Тепловые двигатели и холодильные машины. Цикл Карно и его к. п. д. для идеального газа

Из формулировки второго начала термодинамики по Кельвину следует, что вечный двигатель второго рода – периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет охлаждения одного источника теплоты, – невозможен. Для иллюстрации этого положения рассмотрим работу теплового двигателя (исторически второе начало термодинамики и возникло из анализа работы тепловых двигателей).

Принцип действия теплового двигателя приведен на рисунке 2.26.

Рисунок 2.26

От термостата с более высокой температурой T ₁ называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты Q ₁, а термостату с более низкой температурой Т ₂, называемому холодильником, за цикл передается количество теплоты Q ₂, при этом совершается работа А = Q₁-Q₂

Чтобы термический коэффициент полезного действия теплового двигателя (2.123)был равен 1, необходимо выполнение условия Q ₂ = 0, т. е. тепловой двигатель должен иметь один источник теплоты, а это невозможно. Так, французский физик и инженер Н. Л. С. Карно (1796 – 1832) показал, что для работы теплового двигателянеобходимо неменее двух источников теплоты с различными температурами, иначе этопротиворечилобы второму началу термодинамики.

Двигатель второго рода, будь он возможен, был бы практически вечным. Охлаждение, например, воды океанов на 1° дало бы огромную энергию. Масса воды в Мировом океане составляет примерно 10¹⁸ т, при охлаждении которой на 1° выделилось бы примерно 10²⁴ Дж теплоты, что эквивалентно полному сжиганию 10¹⁴ т угля. Железнодорожный состав, нагруженный этим количеством угля, растянулся бы на расстояние 10¹⁰ км, что приблизительно совпадает с размерами Солнечной системы!

Процесс, обратный происходящему в тепловом двигателе, используется в холодильной машине, принцип действия которой представлен на рисунке 2.27.

Рисунок 2.27

Системой за цикл от термостата с более низкой температурой Т ₂ отнимается количество теплоты Q ₂ и отдается термостату с более высокой температурой Т ₁ количество теплоты Q ₂. Для кругового процесса, согласно (2.121), Q=A, но, по условию, Q=Q ₂ –Q ₁ < 0, поэтому A<0 и Q ₂ –Q ₁ =-A., или Q ₁ =Q ₂ +A т. е. количество теплоты Q ₁, отданное системой источнику теплоты при более высокой температуре Т ₁, больше количества теплоты Q ₂, полученного от источника теплоты при более низкой температуре Т ₂, на величину работы, совершенной над системой. Следовательно, без совершения работы нельзя отбирать теплоту от менее нагретого тела и отдавать ее более нагретому. Это утверждение есть не что иное, как второе начало термодинамики в формулировке Клаузиуса.

Однако второе начало термодинамики не следует представлять так, что оно совсем запрещает переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. Ведь именно такой переход осуществляется в холодильной машине. Но при этом надо помнить, что внешние сапы совершают работу над системой, т. е. этот переход не является единственным результатом процесса.

Основываясь на втором начале термодинамики, Карно вывел теорему, носящую теперь его имя: из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей (T ₁) и холодильников (T ₂), наибольшим к. п. д. обладают обратимые машины; при этом к. п. д. обратимых машин работающих при одинаковых температурах нагревателей (T ₁) и холодильников (T ₂), равны друг другу и не зависят от природы рабочего тела (тела, совершающего круговой процесс и обменивающегося энергией с другими телами), а определяются только температурами нагревателя и холодильника.

Карно теоретически проанализировал обратимый наиболее экономичный цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Его называют циклом Карно. Рассмотрим прямой цикл Карно, в котором в качестве рабочего тела используется идеальный газ, заключенный в сосуд с подвижным поршнем.

Цикл Карно изображен на рисунке 2.28, где изотермические расширение и сжатие заданы соответственно кривыми 1–2 и 3–4, а адиабатические расширение и сжатие – кривыми 2–3 и 4–1. При изотермическом процессе U =const, поэтому, согласно (2.105), количество теплоты Q ₁, полученное газом от нагревателя, равно работе расширения A ₁₂, совершаемой газом при переходе из состояния 1 в состояние 2:

Рисунок 2.28

При адиабатическом расширении 2–3 теплообмен с окружающей средой отсутствует и работа расширения А ₂₃ совершается за счет изменения внутренней энергии (см. (2.106) и (2.118)):

Количество теплоты Q₂, отданное газом холодильнику при изотермическом сжатии, равно работе сжатия A ₃₄:

Работа адиабатического сжатия

Работа, совершаемая в результате кругового процесса,

и, как можно показать, определяется площадью, заштрихованной на рисунке 2.28. Термический к. п. д. цикла Карно, согласно (2.123),

Применив уравнение (2.114) для адиабат 2 – 3 и 4–1, получим

откуда

Подставляя (2.136) и (2.138) в формулу (2.123) и учитывая (2.142), получаем

т. е. для цикла Карно к. п. д. действительно определяется только температурами нагревателя и холодильника. Для его повышения необходимо увеличивать разность температур нагревателя и холодильника. Например, при T ₁=400 К и Т ₂ =300 К = 0,25. Если же температуру нагревателя повысить на 100 К, а температуру холодильника понизить на 50 К, то  =0,5. К. п. д. всякого реального теплового двигателя из-за трения и неизбежных тепловых потерь гораздо меньше вычисленного для цикла Карно.

Обратный цикл Карно положен в основу действия тепловых насосов. В отличие от холодильных машин тепловые насосы должны как можно больше тепловой энергии отдавать горячему телу, например системе отопления. Часть этой энергии отбирается от окружающей среды с более низкой температурой, а часть – получается за счет механической работы, производимой, например, компрессором.

Теорема Карно послужила основанием для установления термодинамической шкалы температур. Сравнив левую и правую части формулы (2.143), получим

т. е. для сравнения температур Т ₁ и Т₂ двух тел необходимо осуществить обратимый цикл Карно, в котором одно тело используется в качестве нагревателя, другое – холодильника. Из равенства (2.144) видно, что отношение температур тел равно отношению отданного в этом цикле количества теплоты к полученному. Согласно теореме Карно, химический состав рабочего тела не влияет на результаты сравнения температур,поэтому такая термодинамическая шкала не связана со свойствами какого-то определенного термометрического тела. Отметим, что практически таким образом сравнивать температуры трудно, так как реальные термодинамические процессы, как уже указывалось, являются необратимыми.

Поиск по сайту: