КРУГОВЫЕ ПРОЦЕССЫ. ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ 1.Круговые обратимые и необратимые процессы 2. Тепловые машины 3. Цикл Карно (обратимый) 4. Работа и КПД цикла Карно. - презентация

1 КРУГОВЫЕ ПРОЦЕССЫ. ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ 1. Круговые обратимые и необратимые процессы 2. Тепловые машины 3. Цикл Карно (обратимый) 4. Работа и КПД цикла Карно 5. Необратимый цикл. Холодильная машина

2 1. Круговые обратимые и необратимые процессы Круговым процессом, или циклом, называется такой процесс, в результате которого термодинамическое тело возвращается в исходное состояние. 1-2 расширение газа А>0 2-1 сжатие газа A<0 Работа, совершаемая за цикл, определяется площадью, охватываемой кривой

3 Если за цикл совершается положительная работа (цикл протекает по часовой стрелке), то он называется прямым Если за цикл совершается отрицательная работа (цикл протекает против часовой стрелки), то он называется обратным

4 В результате кругового процесса система возвращается в исходное состояние и, следовательно dU = 0 Тогда первое начало термодинамики для кругового процесса Однако в результате кругового процесса система может теплоту как получать, так и отдавать, поэтому Q 1 – количество теплоты, полученное системой; Q 2 – количество теплоты, отданное системой Термический коэффициент полезного действия для кругового процесса

5 Все термодинамические процессы, в том числе и круговые, делят на две группы: обратимые и необратимые. Процесс называют обратимым, если он протекает таким образом, что после окончания процесса он может быть проведен в обратном направлении через все те же промежуточные состояния, что и прямой процесс. Процесс называется необратимым, если он протекает так, что после его окончания систему нельзя вернуть в начальное состояние через прежние промежуточные состояния

6 Свойством обратимости обладают только равновесные процессы Максимальным КПД обладают машины у которых только обратимые процессы. Реальные процессы сопровождаются диссипацией энергии

7 2. Тепловые машины Тепловой машиной называется периодический действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне тепла. Принцип действия тепловых двигателей

8

9 КПД тепловых двигателей

10 Идеальная тепловая машина Наибольшим КПД при заданных температурах нагревателя T1 и холодильника T2 обладает тепловой двигатель, где рабочее тело расширяется и сжимается по циклу Карно график которого состоит из двух изотерм и двух адиабат Сади Карно (1796 – 1832)

11 Обязательными частями тепловой машины являются нагреватель (источник энергии), холодильник, рабочее тело (газ, пар). Прямой цикл используется в тепловом двигателе – периодически действующей тепловой машине, совершающей работу за счет полученной извне теплоты.

12 Обратный цикл используется в холодильных машинах – периодически действующих установках, в которых за счет работы внешних сил теплота Q 2 от холодного тела переносится к телу с более высокой температурой.

13 3. Цикл Карно (обратимый) Основываясь на втором начале термодинамики, Карно вывел теорему, носящую теперь его имя: ТЕОРЕМА КАРНО Из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей и холодильников, наибольшим КПД обладают обратимые машины. Причем КПД обратимых машин, равны друг другу и не зависят от конструкции машины и от природы рабочего вещества. При этом КПД меньше единицы.

14 Цикл, изученный Карно, является самым экономичным и представляет собой круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат

15 Процесс А-В. Положительная работа, совершенная газом при изотермическом расширении газа от V 0 до V 1 4. Работа и КПД цикла Карно

16 Процесс В-С – адиабатическое расширение. При адиабатическом расширении теплообмен с окружающей средой отсутствует и работа расширения А 2 совершается за счет изменения внутренней энергии. Уравнение адиабаты: где – коэффициент Пуассона

17 Давление в процессе В-С уменьшается до Р 2, температура падает до Т 2 Полученная работа на стадии В-С:

18 Процесс C-D -изотермическое сжатие На третьем этапе газ изотермически сжимается V 2 до V 3 отдавая теплоту Q 2 Теплота Q 2, отданная газом холодильнику при изотермическом сжатии, равна работе сжатия А 3 А 3 -это работа совершаемая над газом где Q 2 – тепло, отданное холодильнику.

19 Процесс D-А – адиабатическое сжатие. Уравнение адиабаты: Работа сжатия на последнем этапе Д-А: тогда общая работа цикла: А = А 1 + А 2 + А 3 + А 4

20 А = А 1 + А 2 + А 3 + А 4 А Полезная работа равна площади ограниченной кривой АВСDА.

21 Значит работа совершаемая газом больше работы внешних сил.

22 полезная работа КПД η равен: Из равенств следует:

23 5. Необратимый цикл Предположим, что необратимость цикла обусловлена тем, что теплообмен между рабочим телом и источником теплоты происходит при конечных разностях температур. Нагреватель и холодильник не идеальны, они не обладают бесконечной теплоемкостью, поэтому нагреватель, отдавая тепло, охлаждается на ΔT, а холодильник нагревается на ΔТ.

24 Примером необратимого процесса является процесс торможения тела под действием сил трения. При этом скорость тела уменьшается, и оно останавливается. Энергия механического движения тела расходуется на увеличение энергии хаотического движения частиц тела и окружающей среды. Происходит диссипация энергии. Для продолжения движения необходим компенсирующий процесс охлаждения тела и среды. И так, в случае тепловых машин, нагреватель и холодильник – не идеальны, они не обладают бесконечной теплоёмкостью и в процессе работы получают или отдают добавочную температуру ΔТ.

25 Как видно, площадь под кривой, а значит и полезная работа уменьшилась! А

26 Для обратимого цикла Карно Для необратимого цикла В сегда – этот вывод справедлив независимо от причин необратимости цикла Карно.

27 Холодильная машина Эта машина, работающая по обратному циклу Карно. Если проводить цикл в обратном направлении, тепло будет забираться у холодильника и передаваться нагревателю (за счет работы внешних сил).

28 Обратный цикл Карно можно рассмотреть на примере При изотермическом сжатии В-А от газа отводится количество теплоты Q 1 при Т 1. В процессе D-С – изотермического расширения к газу подводится количество теплоты Q 2.

29 В этом цикле, и работа, совершаемая над газом – отрицательна, т.е. Если рабочее тело совершает обратный цикл, то при этом можно переносить энергию в форме тепла от холодного тела к горячему за счет совершения внешними силами работы.

30 КПД для холодильных машин Карно

31

32