Простейшие процессы изменения состояния

13 14 15 16 17 18 19

1) Изохорный процесс

Может проходить только в замкнутом пространстве постоянного объёма при подводе или отводе тепла.

Условия протекания ,

Изображение процесса на р-

диаграммах

– соотношение между параметрами;

=0 – термодинамическая работа;

– потенциальная работа;

= – тепло процесса, изменение удельной внутренней энергии;

–изменение удельной энтальпии;

–изменение удельной энтропии;

–тепло процесса для m ;

– потенциальная работа процесса для m кг рабочего тела.

2) Изобарный процесс

Условия протекания р=const, w=0

Аналогично изохорному процессу

– соотношение параметров;

;

изображение процесса на р –

и Т– s диаграммах

;

; ;

;

3) Изотермический процесс

Условия протекания Т=const, ,

Соотношение между параметрами

;

изображение процесса на р– и Т–s диаграммах

;

4) Адиабатный процесс

–уравнение процесса;

соотношение между параметрами на адиабате ;

изображение процесса на р– и Т– s диаграммах

термодинамическая работа– =u₁–u₂= =

;

; .

1.7.3. Политропные процессы

ТЕМА 1.8 КРУГОВЫЕ ПРОЦЕССЫ (ЦИКЛЫ)

Обратимые и необратимые циклы

Важнейшим понятием термодинамики является понятие об обратимых и необратимых процессах. Обратимый процесс – при его совершении в прямом и обратном направлениях ТС возвращается в исходное

состояние и при этом в окружающей среде не происходит никаких изменений. Это значит, что при совершении прямого процесса из точки 1 в точку 2 затрачивается тепло Q, но и при совершении обратного процесса из точки 2 в точку 1 отводится это, же Q. В этом случае мы не можем получить полезной работы. В реальных процессах ТС не может вернуться в исходное состояние при совершении обратимого процесса.

Круговыми процессами или циклами называют непрерывную последовательность термодинамических процессов, в результате которых рабочее тело возвращается в исходное состояние, а в окружающей среде происходят изменения.

Различают прямой и обратный термодинамические циклы.

Прямой цикл – цикл, в котором работа производится за счёт подводимого тепла. В нём к рабочему телу подводится большее количество тепла Q₁ при большей температуре Т₁, а отводится меньшее количество тепла Q₂ при меньшей температуре Т₂.

Особенности цикла:

–цикл осуществляется по часовой стрелке; – линии процессов расширения располагаются выше линий процессов сжатия;

– в цикле совершается полезная работа.

Обратный цикл – цикл, в котором к рабочему телу подводится меньшее

количества тепла Q₂ при меньшей температуре Т₂, а отводится большее количество тепла Q₁ при более высокой температуре Т₁. Особенности цикла: – цикл совершается против часовой стрелки;

– линии процессов расширения лежат ниже линий процессов сжатия; – для совершения цикла затрачивается внешняя работа.

Циклы в тепловых машинах осуществляются как периодически повторяющиеся процессы. Все тепловые машины можно разделить на два больших класса – тепловые двигатели и холодильные машины.

В тепловых двигателях используется прямой цикл, где осуществляется процесс превращения теплоты в работу. Полученная полезная работа представляет собой разность между подведённой и отведённой теплотами L=Q₁–Q₂, которая передаётся внешнему потребителю.

Качественной характеристикой тепловых двигателей является их термический коэффициент полезного действия (КПД). Он определяется как отношение полученной работы к затраченному количеству тепла (8.1) КПД цикла характеризует его совершенство: чем он больше, тем совершеннее цикл при подводе одного и того же количества тепла.

В холодильных машинах при совершении обратного цикла происходит охлаждение «холодного» источника. Качественной характеристикой холодильных машин является холодильный коэффициент (8.2)

Диаграммы циклов реальных двигателей и холодильных машин отличны от диаграмм обратимых циклов, прежде всего из-за различия температур рабочего тела и внешних источников теплоты.

Диаграмма рабочего цикла реального теплового двигателя (красного цвета) расположена внутри диаграммы обратимого цикла. Площади желтого цвета характеризуют величину необратимых потерь в процессах подвода и отвода тепла.

Диаграмма реальной холодильной машины расположена вне границ цикла обратимой холодильной машины (1-b-2-а-1)

Желтые площади на диаграмме – необратимые потери при подводе и отводе тепла.

Циклы тепловых машин, в которых исключены необратимые потери, называют термодинамическими. Введение понятия «обратимые процессы» весьма полезно: во-первых, в ряде случаев обратимые процессы близки к реальным процессам; во-вторых, степень необратимости реального процесса удобно определять экспериментально и рассматривать в отношении к обратимому процессу.

Расчёт обратимого процесса при этом не представляет особых сложностей.

Цикл Карно

В 1824 г. французский инженер С. Карно предложил обратимый цикл тепловых машин, осуществляемый между двумя источниками постоянных температур– нагревателем Т₁ и холодильником Т₂. В качестве рабочего тела в цикле используется идеальный газ. На всех стадиях цикла присутствует одно и то же количество газа.

Процесс 1-2 изотермический подвод тепла при Т₁;

процесс 2-3 адиабатное расширение от Т₁ до Т₂; процесс 3-4 изотермическое сжатие приТ₂; процесс 4-1 адиабатное сжатие от Т₂ до Т₁.

Площадь а-1-2-3-в-а – работа расширения;

площадь а-1-4-3-в-а – работа сжатия.

Определим КПД цикла

подвод и отвод тепла осуществляется изотермически тогда

(а)

для процесса 2-3

для процесса 4-1 тогда

подставим эти значения в уравнение (а)

(8.3)

аналогично (8.4)

Теорема Карно «Термический КПД цикла Карно не зависит от рода рабочего тела, а зависит от температур горячего и холодного источников теплоты». всегда не достижимо, т.к. должно быть или Т₁= или Т₂=0, что невыполнимо ни теоретически, ни практически. При Т₂=Т₁ .