ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ


Первый закон ТД устанавливает возможность превращения различных видов энергии друг в друга, постоянство энергии изолированной системы и эквивалентность при взаимопревращении различных форм энергии. Однако он не определяет, возможен или не возможен процесс, в каком преимущественно направлении он протекает, при каких условиях можно получить от системы максимально возможную работу.

Теплота сама собой переходит от горячего тела к холодному, но самопроизвольный переход теплоты от холодного к горячему телу невозможен. Работу всегда можно полностью превратить в теплоту, но превращение теплоты в работу возможно лишь при вполне определённых условиях и не полностью. Таким образом, для более полного анализа явлений и процессов необходимо к ТД-1 добавить ещё одну общую закономерность, позволяющую определить все эти качественные особенности процессов. Такой закономерностью является второй закон термодинамики, устанавливающий, возможен или невозможен тот или иной процесс, в каком преимущественно направлении он будет протекать, когда система достигнет динамического равновесия, и при каких условиях работа системы максимальна.

Необратимые (самопроизвольные) процессы протекают от неустойчивого, неравновесного состояния к устойчивому, равновесному. Обратный процесс, например, переход теплоты от холодного тела к нагретому осуществить можно, но для этого необходимо затратить внешнюю работу, и, следовательно, этот процесс не будет самопроизвольным.

Второй закон ТД устанавливает важную особенность теплоты при превращении в работу. В периодически действующих тепловых машинах не вся взятая от источника теплота превращается в полезную работу, часть его неизбежно должна быть отдана холодному телу (холодильнику). Следовательно, для превращения теплоты в работу кроме источника тепла необходим холодильник (окружающая среда), принимающий часть тепла, не превращённого в работу (рис. 6.1). Из рисунка видно, что рабочее тело, совершая замкнутый цикл, совершает работу, равную разности между теплотой, полученной от источника, и теплотой, отданной в холодильник, L=Q1-Q2. Из него следует, что ТД-2 не только вскрывает особенность теплоты при превращении в работу, но и устанавливает, от чего зависит эффективность этого превращения, и определяет условия, при которых теоретические коэффициенты полезного действия максимальны. 1. Прямые и обратные циклы. Термический КПД прямого цикла. Рис. 6.1.

Используя уравнение ТД-1 и уравнение состояния газа, мы исследовали незамкнутые процессы – расширения и сжатия. При этом не рассматривали вопросы, связанные с возвращением ТРТ после расширения в первоначальное состояние. Однако очевидно, что нельзя создать тепловую машину, в которой происходит лишь одно непрерывное расширение газа. Для этого надо иметь (например, для поршневых двигателей) бесконечно длинный цилиндр, где под действием подводимого тепла газ расширялся бы и совершал работу. Работа всех тепловых машин основана на том принципе, что рабочее тело, закончив процесс расширения (рабочий ход) и совершив при этом работу, должно возвратиться в первоначальное состояние, чтобы повторить процесс расширения. Чтобы вернуть ТРТ в первоначальное состояние (процесс сжатия), необходимо затратить внешнюю работу. Поскольку работа есть функция процесса, то можно выбрать процесс возвращения газа в начальное состояние таким, чтобы работа, затраченная внешней системой на осуществление этого процесса, была меньше работы газа в процессе расширения. Разность между работой, отданной внешней системе газом при его расширении, и работой, затраченной внешней системой на его сжатие, может быть использована внешним потребителем.

В тепловых двигателях процессы реализуются так, чтобы работа расширения газа была больше работы, затрачиваемой на его сжатие (рис. 6.2). Можно создать машину, в которой работа расширения меньше работы сжатия (рис.6.3), но эта машина не даёт полезной работы, а сама нуждается в дополнительной внешней работе. На этом принципе работают холодильные установки. Рис. 6.2. Рис. 6.3.

 

Совокупность термодинамических процессов, в результате которых рабочее тело возвращается в своё первоначальное состояние, называется циклами.

Циклы, у которых теплота превращается в работу, называются прямыми, в них линия расширения лежит выше линии сжатия.

Циклы, на осуществление которых затрачивается механическая энергия, называются обратными, в них линия расширения лежит ниже линии сжатия.

Циклы, состоящие только из обратимых процессов, называются обратимыми. Если же в цикле имеется хотя бы один необратимый процесс, то такие циклы называются необратимыми.

Рассмотрим изменение состояния газа при совершении обратимого цикла (рис. 6.2). Кривая 1-а-2 есть процесс расширения, кривая 2-б-1 – сжатия. Весь круговой процесс 1-а-2-б-1 составит цикл, в результате которого рабочее тело возвращается в первоначальное состояние. При расширении (1-а-2) газ совершит работу Lр, равную пощади I-1-а-2-II-I. Внутренняя энергия газа измениться на величину u2-u1. Допустим, что в этом процессе к газу подводится теплота Q1. Тогда согласно ТД-1

Q1= u2-u1+Lр.

В процессе сжатия (2-б-1) затрачивается работа Lсж, внутренняя энергия газа изменяется на u1-u2. Допустим, что в этом процессе отводится теплота –Q2. Тогда

-Q2=u1-u2-Lсж.

Определяя из обоих уравнений u2-u1, получим

u2-u1=Q1-Lр,

u2-u1=Q2-Lсж.

Т.к. левые части этих уравнений одинаковы, то должны быть одинаковы и правые части:

Q1-Lр=Q2-Lсж или Q1-Q2=Lр-Lсж.

Величина (Lр-Lсж) называется работой цикла Lц и изображается заштрихованной площадью 1-а-2-б-1.

Итак, в полезную работу цикла превращается количество теплоты, равное разности подведённой от источника и отведённой в холодильник теплот. Т.е. не вся подводимая к газу теплота превращается в полезную работу – часть отдаётся в холодильник. Очевидно, чем большая доля подведённой теплоты превращается в полезную работу, тем экономичнее двигатель (цикл). Степень термодинамического совершенства цикла определяется отношением теплоты (Q1-Q2), превращённой в полезную работу, к подведённой к газу теплоте Q1. Это отношение называется термодинамическим (термическим) КПД:

Работу цикла можно выразить через Q1 и КПД: Lц= Q1.

Цикл Карно.

Цикл Карно имеет большое значение в установлении совершенства превращения теплоты в работу и определении условий максимального термического КПД. Ни один из обратимых циклов не может иметь термический КПД больше, чем у цикла Карно при тех же перепадах температур.

Прямой цикл Карно состоит их четырёх процессов (рис. 6.4). A-B – изотермическое расширение при постоянной температуре T1. B-C – адиабатное расширение без теплообмена с внешней средой. C-D – изотермическое сжатие при постоянной T2. D-A – адиабатное сжатие без теплообмена с внешней средой. В процессе A-B подводится теплота Q1, в процессе C-D отводится теплота Q2. В процессах A-B и B-C газ, расширяясь, совершает внешнюю работу, в процессах C-D и D-A газ сжимается, на что затрачивается внешняя работа. Применив 1-й закон ТД к циклу, получим Q1-Q2=Lр-Lсж. Т.е. в прямом цикле Карно подведённая теплота Q1 частично идёт на совершение полезной работы, численно равной площади A-B-C-D-A, частично (Q2) отводится в холодильник. Отсюда делаем важный вывод: не вся подведённая теплота превращается в работу, т.е. термический КПД цикла Карно принципиально не может быть равен единице. Рис. 6.4.

От каких факторов зависит термодинамический КПД цикла Карно? Для любого цикла

Теплота, подведённая к газу в изотермическом процессе расширения A-B, определяется формулой

а теплота, отведённая от газа в изотермическом процессе сжатия C-D определяется формулой

Тогда

Покажем, что (vC/vD)=(vB/vA). Для адиабатного процесса расширения B-C имеем

а для адиабатного процесса сжатия D-A

Т.к. правые части выражений равны, то

Поэтому после сокращения получим

Сравнивая эту формулу с формулой, полученной ранее для КПД, получим

Полученное выражение для термического КПД позволяет сделать следующие выводы:

1. Термический КПД цикла Карно не зависит от природы газа, поскольку формула не содержит каких-либо характеристик газа, а температуры T1 и T2 могут быть взяты одинаковыми для любого газа.

2. Термический КПД цикла Карно зависит от температур источника и холодильника. При этом, чем выше температура источника и чем ниже температура холодильника, тем больше КПД цикла.

3. Термический КПД цикла Карно не может быть равен единице, т.к. для этого необходимо, чтобы T2=0 или T1= , что практически невозможно. Это подтверждает основное положение второго закона термодинамики о том, что подводимую в цикле теплоту невозможно полностью превратить в работу, часть тепла при всех условиях необходимо отводить в холодильник.

4. Термический КПД цикла Карно равен нулю при T2=T1, т.е. в цикле Карно невозможно получить полезную работу без наличия перепада температур в системе.



Дата добавления: 2017-11-21; просмотров: 1602;


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.011 сек.