Термодинамические процессфы в диаграммах p-V, t-s
5.5. Цикл карно
p
3
4
2
р
1
1 v
lц
T
3 4
2
2 1
s
с d v
В соответствии с первым началом термодинамики для процессов 1 – 2 и 2 – 1 имеем соответственно q1 = l1 + ∆u и - q2 = - l2 - ∆u. Сложив эти уравнения, получим
q1 - q2 = l1 - l2 = lц. Это уравнение справедливо при получении с помощью машины, работающей по замкнутому циклу 1 – 2 – 1, полезной работы.
Эффективность такой машины определяется с помощью её термического КПД:
ηt = (q1 - q2)/ q1 = lц/ q1 (а)
Если учесть, что q1 = Т1(s4 – s3), а q2 = Т2(s1 – s2), то термический КПД цикла Карно в соответствии с отношением(а) будет
ηt = 1 – (Т2(s1 – s2) /(Т1(s4 – s3))
ηt = 1 – Т2/Т1(б)
Соотношение (б) позволяет сделать очень важные для изучения термодинамики и теории тепловых машин выводы:
ηt определяется только значениями температур теплоотдатчика и теплоприёмника, повышаясь соответственно при увеличении температуры теплоприёмника и при уменьшении температуры теплоотдатчика.
ηt никогда не равен 1, так как температуры теплоотдатчика и теплоприёмника не могут достигать соответственно величин Т1 = ∞, а Т2 = 0. Отсюда следует, что только часть теплоты теплоотдатчика может быть превращена в работу.
ηt = 0 при Т1 = Т2(постулат Томсона)
ηt не зависит от свойств рабочего тела, так как определяется только отношением q или Т.
ηt зависит от Т2, являющейся обычно температурой окружающей среды, которая, в отличие от Т1 обычно изменяется незначительно. Поэтому величина ηt в основном определяется значениями Т1, которые варьируются в тепловых процессах в широком диапазоне.
Круговые процессы
Непрерывное превращение теплоты в работу(или работы в теплоту, холод) может быть осуществлено только с использованием замкнутых(«круговых») прямых циклов(по часовой стрелке(или обратных - против часовой стрелки).
На рис. представлены замкнутые круговой и циклический регенеративный (обобщённый Карно) циклы.
Классическая формулировка второго начала термодинамики, в соответствии с постулатом Клаузиуса, - теплота не может переходить от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой без компенсации.
Если в соответствии с 1 началом(законом сохранения и превращения энергии) отвергается возможность создания вечного двигателя, то в соответствии со 2 началом отвергается возможность создания вечного двигателя второго рода как тепловой машины непрерывного действия, которая бы осуществляла преобразование подводимой в неё теплоты без компенсации в полезную работу.
Создание вечного двигателя второго рода невозможно в связи с требованием оснащения этого двигателя низкопотенциальным приёмником теплоты, в качестве которого в земных условиях выступает окружающая среда: атмосфера, гидросфера, литосфера, космос, имеющие фиксированные значения температуры.
В соответствии с постулатом Томсона(Кельвина) получение работы только в процессе охлаждения высокопотенциального источника невозможно. Для этого требуется также использование других термодинамических процессов, действий, которые достигаются путём создания конкретных конструкций машин, обеспечивающих работу по замкнутым(круговым, дискретным) циклам. При совершении же любого замкнутого цикла только часть подведенной в цикл энергии в форме теплоты может быть преобразована в работу.
Последнее связано с понятиям обратимости и необратимости тепловых процессов и циклов.
Обратимые процессы и циклы совершаются в условиях термодинамического равновесия с окружающей средой. Обратимые процессы бывают:
термические, когда обмен теплотой между телом и ОС осуществляется при бесконечно малом изменении температуры;
механические, когда обмен работой между телом и ОС осуществляется при бесконечно малом изменении давления и полностью обратимые, когда обмен теплотой и работой между телом и ОС осуществляется соответственно при бесконечно малом изменении температуры и давления.
Необратимые(все реальные) процессы, как тепловые, так и механические, сопровождаются диссипацией, деградацией, утратой части теплоты или работы.
При термически необратимых процессах деградирует теплота и снижается её количество для превращения в полезную работу.
При механически необратимых процессах деградирует, превращаясь в теплоту, получаемая работа, и только часть её может быть превращена в полезную работу.
На приведенных ниже рисунках работа, затрачиваемая в процессе адиабатического сжатия, всегда будет больше работы адиабатического расширения, а полученная разность работы сжатия и расширения равняется выделенной в результате теплоте. Появление теплоты однозначно характеризует наличие необратимого процесса, т.е. утрату части подведенной в процесс работы.
СЖАТИЕ РАСШИРЕНИЕ
l1
l2
l1
> l2
р
T
q
ц
lц
v1 v2 v s1 s2 s