Теплотехника - [14]
На практике самопроизвольные процессы (переход тепла от горячих к холодным телам, диффузии, явления растворения и многие другие) являются необратимыми. Поэтому существует еще одна формулировка второго закона термодинамики: «Если реальный процесс является самопроизвольным, то он необратим».
35. Термодинамический КПД и холодильный коэффициент циклов
Источники, имеющие высокую температуру (Т>1) и отдающие теплоту рабочему телу, называются теплоот-датчиками. Источники, имеющие низкую температуру (Т>2) и получающие теплоту от рабочего вещества, называются теплоприемниками.
На РУ-диаграмме полезная работа кругового процесса равна площади, образованной кривыми прямого и обратного хода процесса и заключенной внутри цикла. Если на графике линия расширения расположена над линией сжатия, направление цикла происходит по часовой стрелке и произведенная в процессе работа потребляется внешними устройствами, такой цикл является прямым. Если на диаграмме линия сжатия расположена выше линии расширения, направление цикла происходит против часовой стрелки и работа совершается с помощью внешнего источника, такой цикл является обратным.
Полезную работу двигателя возможно получить только в случае, когда работа расширения больше работы по сжатию. Преобразование теплоты в механическую работу является несамопроизвольным процессом и обязательно должно сопровождаться компенсацией.
Тепловые устройства считаются идеальными, если в них нет потерь. Цикл также считается идеальным, если образован только обратимыми явлениями. В тепловых двигателях оценку экономичности идеального прямого цикла называют термическим коэффициентом полезного действия. Он равен отношению теплоты, которая преобразовалась в ходе цикла в работу, ко всей подведенной теплоте и обозначается h>t(«эта», греческая буква):
где 1>ц– полезная работа;
q1 – подведенная теплота;
q>2– отведенная теплота. Внешняя работа при обратном цикле равна:
1>ц = q>1 – q>2,
где q>1– отведенная теплота к горячему источнику;
q>2– отведенная теплота от холодного источника.
Для обратного идеального цикла существует термин холодильного КПД, который обозначается χ>t:
Можно сформулировать второй закон термодинамики таким образом: «В тепловом двигателе преобразование теплоты в механическую работу на 100% невозможно».
36. Обратный и обратимый цикл Карно
В термодинамических исследованиях практическое применение получило не только прямое, но и обратное направление цикла Карно. Отличие обратного цикла заключается в том, что теплота отводится от источника с низкой температурой и отдается источнику с высокой температурой. Такой цикл является идеальным для холодильных агрегатов.
Рабочее тело, участвующее в обратном цикле, называется холодильным агентом. При адиабатическом расширении температура снижается от значения 71 до величины Т>тПосле этого при получении теплоты Я2 от холодного источника (Т2) газ изотермически сжимается. В следующем процессе происходит адиабатическое сжатие, и температура рабочего тела повышается от значения Т>2до величины Т>1. При изотермическом сжатии теплота q>1отнимается от рабочего вещества и переходит к горячему источнику.
Холодильная машина работает по обратному циклу, на создание которого тратится удельное количество работы (I). В этом случае от холодного к горячему источнику передается q>2(количество теплоты), а горячий источник еще получает теплоту, численно равную произведенной работе I. Таким образом, полное количество теплоты, отведенное к горячему источнику, равно:
q>1 = q>2 + 1
Работа в процессе расширения положительна, а работа в процессе сжатия отрицательна. Полная работа, необходимая для передачи теплоты от холодного к горячему источнику, равна:
I = q>1 – q>2
и отрицательна.
Холодильный коэффициент e характеризует производительность работы холодильных устройств и определяется отношением:
где q>2– количество теплоты, отведенной от холодного источника и полученной горячим источником;
I – совершенная работа.
Для обратного и обратимого цикла Карно холодильный коэффициент вычисляется с помощью соотношения:
37. Теорема Карно
Проведем краткий анализ формулы для термине-ского КПД обратимого прямого цикла Карно:
Из данного равенства следует:
1) термический КПД зависит только от значений температур горячего и холодного источников;
2) h>t(для цикла Карно) тем больше, чем выше температура горячего источника (71) и чем ниже температура холодного источника (72);
3) в цикле Карно термический КПД обязательно должен быть меньше единицы. Так как h>t= 1 может быть только в случае T>2 / T>1 = 0, когда T>1 = 0, либо T>2 = 0 (или T>2 = -273,15 >oC). Температура холодного источника 72 в реальных тепловых двигателях представляет собой обычно температуру T>2 = 260 – 300 K (окружающей среды). Температура нагревателя в топке паросиловых установок равна примерно 2000 К, а в двигателях внутреннего сгорания – около 2500 К, так как в поршневых цилиндрах этих двигателей стенки охлаждаются, и рабочим веществом становятся именно продукты сгорания. Отсюда вытекает то же утверждение, что всю теплоту, подведенную к газу в ходе цикла, нельзя полностью превратить в полезную работу, этот переход обязательно должен сопровождаться потерей части теплоты (она поглощается холодным источником);
