Второй закон термодинамики

Программа.

Сущность второго закона термодинамики, его формулировки. Прямые и обратные термодинамические циклы. Прямой и обратный обратимые циклы Карно. Термический КПД и холодильный коэффициент цикла Карно. Теорема Карно.

Методические указания. Второй закон термодинамики указывает направление протекания самопроизвольных тепловых процессов в природе и определяет условия преобразования теплоты в работу, то есть устанавливает максимально возможную границу преобразования теплоты в работу в тепловых машинах. Прямой цикл Карно является «эталоном» при оценке совершенства любых циклов тепловых двигателей. В этом цикле работа расширения будет больше работы сжатия, то есть получается положительная работа. В обратном цикле Карно, наоборот, работа сжатия больше работы расширения: для передачи теплоты от источника с низкой температурой к источнику с высокой температурой расходуется работа. При изучении данной темы студент должен твердо усвоить следующее. Из-за того, что КПД цикла Карно всегда меньше единицы, не зависит от вида рабочего тела и имеет наибольшее значение по сравнению с КПД любых других циклов, ограниченных тем же интервалом температур, то:

• никакими новыми конструкциями тепловых двигателей или применением новых рабочих тел нельзя в цикле всю подведенную теплоту превратить в полезную работу;

• для увеличения КПД нужно стремиться к таким процессам, которые образуют цикл, чтобы средняя температура подвода теплоты была как можно больше, а средняя температура отвода теплоты – как можно меньше.

Характеристиками циклов являются:

термический КПД – для прямого цикла;

холодильный коэффициент (coefficient of performance) – для обратного цикла.

Циклы тепловых машин

Программа.

Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Рабочий процесс поршневого ДВС. Теоретические циклы ДВС с изохорным, изобарным и со смешанным подводом теплоты. Термический КПД циклов. Изображения циклов в p-v и T-s диаграммах. Анализ циклов. Способы повышения КПД.

Газотурбинные установки (ГТУ).Принципиальная схема, рабочий процесс и теоретический цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты, его изображение в p-v и T-s диаграммах. Термический КПД цикла. Способы повышения КПД газотурбинных установок.

Паросиловые установки (ПСУ). Принципиальная схема, рабочий процесс и теоретический цикл ПСУ (цикл Ренкина), его изображение в p-v, T-s и i-s диаграммах. Термический КПД цикла. Анализ цикла. Пути повышения эффективности ПСУ.

Холодильные машины. Принципиальная схема, рабочий процесс и теоретический цикл воздушной и паровой компрессорных холодильных машин, его изображение в p-v и T-s диаграммах. Холодопроизводительность и холодильный коэффициент цикла. Способы повышения эффективности компрессорных холодильных машин.

Понятие об абсорбционной и пароэжекторной холодильных машинах. Принципиальная схема и рабочий процесс. Преимущества и недостатки теплоиспользующих холодильных машин.

Тепловой насос, его назначение. Цикл теплового насоса. Коэффициент преобразования теплоты.

Методические указания. Прежде чем приступать к изучению этой темы, студент должен ясно себе представлять, что:

• тепловые машины могут работать по прямым циклам – такие машины называются двигателями (ДВС, ГТУ, РД, ПСУ) и по обратным циклам – холодильные машины и тепловые насосы;

• в тепловых машинах, рабочим телом может быть либо газ (продукты сгорания топлива в ДВС, ГТУ, воздуха в компрессорной холодильной машине), или пар (водяной пар в ПСУ, в пароэжекторной холодильной машине, хладоны в паровых компрессорных холодильных машинах). Соответственно первые называются газовыми, вторые – паровыми тепловыми машинами.

В тепловых машинах процессы сжатия и расширения из-за большой скорости можно приниматьадиабатными. Процессы подвода и отвода теплоты в тепловых машинах могут быть разные, но изотермический процесс – энергетически более выгоден.

Успешное усвоение этой темы невозможно без знаний термодинамических процессов идеальных и реальных газов.