Scop: înțelegerea esenței conceptului de eficiență termică, ciclurile teoretice ale lui Carnot și esența celei de-a doua lege a termodinamicii.
1, principalele prevederi ale doua lege a termodinamicii, un caz special al legii generale de conservare și de transformare a energiei, prevede că căldura poate fi transformată în muncă și de a lucra în căldură, fără a stabili condițiile în care sunt posibile aceste transformări.
El nu ia în considerare complet direcția procesului termic și, fără să știe această direcție, nu se poate prezice natura și rezultatele sale.
De exemplu, prima lege nu rezolvă problema dacă se va produce un transfer de căldură de la un corp încălzit la unul rece sau invers. Observațiile și experimentele de zi cu zi arată că încălzirea în sine poate trece numai de la corpuri încălzite la cele mai reci. Transferul de căldură din corpul încălzit în mediu va avea loc până la echilibrul termic complet cu mediul înconjurător. Numai în detrimentul costurilor de muncă puteți schimba direcția mișcării căldurii.
Această proprietate a căldurii o deosebește brusc de muncă.
Munca, ca toate celelalte tipuri de energie implicate, în orice proces se transformă ușor și complet în căldură. Transformarea completă a muncii în căldură a fost cunoscută omului în vremurile străvechi, când a extras focul prin frecarea a două bucăți de lemn. Procesele de transformare a muncii în căldură apar în mod continuu în natură: frecare, impact etc.
Căldura se comportă într-un mod complet diferit, de exemplu, în mașinile termice. Transformarea căldurii în muncă are loc numai în prezența unei diferențe de temperatură între sursa de căldură și receptorul de căldură. Cu aceasta, toată căldura nu poate fi transformată în muncă.
Din ceea ce sa spus, rezultă că există o diferență profundă între transformarea căldurii în muncă și în spate. Legea care permite specificarea direcției fluxului de căldură și stabilirea limitei maxime posibile pentru conversia căldurii în muncă în mașinile termice este o nouă lege derivată din experiență. Aceasta este a doua lege a termodinamicii, care are un înțeles comun pentru toate procesele tipice. A doua lege a termodinamicii nu se limitează la cadrul ingineriei; este folosit în fizică, chimie, biologie, astronomie etc.
În 1824, Sadi Carnot, inginer și om de știință francez, în discuția sa despre forța motrice a focului, a stabilit esența celei de-a doua legi. El a scris: "Ori de câte ori există o diferență de temperatură, poate apărea o forță motrice. Forța motrice a căldurii nu depinde de agenții folosiți pentru dezvoltarea ei: cantitatea sa este determinată exclusiv de temperatura corpurilor, între care, în cele din urmă, se efectuează transferul căldurii. Temperatura gazului trebuie inițial să fie cât mai mare posibil pentru a obține o dezvoltare semnificativă a forței motrice. Din același motiv, răcirea ar trebui să fie cât mai mult posibil. Este imposibil să sperăm, cel puțin vreodată, să folosim practic toată forța motrice a combustibilului. "
În 50 din ultimul secol hgodov Clausius a fost dat la formularea cea mai comună și modernă a doua lege a termodinamicii ca următoarele postulate: „căldură nu poate trece de la un corp rece la cald un proces în sine gratuit (fără compensații).“
Postulatul lui Clausius trebuie privit ca o lege experimentală derivată din observațiile naturii înconjurătoare. Concluzia lui Clausius a fost făcută în domeniul tehnologiei, dar sa dovedit că a doua lege a fenomenelor fizice și chimice este, de asemenea, corectă. Postulatul Clausius, ca toate celelalte formulări ale doua lege, exprimă una dintre principalele, dar legile absolute ale naturii, așa cum a fost formulată în raport cu obiectele de dimensiuni finite în condițiile de sol din jur.
Simultan cu Clausius în 1851, Thomson a fost propusă o altă formulare a doua lege a termodinamicii, ceea ce implică faptul că nu toate căldura primită de la teplootdatchika poate merge la locul de muncă, dar numai o parte din ea. O parte din căldură trebuie să treacă în chiuveta.
Prin urmare, pentru a obține o muncă, este necesar să aveți o sursă de căldură cu o temperatură ridicată sau un radiator, o sursă de căldură cu temperatură scăzută sau o chiuvetă. În plus, postulatul lui Thomson arată că nu este posibil să se construiască o mașină de mișcare perpetuă care să creeze o muncă folosind doar o singură energie internă a mărilor, a oceanelor și a aerului. Această dispoziție poate fi formulată ca a doua lege a termodinamicii: "Este imposibil să se realizeze o mișcare perpetuă de al doilea fel". Sub mișcarea perpetuă a celui de-al doilea tip se înțelege un astfel de motor care este capabil să transforme complet lucrarea toată caldura primită de la o singură sursă. În afară de cele de mai sus, există mai multe formulări ale celei de-a doua lege a termodinamicii, care, în esență, nu introduc nimic nou și, prin urmare, nu sunt date.
2 Eficiența termică și coeficientul de răcire.
Raportul dintre cantitatea de căldură specifică transformată în lucru mecanic pozitiv pe ciclu, pentru toată cantitatea specifică de căldură furnizată fluidului de lucru, numit un randament termic.
Valoarea eficienței este un indicator al perfecțiunii ciclului motorului termic. Cu cât eficiența este mai mare, cu atât mai multă parte a căldurii este transformată într-o muncă utilă. Eficiența termică a ciclului este întotdeauna <1,и мог бы быть равен 1, если бы q1=
3 Teorema lui Carnot: "Într-un proces circular închis, căldura poate fi transferată la funcționarea mecanică numai în prezența unei diferențe de temperatură între disipatoarele de căldură și chiuvetele. Cu cât este mai mare această diferență, cu atât este mai mare eficiența ciclului motorului termic. "
Figura 4.1 - Ciclul circular al motorului termic
Extinderea mediului de lucru are loc la o temperatură mai scăzută decât comprimarea și lucrarea de extindere este obținută mai puțin decât lucrările de compresie. Un astfel de proces poate fi realizat numai cu cheltuiala muncii externe.
În ciclul invers din receptoarele de căldură este furnizat rt. încălzire specifică
. Fără a cheltui lucrul de la sine, o astfel de tranziție nu este posibilă.
Gradul de perfecționare a ciclului invers este determinat de așa-numitul. coeficientul de răcire al ciclului.
4 Ciclu reversibil direct Carnot.
Figura 4.3 - Ciclul direct Carnot
Se compune din 2 adiabate și 2 izoterme. În primul rând, în procesul de extindere izotermică, căldura este reversibil adusă la rt. de la un radiator cu o temperatură constantă. Apoi, în procesul de extindere adiabatică reversibilă, temperatura rt ↓ la temperatura receptorului de căldură. Mai departe, în procesul izotermic reversibil la temperatura recipientului de căldură, căldura este îndepărtată din rt. pentru el. Procesul de închidere este un proces adiabatic în care temperatura rt. ↑ înainte de inițierea și r.t. revine la starea inițială.
Pentru întregul ciclu de r.t. o cantitate specifică de căldură q1 a fost raportată de la chiuveta de căldură, iar o cantitate specifică q2 a fost redirecționată către receptorul de căldură.
Având în vedere acest lucru și fie
2.
3.
4.
Figura 4.4 - Ciclu invers carot
Ciclul Carnot poate curge nu numai într-o direcție înainte, ci și în direcția opusă. O mașină care funcționează pe un ciclu invers este numită mașină de răcire. Din punctul inițial 1 PT se extinde de-a lungul adiabatului (1-2), iar în acest caz
5 Expresia matematică a celei de-a doua lege a termodinamicii
Să analizăm separat expresia celei de-a doua legi pentru ciclurile reversibile și ireversibile.
Pentru ciclurile reversibile:
Din expresia eficienței rezultă că
Această ieșire poate fi utilizată pentru orice ciclu. Împărțim acest ciclu prin adiabate într-un număr infinit de mari de cicluri elementare și fiecare ciclu poate fi considerat un ciclu elementar Carnot. Ecuația (4.1) este valabilă pentru fiecare ciclu elementar și pentru întregul ciclu arbitrar
Ecuația (4.2) derivată de la Clausius reprezintă expresia matematică a celei de-a doua legi a termodinamicii și se numește primul integral al lui Clausius.
Pentru cicluri ireversibile:
Trebuie avut în vedere că eficiența unui ciclu ireversibil este întotdeauna mai mică decât cea reversibilă, adică
prin urmare
Din ultima ecuație rezultă că căldura algebrică este mai mică decât zero sau
Această ieșire poate fi utilizată pentru orice ciclu. Împărțim acest ciclu prin adiabate într-un număr infinit de mari de cicluri elementare și fiecare ciclu poate fi considerat un ciclu elementar Carnot. Ecuația (4.3) este valabilă pentru fiecare ciclu elementar și pentru întregul ciclu arbitrar
Ecuația (4.4) derivată de la Clausius reprezintă expresia matematică a celei de-a doua legi a termodinamicii și se numește primul integral al lui Clausius.
Se unesc ecuațiile (4.2) și (4.4) și se obțin
Ecuația (4.5) este expresia generală a celei de-a doua legi a termodinamicii. Semnul de egalitate se referă la ciclurile reversibile și inegalitățile la ciclurile ireversibile.
1. Care sunt unele formulări ale celei de-a doua lege a termodinamicii?
2.Care este eficiența termică?
3.Ce este coeficientul de răcire?
4. Ce implică teorema Carnot?
5. Ce procese sunt ciclul Carnot direct?
6. Ce procese are ciclul invers Carnot?
7. De ce eficiența termică nu poate fi mai mult decât una?
8. Descrieți primul integral al lui Clausius?
9. Descrieți cel de-al doilea integral al lui Clausius?
10.Ce este căldura redusă?
Articole similare
-
Prezentarea pe tema interbreidării dihidrice a celei de-a treia legi Mendel
-
Prezentare pe această temă - crossbreeding dihybrid - descarcă gratuit prezentări despre biologie
Trimiteți-le prietenilor: