Круговые процессы. Тепловые двигатели

Процесс, при котором система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное состояние, называется круговым процессом, или циклом. Цикл, совершаемый идеальным газом, можно представить как расширение и сжатие. В процессе расширения работа, выполняемая газом, считается положительной, а работа, совершаемая газом в процессе сжатия, – отрицательной. Как мы уже знаем, работа на диаграмме P-V определяется площадью под кривой, описывающей процесс. Соответственно, работа, выполненная газом за цикл, будет положительной, если работа расширения больше, чем работа сжатия (рис. 10.1, а).

а б

а – прямой цикл; б – обратный цикл

Рисунок 10.1 – Круговые процессы

Такой цикл называется прямым. И наоборот, работа будет отрицательной, если работа сжатия меньше, чем работа расширения (рис. 10.1, б). Этот цикл называется обратным. Циклические процессы используются в тепловых двигателях – устройствах, выполняющих механическую работу за счет полученной извне теплоты.

При изучении тепловых двигателей возникает важный вопрос: можно ли при циклическом процессе получить работу, равную количеству тепла, полученному от источника? Ответ на этот вопрос дает принцип Томсона: невозможно осуществить циклический процесс, единственным результатом которого было бы превращение в механическую работу теплоты, отнятой у какого-нибудь тела, без того, чтобы произошли какие-либо изменения в другом теле или телах. Согласно этому принципу (основанному на многочисленных опытных данных), в процессе превращения теплоты в работу кроме источника теплоты (нагревателя), от которого теплота отнимается, и тела, совершающего работу (рабочее тело), которому теплота непосредственно передается, должно участвовать еще какое-то третье тело (или тела). Какова роль этого третьего тела в процессе преобразования теплоты в работу? Дело в том, что при циклическом процессе рабочее тело, после того как оно, расширившись, совершит работу за счет теплоты, полученной от нагревателя, должно быть возвращено к исходному состоянию. А для этого его необходимо сжать, то есть совершить над ним работу. Но работа эта должна быть меньше, чем работа, совершенная рабочим телом при расширении. Иначе цель нашего цикла не будет достигнута. Это возможно, если кривая сжатия лежит ниже кривой расширения на диаграмме P – V (см. рис. 10.1, а).

Но более низкая кривая на диаграмме P – V соответствует более низкой температуре. Значит перед сжатием рабочее тело должно быть охлаждено. Следовательно, от него нужно отнять некоторое количество теплоты и передать его третьему телу – холодильнику (рис. 10.2).

Рисунок 10.2 – Циклично работающая машина

Вот почему никакая циклически работающая машина не может обойтись только источником тепла и рабочим телом.

Поскольку в цикле рабочее тело возвращается в исходное состояние, то изменение внутренней энергии в цикле равно нулю. Таким образом, первое начало термодинамики, записанное для цикла тепловой машины, будет иметь вид

A = Q ₁ – Q ₂, (10.1)

где А – работа, совершенная рабочим телом, Q ₁ – количество теплоты, полученной рабочим телом от нагревателя, Q ₂ – количество тепла, переданного холодильнику.

Эффективность тепловой машины характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД), который определяется как отношение выполненной за цикл работы к полученной энергии (в виде тепла):

. (10.2)

Из формулы (10.2) следует, что КПД тепловых двигателей всегда меньше 1.

Машины, работающие по обратному циклу, называют холодильными. В холодильных машинах, кроме переноса тепла от менее нагретого тела, к более нагретому, происходят ещё и изменения во внешней среде, которые связаны с совершением над системой работы. Эффективность холодильной машины характеризуют холодильным коэффициентом, который определяется как отношение отнятого у охлаждаемого тела тепла Q₂ к работе в цикле, выполняемой внешними силами:

.

Поиск по сайту: