Теоретические основы преобразования энергии в тепловых двигателях

Первый и второй закон термодинамики.

Первый закон термодинамики является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии, применительно к тепловым явлениям, протекающих в теплодинамической системе. Закон сохранения и превращения энергии гласит, что в изолированной системе сумма всех видов энергии является величиной постоянной, т.е. уменьшение какого-либо вида энергии в одной системе, должно сопровождаться увеличением энергии в другой системе. Превращение механического движения в теплоту известно человеку с древнейших времен, но обратное превращение теплоты в механическую работу было осуществлено во 2-ой половине 18 века. Если в рабочем теле не происходит каких-либо других явлений и отсутствует кинетическая энергия видимого движения, то согласно закону сохранения энергии можно написать для элементарного процесса уравнение

δq = dU + pdν, где

dU – изменение удельной внутренней энергии,

pdν – элементарная работа, совершаемая системой при бесконечном изменении объема и давлении,

δq – удельная теплота, которая расходуется на изменение внутренней энергии тела и на совершение телом внешней работы.

Первый закон не рассматривает вопроса о направлении теплового процесса, а не зная это направление нельзя предсказать его характер и результаты. Закон, позволяющий указать направление теплового потока, и устанавливать максимально возможный предел превращения теплоты в работу в тепловых двигателях – это есть второй закон термодинамики.

При любом процессе расширения газа наступает момент, когда температура и давление станут равными температуре и давлению окружающей среды, при этом прекратится получение работы необходимой в процессе сжатия, возвращая рабочее тело в первоначальное состояние. Повторяя цикл неограниченное количество раз можно за счет подводимой теплоты получить любое количество теплоты.

Цикл, в результате которого получают положительную работу, называют прямым циклом (цикл теплового двигателя). В нем работа расширения больше чем работа сжатия.

Цикл, в результате которого расходуется работа, называется обратным. В нем работа сжатия больше работы расширения.

По обратным циклам работают холодильные установки. Циклы бывают обратимые и необратимые. Циклы, состоящие из равновесных обратимых реакций называют обратимыми. Рабочее тело в таком цикле не должно подвергаться химическим изменениям. Если хотя бы один из процессов, входящих в цикл является необратимым, то весь цикл тоже будет необратимым.

Отношение удельного количества теплоты, превращается в положительную удельную работу за один цикл ко всему удельному количеству теплоты, подведенному к рабочему телу, называется термическим коэффициентом полезного действия, который определяется по формуле:

η_t = (q₁-q₂)

q₁

Значение термического КПД является показателем совершения цикла теплового движения. Чем больше КПД, тем большая часть подведенного удельного количества теплоты превращается в работу. В замкнутом круговом цикле теплота может превратиться в механическую работу только при наличии разности температур между теплоотдатчиком и теплоприемником. Чем больше эта разность, тем выше КПД теплового двигателя.

Степень совершенства обратного цикла определяется так называемый холодный коэффициент цикла

ε = q₂

l

(l – работа), который показывает какое количество теплоты отнимается от теплоприемника при затрате на 1 единицу работы. Коэффициент сжатия всегда больше 1.