охлаждающей жидкости. Внутренняя энергия пара больше, чем внутренняя энергия соответствующей жидкости. В холодильнике процесс охлаждения осуществляется за счет того, что рабочее вещество превращает термическую энергию, отобранную из охлаждаемого объема, в энергию своего пара. Затем пар отводится из охлаждаемого объема, сильно сжимается в конденсаторе прн помощи компрессоров, превращаясь, таким образом, снова в жидкость, которая возвращается в охлаждаемый объем.
Так заканчивается один цикл процесса. С новым испарением начинается новый цикл н т. д. Тепло, освобождающееся при сжнжении пара в конденсаторе холодильника, отдается в окружающее пространство. Количество этого тепла тем больше, чем отобранное у охлаждаемой камеры, так как в тепло переходит и работа, необходимая для переноса его к телам окружающего пространства, имеющим более высокую температуру; отдается здесь н то дополнительное тепло, которое возникло в холодильнике из-за неизбежной необратимости процессов. Следовательно, нужно читывать, что холодильник в то же время нагревает окружающую среду. Не в каждом холодильнике имеется компрессор.
Есть и такие, в которых энергия, необходимая для переноса в окружающее пространство тепла, отобранного от холодильной камеры, поставляется не посредством механической работы, а через тепло. Рабочее вещество холодильной машины (например аммиак) не сжижается здесь под давлением, а растворяется в воде и выпаривается кипячением. При кипении тепло отбирается из окружающей среды ~охлаждаемого объема) — это стадия охлаждения.
Напротив, при растворении аммиака в воде освобождается тепло — на этой стадии рабочая жидкость нагревает окружающую среду. Это так называемые абсорбциоиные холодильные машины. Как можно согласовать тот факт, что тепло переходит от холодильюй камеры с низкой температурой в окружающее пространство, имеюцее более высокую температуру, с всеобщим законом, в соответствии с которым тепло само по себе переходит только от более нагретых тел к менее нагретыми Прежде чем ответить на этот вопрос, попробуем для сравнения разобрать пример из области механики.
Известно, что под действием силы тяжести все тела падают вниз, однако с помощью силы тяжести тела можно поднимать вверх. Если к одному концу троса, перекинутого через блок, привязать тело, которое мы хотим поднять, а к другому - тело большей массы как противовес, то первое поднимается вверх, а противовесопустится вниз.
Это стало возможным в результате того, что одновременно тело большой массы опустилось вниз, затратив больше работы, чем необходимо для поднятия груза. Если рассматривать оба тела как единую материальную систему, то ее потенциальная энергия уменьшилась, так как центр тяжести системы двух тел теперь лежит ниже, чем прежде. Таким образом, система как целое под действием силы тяжести опустилась, но одна часть ее все же поднялась. Работу, необходимую для ее поднятия, совершила вторая, опустившаяся часть. Такие явления„когда в сложных процессах на каких-то этапах совершаются изменения, идущие в направлениях, казалось бы противоположных общим законам природы, встречаются не только в холодильных машинах нли в механических процессах„ но и в других случаях.
Например, в живых организмах происходит построение энергетически богатых соединений из менее богатых. Синтез энергетически более богатых веществ происходит также н вне живого организма. Возникновение энергетически богатых соединений осуществля- ется за счет уменьшения энергии других соединений, необходимая же для синтеза дополнительная химическая энергия может черпаться и из другого энергетического источника. Видно, что несмотря на однозначность основных законов природы, явления, а также искусственно осуществляемые человеком процессы, отличаются большим многообразием. Для понимания этих явлений, кроме знаний общих законов природы, необходимо подробно изучить механизмы различных энергетических превращений, причем одного только термодинамического подхода явно недостаточно — требуется проникновения в микромир этих явлений.
Ведь термодинамика имеет дело только с макроскопически измеряемым энергетическим балансом результирующего процесса, состоящего из многих отдельных промежуточных процессов. й 7. КАК ПРОТЕКАЮТ ПРОЦЕССЫ В ПРИРОДЕ? Можно привести множество примеров того, что в естественных условиях процессы и изменения протекают по вполне определенным направлениям: вода в реке течет вниз по долине, а в водопаде падает сверху вниз и, пока находится в воздухе, не растекается горизонтально, тем более не течет вверх; газы расширяются, понижая при этом свое давление; тепло переходит от более нагретых тел к менее нагретым; сильные кислоты взаимодействуя со щелочами, образуют соли и воду, которые самопроизвольно никогда не могут превратиться в кислоту и щелочь; углерод илн водород„сгорая в воздухе, образуют соответственно СОз нли НзО, которые прн комнатной температуре самопроизвольно не разлагаются обратно на кислород и углерод (или водород); электрический ток течет от точки с более высоким потенциалом к точке с более низким потенциалом; сахар самопроизвольно растворяется в воде, однако обратно из раствора не выпадает (если мы не будем испарять жидкость) и т.д.
Что же означает этот факт? Не существует ли всеобщий закон природы, позволяющий предсказать, какие изменения будут происходить в данной материальной системе при заданных условиях? Нельзя ли на основании этого закона делать надежные научные прогнозы? Можно ли вообще на основании законов природы предсказывать исход процессов? Фактор, определяющий направление процесса Если мы сопоставим разнообразные процессы„самопроизвольно проходящие в природе, то обнаружим у них некоторые общие черты.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
