Читайте также:
|
Первый закон термодинамики – это закон сохранения энергии для тепловых процессов. Он устанавливает связь между количеством теплоты полученного системой, её изменением и работой совершенной системой.
Согласно этому закону энергия не может быть создана или уничтожена, она может передаваться от одной системы к другой, и преобразовываться из одной формы в другую. Однако, первый закон термодинамики не отражает 2 обстоятельства:
Он не накладывает ограничений на возможность преобразования энергии из одного вида в другой, на основе одного лишь первого закона всегда имеется возможность превратить теплоту в работу или работу в теплоту, при условии равенства Q и L. Но это верно лишь при преобразовании работы в теплоту. Также электрическую энергию преобразовать в теплоту. То есть любой вид энергии в конечном итоге превращается в теплоту. Однако существуют ограничения при преобразовании теплоты в работу. Если бы ограничений не было, то можно было бы построить машину, которая путём охлаждения окружающих тел, превращала взятую от них теплоту в работу. Гипотетическую тепловую машину в которой мог бы происходить данный процесс называют вечным двигателем второго рода. Данная машина могла бы брать теплоту от мирового океана и превращать в работу. Масса мирового океана 1021 и при охлаждении его на один градус может быть выработано 1024Дж энергии. В мире ежегодно вырабатывается в 10000 раз меньше, по этому вечный двигатель второго рода был бы не менее привлекателен чем вечный двигатель первого рода – запрещенный первым законом термодинамики. Существование вечного двигателя второго рода исключает второй закон термодинамики.
В 1851 году английский учёный Кельвин заявил что:
I. Не возможен процесс, единственным конечным результатом которого будет преобразование в работу всей теплоты полученной от горячего источника.
II. Из всей теплоты полученной от нагревателя, только часть её может быть преобразована в работу, другая её часть обязательно будет отведена в холодный источник – холодильник.
Термодинамика не устанавливает направления процесса однако, некоторые процессы могут протекать только в одном направлении. В тепловом холодильнике тепловой поток всегда направлен от более тёплого к более холодному телу.
Немецкий физик Клаузис дал другую формулировку законам термодинамики:
I. Не возможен процесс единственным результатом которого будет переход от тела с данной температурой к телу с более высокой температурой.
II. Теплота не может самопроизвольно без некоторого дополнительного процесса перейти от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой.
Лекция №10
Круговые процессы или термодинамические циклы. Условие работы тепловых машин.
Тепловая машина – это устройство преобразующие тепловую энергию в механическую работу при циклическом процессе теплообмена между термодинамической системой (рабочим телом тепловой машины) и источником теплоты.
Рабочим телом является газ, по средством которого осуществляется преобразование теплоты в работу.
Для того чтобы от тепловой машины получить полезную работу необходимо выполнить следующие условия:
1. Необходимо иметь рабочее тело
2. Необходимо наличие двух источников теплоты: нагреватель и охладитель. Для того чтобы рабочее тело совершив ряд процессов вернулось в исходное состояние. Должен совершится термодинамический цикл.
Термодинамический цикл – совокупность термодинамических процессов, после совершения которых система возвращается в исходное положение.
| P |
| q1 |
| q2 |
| V1 |
| q1 |
| q2 |
При подводе теплоты Q1 от нагревателя с температурой Т1 совершается процесс 1-а-2, в ходе которого система совершает положительную работу L, численно равную площади под линией процесса. В процессе 2-в-1 от рабочего тела отводится теплота в количестве Q2 к охладителю с температурой Т2. В процессе сжатия затрачивается работа L2 (отрицательная работа системы) так как она совершается внешними силами.
Работа системы равна сумме работ во всех циклах.
Уравнение первого закона термодинамики для процессов 1-а-2 и 2-в-1 соответственно будут иметь вид:
Чтобы получить полезную работу цикла работа затраченная на сжатие должна быть меньше работы совершаемой системой при расширении. Необходимо одновременно со сжатием охлаждать рабочее тело отнимая у него теплоту Q2. Если при сжатии не охлаждать рабочее тело, то полезная работа будет равна нулю. Степень совершенства тепловой машины оценивается коэффициентом полезного действия.
Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы так как часть теплоты в количестве Q2 отводится в окружающую среду. Полное превращение теплоты в работу, по средствам тепловой машины не возможно.
Цикл тепловой машины. Цикл холодильной машины.
Цикл тепловой машины направлен по часовой стрелке. Работа расширения всегда больше работы сжатия.
| P1 |
| q1 |
| V1 |
| q2 |
На участке 1-2 создаётся разряжение в следствии чего температура рабочего тела уменьшается, и становится ниже температуры охлаждаемого тела. На участке 2-1 рабочее тело сжимается в результате чего его внутренняя энергия повышается. В следствии совершения внешними силами работы L над рабочим телом, происходит отвод теплоты Q2 от охлаждаемого тела и передача теплоты Q1 к тепловому резервуару (окружающей среде), причём Q1 больше чем Q2.
Степень совершенства тепловой машины оценивается коэффициентом:
Цикл Карно
Цикл Карно – это идеальный термодинамический цикл, тепловая машина работающая по этому циклу обладает максимальным КПД. Цикл Карно состоит из двух адиабатных и двух изотермических процессов. Изотермические и адиабатные процессы являются самыми выгодными для получения работы из определённого количества теплоты, в изотермическом процессе вся теплота, подводимая к рабочему телу превращается в работу, а адиабатный процесс протекает без потерь теплоты так как отсутствует теплообмен с окружающей средой и работа совершается за счёт уменьшения внутренней энергии. Кроме того одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость
| P |
| q1 |
| q2 |
| V |
Лекция №11
Энтропия
Обмен энергией может происходить в форме работы и в форме теплоты. Работа совершается системой в случае изменения объёма или перемещения всей системы.
| V |
| P |
| L |
Работа может быть изображена на графике площадью под линией процесса. Работа зависит от значения давления и объёма.
В случае передачи энергии в форме теплоты значение энергии в некоторых случаях возможно получить по известной формуле однако, измеряя значение температуры не всегда можно определить количество переданной теплоты (при подводе теплоты к кипящей воде её температура не меняется).
В 1852 году Клаузис предложил параметр, который изменялся только в случае подвода или отвода теплоты (энтропия)
Энтропия – функция состояния термодинамической системы дифференциал которой равен количеству подведённой теплоты отнесённому к температуре процессу
dQ – элементарное количество теплоты подведённое к системе при постоянной температуре Т.
Данная формула является математической записью второго закона термодинамики для обратимых процессов.
Вывод из второго закона термодинамики: энтропия системы при совершении необратимых процессов возрастает.
Энтропия может быть измерена и определена только только расчётным путём – также как потенциальная энергия тела.
Количество подводимой теплоты к системе из данной формулы можно записать в виде интеграла:
Как следует из формул:
dQ=TdS
Существует следующая зависимость:
dS>0 dQ>0
dS<0 dQ<0
Тепловая диаграмма T-S.
Тепловая диаграмма T-S – это графическая зависимость между температурой и энтропией, она имеет широкое применение при исследовании и расчёте термодинамических процессов и циклов, значительно упрощает и повышает наглядность термодинамических исследований.
Изобарный и изохорный процесс в T-S координатах
| S |
| T |
| 2V |
| 2P |
| q |
| S |
| T |
| dq |
| S1 |
| S2 |
Расчёт КПД цикла Карно с помощью тепловой диаграммы
| z |
| c |
| a |
| T |
| b |
| q1 |
| q2 |
| S |
Лекция №12
Дата добавления: 2015-11-14; просмотров: 82 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Уравнение состояния. | | | Термодинамические циклы двигателя внутреннего сгорания |