Первое начало термодинамики в применении к тепловым машинам

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ,

ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ

СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ

УРАЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ

 

 

Кафедра физики и теплообмена

 

 

Дисциплина:

ТЕПЛОТЕХНИКА

 

Л Е К Ц И Я

 

ТЕМА 4: ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

 

 

Автор:

д.ф.-м.н., профессор П.В. Скрипов

 

 

Екатеринбург 2006

Цели лекции:

 

Учебные: Дать качественные формулировки второго начала термодинамики и его математическую запись; познакомить с принципиальной схемой теплового двигателя и циклом Карно.

 

Воспитательные: Воспитывать стремление к углубленному изучению предмета; прививать убежденность в практической значимости получаемых в лекционном курсе знаний.

 

Развивающие: Развивать способность творчески воспринимать и конспектировать предоставляемый материал; развивать навыки самостоятельной аналитической работы, умение выделять главное, проводить сопоставление и обобщение.

 

Метод проведения: лекция

Время занятия: 80 минут

Место проведения: аудитория

Материальное обеспечение: раздаточный материал с представлением основных соотношений и графиков

 

ЛИТЕРАТУРА:

1. Теплотехника: Учебник для вузов / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт и др.; под ред. А.П. Баскакова. 2-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1991. 224 с.

2. Техническая термодинамика: Учебное пособие / В.Н.Королёв, Е.М.Толмачёв. Екатеринбург: УГТУ, 2001. 180 с.

 

ПЛАН ЛЕКЦИИ:

1. Введение. Качественные формулировки второго начала термодинамики

2. Принципиальная схема теплового двигателя.

3. Термический коэффициент полезного действия.

4. Цикл Карно. Термический КПД цикла Карно.

5. Равенство Клаузиуса.

6. Энтропия.

7. Неравенство Клаузиуса.

Математическое выражение второго начала термодинамики.

Предварительные определения

Источник тепла - резервуар энергии, могущий отдавать или получать её в форме тепла, не меняя при этом своей температуры.

Верхний источник тепла (или теплоотдатчик) - резервуар энергии, могущий отдавать её в форме тепла при постоянной температуре.

Нижний источник тепла (или сток тепла, или теплоприёмник) – резервуар энергии, могущий принимать её в форме тепла при постоянной температуре.

Тепловой двигатель (тепловая машина) - искусственно созданное устройство, позволяющее неопределённо долго получать полезную работу за счёт затраты энергии в форме тепла от одного или многих теплоотдатчиков.

Рабочее тело - вещество, непосредственно участвующее в превращении теплоты в работу в тепловой машине.

Первое начало термодинамики в применении к тепловым машинам

Ввиду конечности размеров любого теплового двигателя рабочее тело в нём по необходимости должно периодически проходить через одни и те же термодинамические состояния, т.е. совершать цикл. Интегрирование математического выражения I начала термодинамики вдоль замкнутого контура (по циклу) даёт

(4.1)

Не равные нулю интегралы по замкнутому контуру от неполных дифференциалов обозначим соответственно . Интеграл же по замкнутому контуру от полного дифференциала внутренней энергии равен, очевидно, нулю. Таким образом, I закон термодинамики в применении к тепловым двигателям даёт

(4.2)

Этот результат есть математическое следствие невозможности вечного двигателя первого рода, т.е. полезная работа в тепловом двигателе в точности эквивалентна количеству поглощённого рабочим телом тепла.