Тепловые машины. Второе начало термодинамики. Принцип работы тепловых машин

Тепловой машиной называется периодический действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне тепла.   

Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами.

Из 1 закона термодинамики, полученное газом количество теплоты Q полностью превращается в работу A при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной (Δ U = 0):

Круговой процесс на диаграмме (p, V). abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия. Работа A в круговом процессе равна площади фигуры abcd .

Полная работа за цикл A = A ₁ + A ₂ на диаграмме (p, V) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.

 Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q ₁> 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q ₂ <0. Полное количество теплоты Q, полученное рабочим телом за цикл:

При обходе цикла рабочее тело возвращается в первоначальное состояние (изменение его внутренней энергии равно нулю (Δ U = 0)). Из 1 закона термодинамики:

Работа A, совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q.

Отношение работы A к количеству теплоты Q ₁, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия η тепловой машины:

Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η <1)

Ø Прямой цикл используется в тепловом двигателе – периодически действующей тепловой машине, совершающей работу за счет полученной извне теплоты.

Принцип действия: От термостата с более высокой температурой Т₁ (нагреватель) за цикл отнимается количество теплоты Q₁, а термостату с более низкой температурой Т₂ (холодильник) за цикл передается количество теплоты Q₂ и совершается работа A:

Ø Обратный цикл используется в холодильных машинах – периодически действующих установках, в которых за счет работы внешних сил теплота переносится к телу с более высокой температурой.

Принцип действия: Системой за цикл поглощается при низкой температуре T₂ количество теплоты Q₂ и отдается при более высокой температуре Т₁ количество теплоты Q₁ за счет работы внешних сил А.