Перше і друге начало термодинаміки. Цикл Карне

Перше начало термодинаміки є законом збереження енергії для термодинамічних процесів. Тут встановлюється кількісне співвідношення між підведеною до системи теплотою, її внутрішньою енергією і виконуваною системою роботою. Перше начало термодинаміки має таке формування.

Вся теплота, підведена до системи, витрачається на зміну внутрішньої енергії системи і на виконання зовнішньої роботи:

Q = U₂ - Uj + W, (4.46)

де Uj, U₂ - внутрішня енергія системи на початку і в кінці

процесу; W - робота, здійснена системою.

Підвод теплоти до термодинамічної системи визначається термодинамічним процесом, бо зміна внутрішньої енергії залежить лише від різниці кінцевого і початкового стану, а зовнішня робота залежить від характеру термодинамічного процесу.

Якщо система ізольована, тобто без підводу теплоти (Q = 0), то зовнішня робота може виконуватися за рахунок зміни внутрішньої енергії. Але при цьому запас енергії не змінюється і не можна отримати роботу від тіл, які знаходяться в температурній рівновазі, хоч і тіла мають певний запас енергії.

Друге начало термодинаміки вивчає умови, за яких відбувається перетворення одного виду енергії в інший. Воно встановлює певні кількісні співвідношення для процесів самочинного поширення теплоти в фізичних тілах. Друге начало має багато формувань, проте найзручнішими е такі:

1. Для перетворення теплоти на механічну роботу треба мати джерело теплоти і холодильник з температурою, нижчою за температуру джерела, тобто потрібен температурний перепад.

2. Уся теплота, підведена до двигуна, не може повністю перетворитися на роботу. Частина цієї теплоти переходить до зовнішніх тіл, які мають нижчу температуру.

3. Теплота не може сама по собі переходити від менш нагрітого тіла до більш нагрітого без витрати зовнішньої роботи.

Перші два формулювання стосуються двигунів, в яких теплота перетворюється в роботу. Так, наприклад, у паросиловій установці гарячим джерелом є продукти згорання палива, які віддають теплоту робочому тілу (воді). Утворена в паровому котлі пара надходить на робочі лопатки турбіни. Тут вона, розширюючись, виконує роботу й охолоджується. Спрацьована пара спрямовується до конденсатора, де віддає теплоту, яка залишається в ній, охолоджувальній воді (холодильнику). У двигунах внутрішнього згорання теплота спалюваного палива передається продуктами згорання (робочому тілу). Спрацьований газ при більш низькій температурі відводиться в атмосферу. Третє формулювання другого начала термодинаміки має безпосереднє відношення до холодильних установок. Щоб мати всередині холодильника температуру, нижчу за температуру навколишнього середовища, треба витрати певну кількість енергії.

Цикл Карне — це ідеальний коловий оборотній процес, який складається із двох адіабатичних і двох ізотермічних процесів. Запропонував його Саді Карно в 1824 році. Хоч цикл Карно н^% може бути здійсненим в жодній тепловій машині, він служить еталоном, до якого необхідно прагнути при створенні реальних машин. Робочим тілом тут є ідеальний газ. Вивчення ідеальних циклів необхідно для вдосконалення існуючих теплових процесів, в ідеальних циклах процеси оборотні і відсутні втрати, зв'язані із наявністю тертя і відсутністю ідеальних теплоізоляторів.

Процес підводу теплоти в ідеальних циклах розглядається без зміни хімічного складу робочого тіла. В реальних циклах підвод тепла відбувається за рахунок згорання пального. Відвод теплоти в ідеальних циклах розглядається як віддача його холодильнику, а в реальних відвод теплоти здійснюється випуском відпрацьованих газів або пари. Наближено адіабатичні процеси в реальних циклах відбуваються із деяким теплообміном, що вже не відповідає заданими умовам.

Нехай система є ідеальний газ, який розміщений в циліндрі, стінки і поршень його абсолютно теплоізольовані. Біля дна розмістимо джерело тепла із температурою Т (рис.4.21). Система

отримує теплоту Q і ізотермічне розширюється. По лінії а — b здійснюється при цьому робота внаслідок підведеної теплоти. В точці b замість підводу теплоти від джерела система ізолюється і газ адіабатичне розширюється, тобто газ здійснює роботу за рахунок своєї внутрішньої енергії. При цьому тиск і температура в точці с зменшується і система приводиться в термодинамічний контакт із холодильником і здійснюється ізотермічний стиск. Процес проходить настільки повільно, що температура газу дорівнює Т₂.

При цьому виконується робота і в точці d система термічне ізолюється. Адіабатичне стиснення газу проходить без теплообміну. Об'єм при цьому зменшується, а температура і тиск зростають. Коли температура досягне значення Т, то процес стиску

припиняється і цикл Карно замикається.

Робота, що виконується за цикл дорівнює площі фігури abed. Цикл можна здійснити і в напрямку abed (рис.4.22), тоді це реалізується для холодильних машин (обернений цикл). Термічний к.к.д. циклу Карно становить:

(4.47) де Tj, Т, - відповідно температура нагрівана і холодильника.

Рис.4.22. Обернений цикл. Карно.

На основі аналізу формули (4.47) можна дійти до таких висновків

1. не залежить від властивостей робочого тіла, а

визначається лише значеннями температур Т₂ і Т (теорема Карно).

2. Термічний к.к.д. зростає при.зменшенні температури холодильника Т і збільшенні температури робочого тіла Т.

3. г\. завжди менший одиниці, бо лише у випадку,

коли

Для підвищення к.к.д. необхідно по можливості.збільшувати перепад в значеннях температур Т- і Т_. В реальних

умовах не здійснюють підвищенням температури робочого І іла на початку процесу і пониженням його температури в кінці.

Для холодильників при оберненому циклі Карно визначають холодильний коефіцієнт:

(4.48)

Рис.4.23. Схеми дії теплових машин.

Поиск по сайту: