Круговым называется процесс, при котором термодинамическая система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное состояние. 11.7 Круговые процессы. - презентация

1 Круговым называется процесс, при котором термодинамическая система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное состояние Круговые процессы

2 На P-V диаграмме круговой процесс изображается замкнутой кривой. На верхнем участке 1-2 (а) – газ расширяется (dV > 0) и совершает положительную работу На нижнем участке 2-1 (b) – газ сжимается (dV < 0) и совершает отрицательную работу На P-V диаграмме круговой процесс изображается замкнутой кривой. На верхнем участке 1-2 (а) – газ расширяется (dV > 0) и совершает положительную работу На нижнем участке 2-1 (b) – газ сжимается (dV < 0) и совершает отрицательную работу

3 Вся работа за круговой процесс равна площади, охватываемой замкнутой кривой А = А 12 + А 21 > 0 Работа положительная, так как A 12 > | A 21 | Вся работа за круговой процесс равна площади, охватываемой замкнутой кривой А = А 12 + А 21 > 0 Работа положительная, так как A 12 > | A 21 |

4 Прямые круговые процессы. Тепловая машина. Процесс, на котором совершается положительная работа называется прямым. На P-V диаграмме он протекает по часовой стрелке. Прямые процессы используются в тепловых машинах, совершающих работу за счет полученной извне теплоты. Прямые круговые процессы. Тепловая машина. Процесс, на котором совершается положительная работа называется прямым. На P-V диаграмме он протекает по часовой стрелке. Прямые процессы используются в тепловых машинах, совершающих работу за счет полученной извне теплоты.

5 При круговом процессе газ возвращается в исходное состояние, поэтому его внутренняя энергия U не меняется. Из 1 - го начала термодинамики следует, что работа, совершаемая газом в круговом процессе, равна полученной им от внешних тел теплоте. При круговом процессе газ возвращается в исходное состояние, поэтому его внутренняя энергия U не меняется. Из 1 - го начала термодинамики следует, что работа, совершаемая газом в круговом процессе, равна полученной им от внешних тел теплоте.

6 Найдем теплоту, полученную газом от внешних тел на участке 1-2 (а) на участке 2-1 (b) Вся полученная газом теплота Q равна полной работе А газа на круговом процессе А = А 12 + А 21 = Q 1 + Q 2 = Q Найдем теплоту, полученную газом от внешних тел на участке 1-2 (а) на участке 2-1 (b) Вся полученная газом теплота Q равна полной работе А газа на круговом процессе А = А 12 + А 21 = Q 1 + Q 2 = Q

7 Теплота Q 2, полученная газом от внешних тел на обратном участке 2-1 (b), равна с обратным знаком теплоте Q' 2, переданной газом внешним телам Q 2 = - Q' 2 Поэтому можно записать А = Q 1 - Q' 2 = Q Поскольку A > 0, то теплота Q 1, полученная газом от внешних тел на участке 1-2 (a), больше теплоты Q' 2, отданной газом внешним телам на участке 2-1 (b) Q 1 = A + Q' 2 > Q' 2 Теплота Q 2, полученная газом от внешних тел на обратном участке 2-1 (b), равна с обратным знаком теплоте Q' 2, переданной газом внешним телам Q 2 = - Q' 2 Поэтому можно записать А = Q 1 - Q' 2 = Q Поскольку A > 0, то теплота Q 1, полученная газом от внешних тел на участке 1-2 (a), больше теплоты Q' 2, отданной газом внешним телам на участке 2-1 (b) Q 1 = A + Q' 2 > Q' 2

8 Рассмотрим периодически действующий двигатель, многократно повторяющий круговой процесс. В ходе этих процессов он совершает работу за счет получаемой извне теплоты. Такой двигатель называется тепловой машиной. Тепловая машина тем эффективнее, чем большую долю полученной от внешних тел теплоты она превращает в работу. Эта доля теплоты определяется коэффициентом полезного действия (11.7.1) Рассмотрим периодически действующий двигатель, многократно повторяющий круговой процесс. В ходе этих процессов он совершает работу за счет получаемой извне теплоты. Такой двигатель называется тепловой машиной. Тепловая машина тем эффективнее, чем большую долю полученной от внешних тел теплоты она превращает в работу. Эта доля теплоты определяется коэффициентом полезного действия (11.7.1)

9 Опыт показывает, что газ передает теплоту Q' 2 на обратном участке 2-1 любого теплового процесса, поэтому всегда < 1 Тепловой двигатель D совершает работу A, одновременно передавая теплоту Q' 2 от горячего тела с температурой T 1 к холодному телу с температурой T 2 Опыт показывает, что газ передает теплоту Q' 2 на обратном участке 2-1 любого теплового процесса, поэтому всегда < 1 Тепловой двигатель D совершает работу A, одновременно передавая теплоту Q' 2 от горячего тела с температурой T 1 к холодному телу с температурой T 2

10 Обратные круговые процессы. Холодильник. Если во время процесса газ совершает отрицательную работу, то процесс называется обратным. Обратный процесс на P-V диаграмме протекает против часовой стрелки. Обратные процессы используются в холодильниках, в которых за счет работы внешних сил теплота переносится к телу с более высокой температурой. Обратные круговые процессы. Холодильник. Если во время процесса газ совершает отрицательную работу, то процесс называется обратным. Обратный процесс на P-V диаграмме протекает против часовой стрелки. Обратные процессы используются в холодильниках, в которых за счет работы внешних сил теплота переносится к телу с более высокой температурой.

11 При обратном процессе полная работа, совершенная газом отрицательная А < 0, а количество теплоты Q 1, полученное газом от внешних тел на участке 1-2 (а) меньше теплоты Q' 2, переданной газом внешним телам на обратном участке 2-1 (b) Q 1 < Q' 2 Поэтому такая система выступает холодильником. При обратном процессе полная работа, совершенная газом отрицательная А < 0, а количество теплоты Q 1, полученное газом от внешних тел на участке 1-2 (а) меньше теплоты Q' 2, переданной газом внешним телам на обратном участке 2-1 (b) Q 1 < Q' 2 Поэтому такая система выступает холодильником.

12 Эффективность холодильника определяется холодильным коэффициентом, равным отношению отнятой от внешнего тела теплоты Q 2 к работе А внешних сил, затрачиваемой на приведение холодильника в действие холодильный коэффициент = Эффективность холодильника определяется холодильным коэффициентом, равным отношению отнятой от внешнего тела теплоты Q 2 к работе А внешних сил, затрачиваемой на приведение холодильника в действие холодильный коэффициент =

13 Работа внешних сил А' равна с обратным знаком работе газа A над внешними телами А' = - A = - (Q 1 + Q 2 ) = Q' 1 - Q 2 = Q' 2 - Q 1 где Q' 1 = - Q 1 - количество теплоты, отданное газом внешним телам на участке 1-2 (а). Поэтому холодильный коэффициент равен (11.7.2) Работа внешних сил А' равна с обратным знаком работе газа A над внешними телами А' = - A = - (Q 1 + Q 2 ) = Q' 1 - Q 2 = Q' 2 - Q 1 где Q' 1 = - Q 1 - количество теплоты, отданное газом внешним телам на участке 1-2 (а). Поэтому холодильный коэффициент равен (11.7.2)

14 Термодинамический процесс называется обратимым, если при изменении направления процесса система проходит через те же самые состояния, что и при прямом процессе, но в обратной последовательности. При обратимом процессе после возвращения системы в исходное состояние ни в окружающей среде, ни в самой системе не происходит никаких изменений. Процессы, не удовлетворяющие этим условиям являются необратимыми. Все реальные процессы, протекающие в макросистемах, являются необратимыми. Термодинамический процесс называется обратимым, если при изменении направления процесса система проходит через те же самые состояния, что и при прямом процессе, но в обратной последовательности. При обратимом процессе после возвращения системы в исходное состояние ни в окружающей среде, ни в самой системе не происходит никаких изменений. Процессы, не удовлетворяющие этим условиям являются необратимыми. Все реальные процессы, протекающие в макросистемах, являются необратимыми Обратимые и необратимые процессы

15 Состояние макросистемы называется равновесным, если все параметры состояния не меняются с течением времени. Если хотя бы один параметр состояния не имеет определенного значения, то состояние называется неравновесным. При бесконечно медленном процессе равновесные состояния газа последовательно меняют друг друга, поэтому состояние газа все время равновесное. Такой процесс называют равновесным. Любой равновесный процесс является обратимым, так как в нем любое промежуточное состояние не зависит от направления процесса. Состояние макросистемы называется равновесным, если все параметры состояния не меняются с течением времени. Если хотя бы один параметр состояния не имеет определенного значения, то состояние называется неравновесным. При бесконечно медленном процессе равновесные состояния газа последовательно меняют друг друга, поэтому состояние газа все время равновесное. Такой процесс называют равновесным. Любой равновесный процесс является обратимым, так как в нем любое промежуточное состояние не зависит от направления процесса.

16 Рассмотрим прямой обратимый процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Такой цикл называется циклом Карно. Найдем КПД цикла Карно. Для этого вычислим работу газа, совершенную в цикле. 1 2 изотермическое расширение 2 3 адиабатическое расширение 3 4 изотермическое сжатие 4 1 адиабатическое сжатие Рассмотрим прямой обратимый процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Такой цикл называется циклом Карно. Найдем КПД цикла Карно. Для этого вычислим работу газа, совершенную в цикле. 1 2 изотермическое расширение 2 3 адиабатическое расширение 3 4 изотермическое сжатие 4 1 адиабатическое сжатие 11.9 Цикл Карно

17 Работа на отдельных участках цикла равна Складывая, получаем полную работу газа в цикле Карно Работа на отдельных участках цикла равна Складывая, получаем полную работу газа в цикле Карно

18 Тогда КПД цикла Карно равен Учтем, что для адиабат имеют место равенства Исключая из них температуру, получаем Тогда КПД цикла Карно равен Учтем, что для адиабат имеют место равенства Исключая из них температуру, получаем

19 Подставляя последнее соотношение в формулу для КПД, окончательно находим (11.9.1) Следовательно, КПД в цикле Карно зависит только от температур нагревателя Т 1 и холодильника T 2, но не зависит ни от устройства двигателя, ни от рода рабочего тела (газа). Чтобы повысить КПД надо увеличивать разность температур нагревателя и холодильника. Действительно, если Т 1 >> T 2, то 1. Подставляя последнее соотношение в формулу для КПД, окончательно находим (11.9.1) Следовательно, КПД в цикле Карно зависит только от температур нагревателя Т 1 и холодильника T 2, но не зависит ни от устройства двигателя, ни от рода рабочего тела (газа). Чтобы повысить КПД надо увеличивать разность температур нагревателя и холодильника. Действительно, если Т 1 >> T 2, то 1.

20 Сравнивая (11.9.1) с прежней формулой (11.7.1), получаем (11.9.2) То есть отношение отданного в цикле Карно тепла от одного тела к полученному теплу другим телом, равно отношению температур этих тел. Формула (11.9.2) положена в основу определения термодинамической шкалы температур. Сравнивая (11.9.1) с прежней формулой (11.7.1), получаем (11.9.2) То есть отношение отданного в цикле Карно тепла от одного тела к полученному теплу другим телом, равно отношению температур этих тел. Формула (11.9.2) положена в основу определения термодинамической шкалы температур.

21 Для необратимых процессов количество теплоты Q' 2, отдаваемое рабочим телом (газом) внешним телам, увеличивается за счет трения, теплопроводности и т. д. Поэтому для необратимых процессов имеет место неравенство Следовательно, КПД обратимого процесса максимален. Для необратимых процессов количество теплоты Q' 2, отдаваемое рабочим телом (газом) внешним телам, увеличивается за счет трения, теплопроводности и т. д. Поэтому для необратимых процессов имеет место неравенство Следовательно, КПД обратимого процесса максимален.