Уравнение энергетического баланса и безвозвратная потеря энергии при необратимых процессах.

 

Известное нам из 1-го закона термодинамики уравнение энергобаланса, выражающее собой “принцип неуничтожимости” энергии в ее общефизическом смысле справедливо как для обратимых, так и для необратимых термодинамических процессов. Однако этого нельзя сказать об энергии термодинамической системы в условиях необратимых процесссов.

                                             

                                                   еха= Di+Т0(S0-Sa)                                              (*)

 

В необратимых т.д. процессах, как мы уже заметили, наблюдается увеличение энтропии системы. Одновременно с этим термическая энергия, будучи энергией энтропийного типа, качественно ухудшается, уменьшается энергия системы (см.*) и как следствие увеличивается потеря полезно работы.

Выполняемая при необратимом процессе техническая работа lн становится меньше располагаемой суммы перепада энергии системы (еха-ех0) и работоспособности подводимой из вне теплоты ехq(3.11 стр.94).:

                             

                                                        l¹н<(еха-ех0)+ехq                           (3.19.)

 

Налицо безвозвратная потеря энергии и полезной работы вследствии необратимости процесса. Такая безвозвратная потеря энергии может быть определена из базисной формулировки понятия энергии (*)

 

Di-неизменяется(ia-i0), а связана она только с возрастанием энтропии системы

                                                  Пех=Т0´DSc                                                (3.20.)

Величина безвозвратной потери энергии термодинамической системы равна произведению абсолютной температуры окружающей cреды Т0 на величину приращения энтропии системы DSc обусловленную необратимостью процесса.(DSc определяется в зависимости от причин необратимости см. стр.100-101).

 

Таким образом, уравнение энергетического баланса для необратимых термодинамических процессов примет вид:

    

                                                 l¹=(ех1-ех2)+ехq-Пех                                     (3.21.)

 

При необратимых термодинамических процессах располагаемая техническая

работа равна сумме перепада энергии системы в процессе и работоспособности проводимой теплоты за вычетом безвозвратных потерь энергии вследствии необратимости процесса.

 

Безвозвратные потери энергии термодинамической системы вследствии необратимости процессов можно проиллюстрировать в Т-S диаграмме.

  

Пусть мы имеем 2 процесса, протекающих от температуры Та до Тв с одинаковым подводом тепла(одно и то же количество). Процесс а-вt-обратимый, а процесс а-в-необратимый.

  

Возьмем температуру окружающей Среды и построим циклы, используя обратимые адиабаты расширения вt-ct; b-c; адиабаты сжатия d-a и изотермы

сt-d и с-d.

  

Полученный цикл а-вt-сt-d-а является обратимым и обеспечивает выполнение полезной работы dl0. После его выполнения в окружающую среду отводится теплота Т0´dSR. В необратимом цикле а-в-с-d-а в окружающую среду отводится теплотаТ0dS=T0 dSR+Т0´dSc, большая чем в обратимом на величину

Т0´dSc. Хотя тепла сообщается одинаково.

  

Именно на эту величину работа необратимого процесса будет меньше чем в обратимом.

  

Таким образом: Необратимость процессов в реальных двигателях приводит к увеличению энтропии, потере энергии, располагаемой работы и снижению эффективности двигателя.

 

Эффективность работы двигателей, как мы с вами уже знаем, оценивается с помощью КПД. При этом одного термического КПД оказывается мало. Для оценки эффективности работы реальных двигателей существует целая система КПД.

  

 3.8. Система КПД для оценки эффективности тепловых машин.

 

Главное назначение тепловых машин это получение работы за счет теплоты. Причем расходуемое в тепловых двигателях тепло как правило является тепловым эффектом химической реакции горения топлива (исключение: ядерные реакторы, солнечные батареи).

 

 Согласно 2-му закону термодинамики теплота, вносимая в тепловой двигатель, может быть превращена в работу лишь частично, другая часть ее в принципе является неработоспособной (отдается в окружающую среду). Согласно теоремы Карно, достичь максимальной эффективности теплового двигателя возможно создавая большую разность температур (Т1-Т2) определяющих ехq и сводя до минимума потери на необратимость в двигателе Пех.

 

 Поэтому кроме термического КПД ht=  на различных стадиях исследования и анализа тепловых двигателей используется система взаимосвязанных КПД, общих для всех тепловых машин.

 

1. Термический КПД цикла.

                       Полезная работа идеального цикла            

hе= затрачиваемая теплота(теплота, сообщаемая рабочему телу      

                       тепловой машины)

 

ht характеризует эффективность идеального цикла и учитывает только потерю теплоты q2 в теплоприемник. Все остальные потери: на наобратимость, механические потери и т.д. он не учитывает.

 

 2. Эффективный КПД теплового двигателя.

 

эффективная работа, т.е.работа развивается на валу двигателя

hе затрачиваемая теплота(теплота, сообщаемая рабочему телу                       тепловой машины)

 

hе характеризует эффективность реального теплового двигателя и учитывает все возможные потери.

                                         lе< l0 => hе< ht

 

Эффективный КПД двигателя может быть представлен других КПД, учитывающих различные потери:

                                                          hе=ht ´h0i´hm

В данное выражение вхожят: уже известный нам термический КПД (эффективность идеального цикла и потери q2) и два других: h0i - относительный внутренний КПД и hm-механический, с которым мы сейчас и разберемся.

  

3. Относительный внутренний КПД.

         

          

h0i=

    

h0i- учитывает явление необратимости термодинамических процессов в реальном двигателе.

      

Из-за необратимости li<l0 => h0i<1.

(li- работа с учетом потерь на необратимость).

 

4. Механический КПД двигателя.

                     

       hm=

 

hm- учитывает потери на терние в машине, т.е. механические потери при передаче работы на вал машины.

 

Кроме перечисленных в практике используются и производные от названных коэффициенты полезного действия.

 

 5. Индикаторный КПД. (внутренний КПД).

            

 

hi=

 

hi-характеризует эффективность реального термодинамического процесса протекающего в цилиндре двигателя.

               hi=

 

 6. Относительный эффективный КПД.

 

h0е=   (домонжим на li числитель и знаменатель)

 

h0е - учитывает потери в реальном двигателе связанные с необратимостью Т.Д.П. и механические потери при пердаче работы на вал машины.

 

Исходя из рассмотренного нами широкого спектора оценочных КПД, характеризующих эффективность работы реальных тепловых двигателей, можно получить 2 выражения для эффективного КПД учитывающего все возможные потери в тепловой машине.

 

                           hе=hi hm                                                                               (1)

                           he=ht  h0e                                                                              (2)

(база he=ht  h0i hm  т.к. ht  h0i получим(1), а т.к. h0i hm=h0e второе)

 

Выражение (1) исползуется для оценки эффективности работы поршневых двигателей, а выражение (2) для турбомашин.