6. Второй закон термодинамики

1. Термодинамические циклы тепловых машин. Прямые и обратные циклы, обратимые и необратимые

В термодинамическом процессе работу можно получить в двух случаях: вследствие подведенной теплоты или вследствие изменения внутренней энергии рабочего тела. При любом процессе расширения газа в цилиндре наступает момент, когда температура и давление рабочего тела станут равными температуре и давлению окружающей среды, и на этом прекратится получение работы. Следовательно, для повторного получения работы необходимо возвратить рабочее тело в первоначальное состояние в процессе сжатия. Если рабочее тело расширяется, по кривой 1-3-2 (рис.6.1), то оно производит работу, изображенную на vP-диаграмме площадью 1-3-2-4-5-1.

Рис. 6.1. К выбору кругового процесса

При достижении точки 2 тело должно быть возвращено в начальное состояние - точку 1 - для того, чтобы снова начало совершать работу. Процесс возвращения тела в начальное состояние может быть осуществлен тремя путями:

1. Кривая сжатия 2-3 совпадает с кривой расширения 1-3-2. В этом случае вся полученная работа при расширении (пл. 1-3-2-4-5) равна работе сжатия (пл. 2-3-1-5-4) и положительная работа равна 0.

2. Кривая сжатия 2-6-1 располагается под линией расширения. При этом на сжатие затрачивается большее количество работы, чем ее будет получено при расширении (пл.2-6-1-5-4 больше пл. 1-3-2-4-5).

3. Кривая сжатия 2-7-1 располагается над линией расширения 1-3-2. В этом процессе работа расширения будет больше работы сжатия, т.к. пл. 1-3-2-4-5 больше пл. 2-7-1-5-4. В результате будет совершена положительная работа, равная пл. 1-3-2-7-1, внутри замкнутой линии кругового процесса или цикла.

Повторяя цикл неограниченное число раз, можно за счет подводимой теплоты получить любое количество работы.

Цикл, в результате которого получается положительная работа, называется прямым циклом, или циклом теплового двигателя; в нем работа расширения больше работы сжатия.

Цикл, в результате которого расходуется работа, называется обратным циклом; в нем работа сжатия больше работы расширения. По обратным циклам работают холодильные установки.

Цикл, состоящий из равновесных обратимых процессов, будет обратимым. Рабочее тело в таком цикле не должно подвергаться химическим изменениям.

Если хоть один из процессов, входящих в состав цикла, является необратимым, то и весь цикл будет необратимым.

Результаты исследований идеальных циклов могут быть перенесены на действительные, необратимые процессы тепловых машин путем введения опытных поправочных коэффициентов.

2. Термический кпд и холодильный коэффициент циклов

Результирующая работа цикла определяется разностью работ расширения l₁ и сжатия l₂, так что при l₁ l ₂ и l _ц 0. Экономичность работы двигателя тем выше, чем больше работа l_ц, полученная при заданном подводе теплоты q₁.

Отношение количества теплоты, превращенной в положительную работу за один цикл, ко всей теплоте, подведенной к рабочему телу, называется термическим коэффициентом полезного действия прямого цикла.

(6.1)

Значение t является показателем совершенства цикла теплового двигателя.Таким образом, в замкнутом круговом процессе теплота может превратиться в механическую работу только при наличии разности температур между теплоотдатчиком и теплоприемником. Чем больше эта разность, тем выше КПД цикла теплового двигателя.

В обратном цикле от холодного источника с температурой к рабочему телу подводится теплотаи затрачивается работа lц, переходящая в равное количество теплоты, которые вместе передаются горячему источнику с температурой:

. (6.2)

Степень совершенства обратного цикла определяется холодильным коэффициентом цикла:

(6.3)

Холодильный коэффициент показывает, какое количество теплоты отнимается от холодного источника при затрате одной единицы работы.