Обратимые и необратимые процессы. Круговые процессы (циклы) и их изображение на термодинамической диаграмме. Принцип Томпсона. Тепловые двигатели и холодильные машины.

Обратимые и необратимые процессы.

Обратимые и необратимые процессы, пути изменения состояния термодинамической системы. Процесс называют обратимым, если он допускает возвращение рассматриваемой системы из конечного состояния в исходное через ту же последовательность промежуточных состояний, что и в прямом процессе, но проходимую в обратном порядке. При этом в исходное состояние возвращается не только система, но и среда. Обратимый процесс возможен, если и в системе, и в окружающей среде он протекает равновесно. При этом предполагается, что равновесие существует между отдельными частями рассматриваемой системы и на границе с окружающей средой. Обратимый процесс - идеализированный случай, достижимый лишь при бесконечно медленном изменении термодинамических параметров. Скорость установления равновесия должна быть больше, чем скорость рассматриваемого процесса. Если невозможно найти способ вернуть и систему, и тела в окружающей среде в исходное состояние, процесс изменения состояния системы называют необратимым.

Необратимые процессы могут протекать самопроизвольно только в одном направлении; таковы диффузия,теплопроводность, вязкое течение и другое

Циклы и их изображение.

Ряд последовательных термодинамических процессов, представляющих собой один замкнутый, называется круговым термодинамическим процессом или циклом.

При однократном расширении газа в цилиндре можно получить лишь ограниченное количество работы, так как при любом процессе расширения все же наступит момент, когда температура и давление рабочего тела станут равными температуре и давлению окружающей среды и на этом прекратится получение работы. Для повторного получения работы необходимо осуществить процесс сжатия и возвратить рабочее тело в первоначальное состояние. Таким образом, для непрерывного производства работы рабочее тело должно участвовать в круговом термодинамическом процессе (рис.1).

 

Рис. 1

 

Циклы могут быть обратимыми, состоящими из обратимых процессов, и необратимыми. В основе анализа эффективности современных тепловых машин лежат обратимые циклы, т.е. идеальные циклы, не учитывающие потери на трение и т.д.

Циклы подразделяются на прямые и обратные. Прямыми называются циклы, в которых теплота преобразуется в работу, обратными – в которых теплота передается от более холодного тела к более нагретому. При изображении циклов на термодинамических диаграммах последовательный обход процессов в прямом цикле происходит по часовой стрелке (см. рис.1), в обратном цикле – против часовой стрелки.

Для всех циклов очевидным является условие:

,

так как цикл начинается и заканчивается в одной точке.

Тогда первый закон термодинамики для цикла запишется следующим образом:

,

где Q_ц – теплота, участвующая в цикле, равная алгебраической сумме количеств теплоты для каждого процесса; L_ц – работа цикла (цикловая работа), равная соответственно алгебраической сумме работ в каждом процессе.

 

Прямой цикл. Прямой цикл – это цикл двигателя. В этом цикле происходит преобразование теплоты в механическую работу (рис.2).

 

 

Рис.2

 

В процессе 1а2 к рабочему телу от горячего источника температурой Т₁ подводится теплота Q₁ и совершается положительная работа. В процессе 2b1 от рабочего тела к холодному источнику температурой Т₂ отводится количество теплоты Q₂ и совершается отрицательная работа. Количество работы в процессе расширения L_1a2 , больше, чем работа сжатия L_2b1, и цикловая работа будет положительна и равна:

.

На рисунке работа цикла изображается площадью фигуры пл.1-а-2-b-1.

В соответствии с первым законом термодинамики для цикла:

.

Для оценки эффективности преобразования теплоты в работу в прямом цикле используют термический коэффициент полезного действия (КПД), под которым понимают отношение работы, полученной в цикле, к затраченной теплоте:

.

Таким образом, термический КПД показывает какая часть теплоты, подведенной к циклу от нагревателя, превращена в полезную работу. Согласно второму закону термодинамики эта величина всегда меньше единицы (<100%).

Обратный цикл. Обратный цикл служат для производства холода или теплоты. В нем рабочее тело переносит теплоту от холодного источника к горячему. Для совершения такого несамопроизвольного процесса затрачивается работа цикла. Обратные циклы реализуются в холодильных машинах и тепловых насосах (рис.3).

 

 

Рис.3

В процессе расширения 1а2 температура рабочего тела ниже Т₂,в результате чего от холодного источника к рабочему телу передаётся количество теплоты Q₂. В процессе сжатия 2в1 температура рабочего тела выше Т₁ и горячему источнику от рабочего тела передаётся количество теплоты Q₁. Так как на процесс сжатия работы затрачивается больше и она отрицательна, работа цикла будет равна:

.

Первый закон термодинамики имеет вид:

.

Для оценки работы холодильных машин применяется так называемый холодильный коэфф ициент, определяемый отношением полезной теплоты Q₂, отнятой от холодного источника ограниченной емкости, к затраченной работе:

.

В холодильной машине теплота Q₁ выбрасывается в окружающую среду – источник неограниченной емкости.

Машины, основным продуктом производства которых является теплота Q₁, передаваемая в источник ограниченной емкости, называются тепловыми насосами. Эффективность работы в этом случае оценивается отопительным коэффициентом, представляющим собой отношение теплоты Q₁, переданной потребителю, к затраченной работе:

.

В цикле теплового насоса теплота Q₂ отбирается от источника неограниченной емкости (например, атмосфера).

Значения холодильного и отопительного коэффициентов могут изменяться в широких пределах 0 ≤ ε,φ < ∞.

 

Принцип Томпсона.

Исторически открытие второго закона термодинамики связано с изучением вопроса о максимальном коэффициенте полезного действия тепловых машин. В связи с этим одна из формулировок второго начала принадлежит Томсону (лорд Кельвин). Он утверждал: "Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара".

Тепловые двигатели и холодильные машины.

Тепловой двигатель - это периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет полученной извне теплоты.

Термостатом называется термодинамическая система, которая может обмениваться теплотой с телами практически без изменения собственной температуры.

Рабочее тело - это тело, совершающее круговой процесс и обменивающееся энергией с другими телами.

Принцип работы теплового двигателя: от термостата с более высокой температурой T₁, называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты Q₁, а термостату с более низкой температурой T₂, называемому холодильником, за цикл передается количество теплоты Q₂. При этом совершается работа A=Q₁-Q₂ (рис. 18).

 

Рис 18. Схема теплового двигателя и холодильной машины

 

Термический КПД двигателя:

 

η=A/Q₁=(Q₁-Q₂)/Q₁=1-(Q₂-Q₁)

 

Чтобы КПД был равен 1, необходимо, чтобы Q₂=0, а это запрещено вторым началом термодинамики.

Процесс, обратный происходящему в тепловом двигателе, используется в холодильной машине: от термостата с более низкой температурой T₂ за цикл отнимается количество теплоты Q₂ и отдается термостату с более высокой температурой T₁. При этом Q=Q₁-Q₂=A или Q₁=Q₂+A.

Количество теплоты Q₁, отданное системой термостату T₁, больше количества теплоты Q₂, полученного от термостата T₂, на величину работы, совершенной над системой.

Эффективность холодильной машины характеризует холодильный коэффициент η' - отношение отнятой от термостата с более низкой температурой количества теплоты Q₂ к работе A, которая затрачивается на приведение холодильной машины в действие:

 

η'=Q₂/A=Q₂/(Q₁-Q₂). (69)