Сделай Сам Свою Работу на 5

Круговые процессы. Цикл Карно





Термодинамический процесс, при котором система претерпев ряд изменений возвращается в исходное состояние, называют круговым процессом или циклом.

Круговые процессы используют в основе работы всех тепловых машин: паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания, холодильные машины и т.д.

Круговой процесс называют прямым (протекает по часовой стрелке), если после его завершения совершается положительная работа (рис. 1).

Рис. 1 Рис. 2

Примером прямого цикла является процесс, совершающийся рабочим телом в тепловом двигателе, когда теплота от внешних источников поступает к рабочему телу, но часть ее отдается другим телам за счет совершения работы.

Круговой процесс называют обратным, если после его завершения (протекает против часовой стрелки) совершается отрицательная работа (рис. 2).

Примерами обратного цикла является работа холодильных машин, когда рабочее тело передает теплоту от холодного тела к горячему за счет затраты работы внешних сил.

Термодинамическое состояние рабочего тела зависит от его внутренней энергии. Поэтому полное изменение внутренней энергии рабочего тела после завершения кругового цикла равно нулю, т.е. DU=0. Тогда согласно первому началу термодинамики Q=A,



где Q - количество теплоты, переданное рабочему телу; А - работа, совершаемая за цикл рабочим телом.

В прямом цикле Q > 0, т.е. к рабочему телу подводится больше теплоты, чем отводится. Следовательно, совершаемая работа А >0.

В обратном цикле Q < 0. А*= -A > 0, где А*- работа внешних сил.

Французский инженер Сади Карно в 1824 году впервые дал теоретическое объяснение работы тепловых машин. В то время еще использовалась теория теплорода и не была установлена единая природа теплоты и работы как меры энергетического взаимодействия.

Основное положение теории С. Карно, впоследствии получившее название принципа Карно, состоит в том, что для получения работы в тепловой машине необходимы по крайней мере два источника теплоты с разными температурами.

Карно предложил идеальный цикл тепловой машины, в котором используются два источника теплоты с постоянными температурами: источник с высокой температурой – горячий источник и источник с низкой температурой – холодный источник. Поскольку цикл идеальный, то он состоит из обратимых процессов теплообмена между рабочим телом и источниками теплоты, соответствующих двум изотермам, и двум идеальным адиабатам перехода рабочего тела с одной изотермы на другую. Графическое изображение цикла Карно в P,v- и T,s- диаграммах, использующего в качестве рабочего тела идеальный газ, представлено на рис.3



В цикле Карно горячий источник теплоты с Т1=const передает теплоту (процесс 14) рабочему телу, это обратимый процесс, поэтому рабочее тело получает теплоту q1 по изотерме Т1 (процесс 41). На процессе 12 рабочее тело расширяется по обратимой адиабате от Т1 до Т2. В обратимом процессе 23 рабочее тело передает теплоту q2 холодному источнику по изотерме Т2=const (для горячего источника это процесс 23). На процессе 34 рабочее тело сжимается по обратимой адиабате от Т2 до Т1.

 

а)
Холодный источник
Горячий источник
Ds
T2
T1
q2
q1
q1
s
T
q2
v
P
б)
Рис. 3. Цикл Карно в P,v- (а) и T,s- (б) диаграммах

Для цикла Карно в T,s- диаграмме подведенная теплота к рабочему телу q1 и отведенная от него q2 представляют площади под изотермическими процессами 41 и 23, которые соответствуют прямоугольникам с определенными сторонами: для q1 – с Т1 и Δs, для q2 – с T2 и Δs. Величины q1 и q2 определяются по формулам изотермического процесса:

q1 = T1Δs; (1)

q2 = T2Δs. (2)

Работа цикла Карно равна разности подведенной и отведенной теплоты:

ltк = q1 - q2 = (T1-T2) Δs. (3)



В соответствии с выражением (3) получить работу возможно только при наличии разности температур у горячего и холодного источников теплоты. Максимальная работа цикла Карно теоретически была бы при Т2=0, но в качестве холодного источника в тепловых машинах, как правило, используется окружающая среда (вода, воздух) с температурой около 300 К. Кроме этого, достижение абсолютного нуля в природе невозможно (этот факт относится к третьему закону термодинамики). Таким образом, в цикле Карно не вся теплота q1 превращается в работу, а только ее часть. Оставшаяся после получения работы теплота q2 отдается холодному источнику, и при заданных Т1 и Т2 она не может быть использована для получения работы, величина q2 является тепловыми потерями (тепловым отбросом) цикла.

Термический КПД цикла Карно может быть записан в виде

. (4)

Таким образом, КПД цикла Карно будет тем больше, чем больше Т1 и меньше Т2. При Т12 КПД равен нулю, т.е. при наличии одного источника теплоты получение работы невозможно. Невозможность существования Т2=0 К указывает на то, что КПД цикла Карно не может быть равен единице, и на то, что он всегда меньше единицы.

 

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.