Înainte de a trece la expunerea celei de-a doua legi a termodinamicii, considerăm procesele circulare. Un proces circular, sau un ciclu, este un proces în care un corp termodinamic revine la starea inițială. În diagramele de fază ale lui P, V și altele, procesele circulare sunt reprezentate ca curbe închise (Figura 5.1). Acest lucru se datorează faptului că în orice diagramă două stări identice (începutul și sfârșitul procesului circular) sunt reprezentate de același punct pe plan.
Ciclul realizat de un gaz ideal poate fi împărțit în procese de extindere (1 - 2) și comprimare (2 - 1) a gazului. Lucrarea de expansiune (determinată de zona din figura 1a 2V2V1 1) este pozitivă (), lucrarea de compresie (determinată de aria figura 2b 1V1V2 2) este negativă (dV <0). Следовательно, работа, совершаемая за цикл, определяется площадью, охваченной замкнутой кривой. Если за цикл совершается положительная работа
(ciclul merge în sensul acelor de ceasornic), apoi se numește linie dreaptă (Figura 5.1). Dacă se efectuează o activitate negativă pe ciclu
(ciclul avansează în sens contrar acelor de ceasornic), apoi se numește invers (Figura 5.2).
Procesele circulatorii stau la baza tuturor mașinilor termice: motoare cu combustie internă, turbine cu abur și gaz, mașini de abur și frigider etc.
Ca urmare a procesului circular, sistemul revine la starea inițială și, prin urmare, schimbarea totală a energiei interne a gazului este zero. Prin urmare, prima lege a termodinamicii pentru un proces circular
și anume munca efectuată pe ciclu este egală cu cantitatea de căldură primită din exterior. Cu toate acestea, ca urmare a procesului circular, sistemul poate primi atât căldură, cât și da
unde Q1 - cantitatea de căldură primită de sistem; Q2 este cantitatea de căldură dată de sistem.
Prin urmare, eficiența termică pentru un proces circular
Toate procesele termodinamice, inclusiv cele circulare, sunt împărțite în două grupe: reversibile și ireversibile.
Un proces se numește reversibil dacă avansează în așa fel încât, după terminarea procesului, el poate fi realizat în direcția opusă prin toate aceleași stări intermediare ca și procesul direct. După un proces circular, reversibil, nu apar schimbări în mediul înconjurător al sistemului. În acest caz, mediul este înțeles ca setul de toate organismele care nu intră în sistem, cu care sistemul interacționează direct.
Procesul este numit ireversibil dacă se procedează astfel încât, după terminarea acestuia, sistemul nu poate fi returnat la starea inițială prin stările intermediare anterioare. Este imposibil să se implementeze un proces circular ireversibil, astfel încât nicăieri în mediul înconjurător să nu existe modificări.
Numai procesele de echilibru posedă proprietatea reversibilității. Fiecare stare intermediară este o stare de echilibru termodinamic care este insensibilă pentru a afla dacă procesul este în direcția înainte sau înapoi.
De exemplu, procesul de expansiune adiabatică sau de comprimare a gazului poate fi considerat reversibil. În procesul adiabatic, condiția de izolare termică a sistemului exclude schimbul direct de căldură între sistem și mediu. Prin urmare, producerea unei extinderi adiabatice a gazului. și apoi compresia. puteți readuce gazul la starea inițială, astfel încât să nu se producă schimbări în mediu. Desigur, în condiții reale și în acest caz există întotdeauna o ireversibilitate a procesului, cauzată, de exemplu, de imperfecțiunea izolației termice, de frecare în timpul mișcării pistonului etc.
Numai în procesele reversibile, căldura este utilizată în scopul propus, nu este irosită. Dacă procesul este neechilibrat, atunci va exista o tranziție ireversibilă, adică o parte din energie va dispărea (ireversibil).
Eficiența maximă este disponibilă pentru mașinile care au numai procese reversibile.
Procesele reale sunt însoțite de disiparea energiei (datorată frecării, conducției de căldură etc.), care nu este considerată de noi. Procesele reversibile sunt, într-o oarecare măsură, idealizarea proceselor reale. Considerarea lor este importantă din două motive:
· Multe procese în natură și tehnologie sunt practic reversibile;
· Procesele reversibile sunt cele mai economice și conduc la valoarea maximă a eficienței termice a motoarelor termice.
Un motor termic este un motor care acționează periodic, efectuând lucrări datorită căldurii primite din exterior.
Orice mașină termică funcționează pe principiul unui proces circular (ciclic), adică revine la starea inițială (Figura 5.1). Dar pentru a face o muncă utilă, întoarcerea trebuie făcută cu cea mai mică cheltuială.
O lucrare utilă este egală cu diferența în activitatea de dilatare și contracție, adică este egală cu aria delimitată de curba închisă.
Părțile obligatorii ale motorului termic sunt un încălzitor (sursă de energie), un frigider, un corp de lucru (gaz, abur).
De ce un frigider? Deoarece un proces circular este realizat într-un motor termic, este posibil să reveniți la starea inițială cu un cost mai mic dacă dați o parte din căldură. În cazul în care aburul este răcit, este mai ușor de compresat, de aceea lucrările de compresie vor fi mai puțin decât lucrările de expansiune. Prin urmare, într-o mașină termică este utilizat un frigider.
Un ciclu direct este utilizat într-un motor termic - un motor termic cu funcționare periodică care funcționează datorită căldurii primite din exterior. Să luăm în considerare schema motorului termic (Figura 5.3). De la un termostat cu temperatură mai mare T1. numit încălzitor, cantitatea de căldură Q1 este scăzută pe ciclu. și un termostat cu temperatură mai scăzută T2. numit frigider, cantitatea de căldură Q2 este transferată pe ciclu și lucrările A:
Ciclul inversat este utilizat în mașinile de refrigerare - instalații care funcționează periodic în care, datorită funcționării forțelor exterioare, căldura este transferată către un corp cu o temperatură mai mare. Principiul de funcționare al răcitorului de lichid este prezentat în figura 5.4. Cantitatea de căldură Q2 absorbită la o temperatură scăzută T2 de către sistem pe ciclu și cantitatea de căldură Q1 este furnizată la o temperatură mai mare T1 datorită funcționării forțelor exterioare A.
Bazat pe a doua lege a termodinamicii, Carnot a derivat o teoremă. acum poartă numele său:
Dintre toate mașinile termice cu funcționare periodică, care au aceleași temperaturi ale încălzitoarelor și frigiderelor, cea mai mare eficiență o dețin mașinile reversibile. Mai mult decât atât, eficiența mașinilor reversibile care funcționează la temperaturi identice ale încălzitoarelor și frigiderelor este egală una cu cealaltă și nu depinde de proiectarea mașinii și de natura substanței de lucru. Eficiența este mai mică decât unitatea.
Ciclul studiat de Carnot este cel mai economic și reprezintă un proces circular constând din două izoterme și două adiabate (Figura 5.5).
Luați în considerare ciclul direct Carnot, în care gazul ideal, închis într-un vas cu un piston mobil, este folosit ca fluid de lucru. Definiți eficiența acestuia.
Luați în considerare un proces circular în care căldura poate fi transformată în muncă, în cel mai bun mod, adică astfel încât munca este maximă. Permiteți-mi să vă reamintesc că un motor termic este un motor care funcționează periodic, care funcționează datorită căldurii primite din exterior și care are un încălzitor, un frigider și un fluid de lucru. Deci, presupunem că încălzitorul și frigiderul au o capacitate infinită de căldură, adică temperaturile lor nu se schimbă în timpul transferului de căldură.
Luați în considerare mai întâi procesul calitativ. Începem procesul de la volumul A. Gazul este comprimat la presiunea P0 și este în contact cu încălzitorul la T1. Extinderea gazului la ce proces va oferi performanțe maxime? Să ne amintim legea conservării energiei în termodinamică. sau încep:
În procesul izotermic, dU = 0, atunci toată căldura va merge la lucru:
Astfel, în secțiunea AB - expansiunea izotermică la temperatura T1 (procesul de transfer de căldură nu se produce, deoarece nu există diferențe de temperatură, transferul de căldură are loc fără să se facă lucrarea, adică procesul este reversibil).
Căldura primită de către lucrător trebuie transferată la frigider. Dar dacă îl aduceți în contact cu frigiderul, acesta va transfera căldura fără a face munca. Prin urmare, este mai întâi necesar să se răcească mediul de lucru la T2 (și să se răcească fără cheltuieli de căldură este extinderea adiabatică a secțiunii aeronavei), și apoi conectați-l la frigider. Extinderea adiabatică se termină în prima jumătate a ciclului - realizarea muncii utile.
Acum este necesar să se întoarcă corpul de lucru în starea inițială, adică comprimați gazul la P0. Contactul cu încălzitorul din nou nu trebuie făcut decât după ce temperatura de lucru a încălzitorului (T1) este măsurată.
. Revenind la t A are loc din nou în două etape: în primul rând, fluidul de lucru este comprimat, fără a întrerupe contactul cu frigider, frigiderul este dat la Q2 de căldură (compresie izotermă CD-uri). Apoi, corpul este izolat de frigider, comprimat adiabatic, în timp ce temperatura lui crește până la T1 (DA). Corpul de lucru sub compresie adiabatică este încălzit de munca externă efectuată pe el.
După cum vedem, în toate etapele procesului circular, nu este permis nici un contact cu corpurile cu temperaturi diferite, adică nu există procese ireversibile de conductivitate termică. Întregul ciclu este reversibil (infinit lent).
Să găsim o lucrare utilă a ciclului Carnot.
Procesul AB. Lucrare pozitivă făcută de gaze sub expansiunea izotermică a unui mol de gaz de la V0 la V1.
Încălzirea primită de la încălzitorul Q1. merge la extinderea izotermică a gazului, în timp ce face munca A1:
Procesul B-C este o expansiune adiabatică. Cu expansiune adiabatică, nu există schimb de căldură cu mediul înconjurător, iar lucrul de extindere A2 se realizează prin schimbarea energiei interne.
Presiunea se va schimba apoi la P2. Lucrarea primită în acest stadiu:
Procesul C-D este compresia izotermică. În a treia etapă, gazul izotermal este comprimat de V2 la V3. Încălzire Q2. gazul dat frigiderului sub presiune izotermică este egal cu activitatea compresiei A3 - aceasta este lucrarea făcută pe gaz, este negativă:
Lucrări de compresie în ultima etapă:
Articole similare
-
Katpop - rezumate - media ca instrument de influență în procesul politic (prin pop)
-
Specificitatea procesului organizațional al NHT în echipe de diferite grupe de vârstă
Trimiteți-le prietenilor: