Теплотехника

При таких условиях процесс расширения рабочего тела в любой момент времени будет иметь температуру, плотность и давление одинаковыми во всем объеме, т. е. его состояние также будет равновесным.

Аналитическое решение задачи для вычисления работы газа вследствие его расширения. Скорость поршня во время перемещения его в цилиндре бесконечно мала. Поэтому для анализа процесса расширения разобьем весь отрезок пути, пройденного поршнем, на бесконечно малые части dl. Тогда dA(элементарная работа) на любом элементарном отрезке dl определяется произведением:

dA = pSdl,

где pS– сила;

dl– путь.

Используя равенство

Sdl = dv,

получаем

dA = pdv.

Дает выражение:

где А – работа, которую при расширении совершает газ массой j кг.

Такую работу, которую газ совершает при расширении, называют еще технической.

33. Обратимые и необратимые процессы

Если термодинамическая система под действием внешних сил проходит ряд последовательных состояний, то их совокупность называют термодинамическим процессом. Этот процесс совершается рабочим телом, а его состояние изменяется таким образом, что масса остается постоянной. Основным свойством упрощенного идеального процесса считается его обратимость.

Обратимыми называются процессы, протекающие как в прямом, так и в обратном направлении, и при которых ни в рабочем теле, ни в окружающем пространстве не возникают остаточные изменения. Причем рабочее тело проходит в обоих направлениях через те же самые равновесные элементарные состояния и в конце процесса возвращается в первоначальную точку.

Любой обратимый процесс является равновесным. Процесс называется равновесным, если последовательные состояния, которые проходит система, будут также равновесными. Процесс, протекающий очень медленно и таким образом в любой момент времени приближающийся к равновесному, называется квазистатическим (он также обратим).

Графически равновесное состояние изображается в виде точки в пространственной системе координат с тремя параметрами v, р, Т, а сам равновесный процесс – кривой, проходящей через ряд таких точек.

Состояние системы называется равновесным, если в любой момент времени во всем объеме, который занимает газ, величины v, р, Т (параметры состояния) одинаковы, хотя они изменяются во времени в случае изменения состояния. В случае изолированной системы она со временем возвращается в состояние равновесия и сама из него выйти не может. На практике обратимые процессы возможны при определенных условиях.

1. Рабочее тело изменяет свое состояние бесконечно медленно.

2. У рабочего тела существует бесконечное множество равновесных состояний.

3. Теплообмен с внешней средой (необратимый процесс), внешнее трение, внутреннее трение частиц тела друг о друга отсутствуют.

4. В рабочем веществе не проходят никакие химические изменения.

Процессы, не удовлетворяющие свойству обратимости, являются необратимыми.

Любой реальный процесс, в котором рабочее тело изменяет свое состояние, является необратимым.

Любой реальный процесс является также неравновесным. Это объясняется тем, что процесс имеет конечную скорость и равновесное состояние в рабочем веществе установиться просто не успевает. Реальные процессы могут приближаться к области равновесия, но не совпадать с равновесными процессами, они могут проходить только в прямом направлении, а в обратном – только при воздействии извне.

34. Основные положения второго закона термодинамики

Второй закон термодинамики позволяет ответить на вопросы: возможно или нет развитие рассматриваемого процесса, какое направление процесса будет преобладающим, когда в термодинамической системе установится равновесие. А также этот закон помогает определить условия, при которых система совершит максимальное количество работы.

Сущность этого закона впервые выразил французский ученый и инженер Сади Карно (1824 г.). Он писал, что везде, где только есть разность температур, возможно появление движущей силы. Причем она зависит только от температур взаимодействующих тел и не зависит от вида этих тел. Для получения больших величин такой движущей силы первоначальная температура рабочего тела должна быть значительной, и соответственно охлаждение также велико. Кроме того, никогда не будет возможно использовать на практике движущую силу (энергию) топлива в полном виде.

Эти утверждения ученого определяют условия преобразования теплоты двигателей в полезную работу и от каких параметров зависит качество этого преобразования. Исходя из установленных положений следует говорить о необходимости протекания в тепловых устройствах одновременно двух процессов – основного, при котором теплота превращается в работу, и дополнительного – сопутствующего процесса перехода тепла к холодному источнику.

В термодинамике самопроизвольными называют такие процессы, про которые можно сказать, что они протекают сами по себе, т. е. самостоятельно. По второму закону самопроизвольные процессы происходят только тогда, когда отсутствует равновесие в термодинамической системе. Причем направление протекания таких процессов совпадает с направлением приближения системы к точке равновесия.

Основу второго начала термодинамики составляют постулаты. Первый постулат немецкого ученого Р. Клау-зиуса (1850 г.) представляет общую формулировку второго закона в таком виде: «От одного тела (менее нагретого) к другому (более нагретому) теплота не переходит самопроизвольно, а только с помощью компенсации». Другой постулат (лорда Кельвина-Томсона, 1852 г.) гласит, что невозможно создать тепловую машину – вечный двигатель второго рода (в котором теплота полностью переходит в работу). Отсюда следует, чтотепловой двигатель будет выполнять работу только при наличии не менее двух источников тепла с различными температурами. Причем только часть всей теплоты, выделенной теплоотдатчиком (источник теплоты, имеющий высокую температуру), возможно превратить в полезную работу. Остальное тепло отводится к теплоприемнику.

На практике самопроизвольные процессы (переход тепла от горячих к холодным телам, диффузии, явления растворения и многие другие) являются необратимыми. Поэтому существует еще одна формулировка второго закона термодинамики: «Если реальный процесс является самопроизвольным, то он необратим».

35. Термодинамический КПД и холодильный коэффициент циклов

Источники, имеющие высокую температуру (Т₁) и отдающие теплоту рабочему телу, называются теплоот-датчиками. Источники, имеющие низкую температуру (Т₂) и получающие теплоту от рабочего вещества, называются теплоприемниками.

На РУ-диаграмме полезная работа кругового процесса равна площади, образованной кривыми прямого и обратного хода процесса и заключенной внутри цикла. Если на графике линия расширения расположена над линией сжатия, направление цикла происходит по часовой стрелке и произведенная в процессе работа потребляется внешними устройствами, такой цикл является прямым. Если на диаграмме линия сжатия расположена выше линии расширения, направление цикла происходит против часовой стрелки и работа совершается с помощью внешнего источника, такой цикл является