 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Основные процессы изменения состояния идеальных газов
В термодинамике вначале рассматривают так называемые основные процессы изменения состояния идеального газа. Таких процессов четыре: 1) изохорный (протекающий при постоянном объеме); 2) изобарный (протекающий при постоянном давлении); 3) изотермический (протекающий при постоянной температуре); 4) адиабатный (протекающий без теплообмена с окружающей средой). Затем рассматривают обобщающий процесс (политропный), по отношению к которому перечисленные процессы являются частными случаями.Изохорный процесс (o=const) совершается, например, в герметически закрытом сосуде при нагревании иди охлаждении газа. Графически в координатах р—v изохорный процесс изображается прямой линией, параллельной оси ординат (рис. 1.6,а). При нагревании газа давление и температура возрастают, при охлаждении понижаются. Линия, изображающая изохорный процесс, называется изохорой.Это соотношение показывает, что и изохорном процессе давление газа изменяется прямо пропорционально его абсолютной температуре. Так как в этом процессе объем газа остается постоянным, то, очевидно, никакой работы не совершается (/=0). Изобарный процесс (р—const). Процессы подогрева воздуха в топках и нагревания воздуха в помещении практически могут рассматриваться как изобарные. Графически в координатах р—v этот процесс изображается прямой линией, параллельной оси абсцисс (рис. 1.6,6). Эта прямая линия называется изобарой.т. е. в изобарном процессе объем изменяется прямо пропорционально его абсолютной температуре. В этом часть тепла, шывеленного к рабочему телу, расходуется на совершение работы, я часть — на изменение внутренней энергии тела. Работа Дж/кг, совершенная массой рабочего тела в 1 кг, определяется заштрихованной площадью 1—2—2—F, расположенном под линией процесса, т. е.Изотермический процесс (T=const). В координатах р—v этот процесс изображается равнобочной гиперболой (рис. 1.6,5). Процесс отображает изотермическое расширение газа с подвидом тепла, а процесс 2—1 — изотермическое сжатие газа.Так как процесс изменения состояния газа происходит при постоянной температуре (dt=Q), внутренняя энергия не изменяется (н—const) и Ды—0.Адиабатный процесс. Необходимым и определяющим условием адиабатного процесса является аналитическое выражение dgO, означающее полное отсутствие теплообмена. Параметры состояния р, v, Т в адиабатных процессах изменяются. Практически адиабатный процесс может происходить при расширении или сжатии газа в цилиндре, стенки которого нетеплопроводны, или при протекании процесса настолько быстрого (мгновенного), что теплообмен между рабочим телом и окружающей средой пе успевает произойти.Адиабата в координатах p -v принадлежит к семейству неравнобочных гиперболическихкривых (см. рис, 1.6,г). Так как А>1, адиабата пройдет более круто, чем изотерма.Политропный процесс. Политропным процессом называется процесс, в котором могут изменяться все ранее рассмотренные основные параметры газа, т. е. давление, объем и температура, или только некоторые из них.Рассмотренные нами термодинамические процессы являются частными случаями политропного процесса.Формула для работы в политроином процессе и формулы, устанавливающие связь между параметрами, аналогичны таковым в адиабатном процессе, так как уравнения этих процессов совершенно одинаковы но форме и различаются только буквенным обозначением постоянного показателя у и.
5. Прямые и обратные циклы. Как известно, все тепловые двигатели, превращающие тепловую энергию в механическую, работают по круговым циклам или термодинамическим циклам - идеальный цикл теплового двигателя (прямой цикл Карно) и цикл холодильной машины (обратный цикл Карно).Рассмотрим прямой цикл Карно. Для этой цели возьмем идеальную систему, состоящую из горячего источника тепла, рабочего тела и окружающей среды. Параметры источника тепла Тг, Sг, температура окружающей среды Т0. Рабочее тело в конечном итоге не совершает работы за счет своей собственной энергии. До начала работы и после ее завершения все параметры рабочего тела и его полная энергия остаются в точности теми же самыми. Иначе говоря, рабочее тело изменяет свои параметры по какому-то циклу, возвращаясь каждый раз в первоначальное состояние. Суммарная работа окружающей среды над телом равна нулю; никаких потерь работы нет; энтропия системы остается неизменной (?Sc=0); все процессы обратимые.При отдаче горячим источником рабочему телу тепла dQ1 тело произведет суммарную работу dL и, для того чтобы вернутся в первоначальное состояние, отдаст окружающей среде тепло dQ2. При этом энтропия горячего источника уменьшится на величину dSг = dQ1/T1, а энтропия холодного источника возрастет на dSx = dQ2/T0.Поскольку согласно второму закону термодинамики энтропия рассматриваемой изолированной системы уменьшаться не может, то при dSг < 0 всегда будет dSx > 0, а следовательно, и dQ2 > 0. Значит, совершая работу с помощью циклов, тепло должно не только подводится, но и обязательно отводиться.
В идеальном случае, когда достигается максимальная работа, dSг + dSx = 0 и величина dQ2 является минимальной. Таким образом,-dQ1/Tг = dQ2min/T0,или dQ2min = T0dSг,где dSг берется по абсолютной величине (без отрицательного знака), т.е. dSг = dQ1/Tг.Согласно первому закону термодинамики, всегдаdL = dQ1 - dQ2,dLmax = dQ1 - dQ2min,или dLmax = dQ1 - T0dSг,
т.е. максимальная работа цикла за счет тепла Q Lmax = Q1 - T0(Sг2 - Sг1),цикл тепловой двигатель карно где (Sг2 - Sг1) - абсолютна величина уменьшения энтропии горячего источника, вызванная отдачей тепла Q1.Очевидно, что эта формула будет справедлива независимо от того, меняется или не меняется температура Тг горячего источника. Обязательными условиями ее справедливости являются только постоянство температуры окружающей среды и обратимость всех процессов цикла. Максимальная полезная работа, которая может быть совершена в идеальном (обратимом) тепловом двигателе, оказывается абсолютно одинаковой, будет ли этот двигатель работать по какому-либо обратимому циклу или в нем будут совершаться любые разомкнутые процессы.Максимальная доля тепла, которая может быть превращена в работу, обычно выражается через отношение Lmax/Q1, называемое термическим к. п. д. теплового двигателя:?t = Lmax/Q1 = (Q1 - Q2min)/Q1.При постоянных температурах горячего Тг и холодного Т0 источников, учитывая предыдущие формулы максимальный термический к. п. д. теплового двигателя:?t =1 - Т0/Тг.Можно доказать, что значение максимальной работы, а следовательно, и максимальный термический к. п. д. для случая источников тепла постоянной температуры достигается в обратимом прямом цикле Карно, состоящем из двух изотерм и двух адиабат:Условия построения прямого цикла Карно следующие:Поскольку подвод тепла обратимый, то при Тг = const температура тела Т1 на протяжении всего процесса подвода тепла должна быть равной Тг и оставаться постоянной: Т1 = Тг=const;Так как и отвод тепла должен быть обязательно обратимым, то и температура Т2 тела в процессе отвода тепла также должна быть равна Т0 и оставаться постоянной: Т2 = Т0 =const;Поскольку в других процессах тепло не должно подводиться и отводиться, то замыкание цикла может осуществляться только процессами с постоянной энтропией (S = const), следовательно, должно быть: Sa = Sb и Sc = Sd.
В изображенном на рисунке цикле изоэнтропа ab - процесс адиабатического сжатия рабочего тела; изотерма bc - процесс подвода тепла Q1; изоэнтропа cd - процесс адиабатического расширения рабочего тела; изотерма da - процесс отвода тепла Q2 к холодному источнику (окружающей среде). Одновременно изотермы bc и da - соответственно процессы отвода тепла от горячего источника и подвода тепла к холодному источнику. В этом, как и в любом другом, обратимом цикле значения изменения энтропии горячего и холодного источников равны между собой по абсолютной величине и имеют обратные знаки, т.е.Sг =??SxКонечное изменение энтропии?Sт рабочего тела, совершающего замкнутый процесс, будет равен нулю. Приращение энтропии системы, равное алгебраической сумме энтропии всех тел рассматриваемой системы (обеих источников тепла и рабочего тела), также равно нулю:Sc =??Si =?Sг +?Sx +?Sт = 0.
Этим подтверждается, что цикл Карно действительно дает максимальную работу.Из рисунка находим:Q1 = Tг?Sг = Т1?Sг;Q2 = T0?Sx = T2?Sг,Отсюда Lц = Q1 - Q2 = (T1 - T2)?Sг.С учетом того, что Sг = Q1/T1, получим Lц = Q [(T1-T2)/T1].Термический к. п. д. этого цикла t = Lц /Q1 = 1 - T2/T1 =?t мах.С помощью прямого цикла Карно можно доказать, что отводимое к холодному источнику тепло Q2min не является потерей энергии, а представляет собой тот «балласт», ту непревратимую часть энергии, которая в любой момент, без затраты какой-либо дополнительной работы, может быть отнята от холодного источника и возвращена горячему.
Здесь следует заметить, что осуществляя обратный цикл Карно, можно, затратив работу Lц, получить и отдать горячему источнику тепла Q1 ровно столько, сколько было от него получено в прямом цикле, а от холодного источника будет отобрано в точности такое же количества тепла Q2min, сколько ему было отдано в прямом цикле. Обратный цикл. Цикл Карно с протеканием процессов против часовой стрелки называется обратным. Это цикл холодильных машин и тепловых насосов.Для наглядности сравнения различных типов цикла Карно на рис.9.9 в диаграмме Т,s- представлены: а) - цикл двигателя, б) - цикл холодильной машины, в) - цикл теплового насоса. Для всех циклов окружающая среда выступает в зависимости от их предназначения в виде горячего или холодного источника теплоты с температурой ТОС. В отличие от цикла двигателя (рис.9.9,а), где окружающая среда выступает в качестве холодного источника теплоты, в цикле Карно холодильной машины (рис.9.9,б) окружающая среда является горячим источником теплоты.В холодильной установке осуществляется обратный цикл Карно, в котором рабочее тело забирает теплоту q2 от охлаждаемого тела с температурой ТХ и отдает теплоту q1 в окружающую среду с температурой ТОС > TХ. Для осуществления передачи теплоты от холодного тела к теплому затрачивается работа lt, которая преобразуясь в теплоту q1=lt+q2, вместе с q2 передается окружающей среде. При заданных температурах охлаждаемого тела и окружающей среды обратный цикл Карно будет самым экономичным. Его холодильный коэффициент определяется только температурами TОС и Tх, и рассчитывается как 
| (9.10) |
В тепловом насосе тоже осуществляется обратный цикл Карно (рис.9.9,в), но в этом цикле окружающая среда выступает в роли холодного источника теплоты. При работе теплового насоса даровая теплота внешней среды (т.е. отсутствует сжигание топлива и т.п.) q2 за счет совершения работы lt передается потребителю теплоты с температурой ТТП>ТОС, при этом работа lt преобразуется в теплоту и общее количество теплоты, полученное потребителем, будет представлено величиной q1=lt+q2. Коэффициент преобразования теплоты, характеризующий эффективность цикла Карно теплового насоса, определяется только температурами ТОС и ТТП, и расчитывается как 
Холодильный коэффициент (9.10) и коэффициент преобразования теплоты (9.11) в циклах Карно при заданной температуре окружающей среды ТОС возрастают при увеличении ТХ и уменьшения ТТП.Обратимые циклы Карно холодильной машины и теплового насоса при постоянных температурах источников теплоты ТОС и TХ или ТОС и ТТП имеют наибольшую экономичность по сравнению с другими циклами, имеющими такие же источники теплоты.Анализируя обратный цикл Карно, можно привести следующие формулировки второго закона термодинамики:Передать теплоту от холодного тела к горячему возможно только при затрате работы или другого компенсационного процесса;Самопроизвольный переход теплоты от холодного тела к горячему невозможен.Осуществить на практике обратимый цикл Карно невозможно, поскольку в природе не существует обратимых процессов, но он является эталоном экономичности, к которому должны стремиться реальные циклы с изотермическими источниками теплоты. Поскольку большинство реальных циклов имеют источники теплоты с переменной температурой, то для получения эталонного цикла Карно при таких источниках теплоты пользуются понятием среднетермодинамической температуры, используя его можно представить любой процесс подвода и отвода теплоты в виде изотерм (см. раздел 9.1.2).
Поиск по сайту: