Конспект лекций по предмету "Физика"


Круговые обратимые процессы. Цикл Карно

Механические процессы обладают замечательным свойством обратимости. Например, брошенный камень, описав некоторую траекторию, упал на землю. Если его бросить обратно с той же скоростью, то он опишет ту же траекторию, только в обратном направлении (трением пренебрегаем).
Совершенно иная ситуация имеет место в области тепловых явлений. Тепловой процесс, при котором проходятся те же тепловые состояния, но только в обратном порядке, как правило, невозможен. Например, необратимыми являются теплообмен при конечной разности температур между телами, процесс расширения газа в пустоту, а также выделение тепла при трении. Если произвольный тепловой процесс сопровождается перечисленными явлениями, то он необратим.
Однако в некоторых случаях процессы можно считать с достаточной степенью точности обратимыми, например, процессы изотермического и адиабатического расширения газа могут быть проведены в обратном направлении.
Важной технической задачей было получение механической энергии за счет тепловой. Машина, превращающая тепловую энергию в механическую, называется тепловой. Обычно работа тепловой машины связана с работой расширения газа. Однако, чтобы получать работу непрерывно, газ необходимо возвращать в исходное состояние. Для этого его необходимо сжимать при более низкой температуре. В общем случае на диаграмме p-V некоторый газовый процесс изобразится в виде цикла (рис.10.6). В результате процесса 1-a-2 газ получил некоторое количество тепла Q1 и совершил работу A12 . В процессе сжатия по линии 2-b-1 над газом совершается работа A21 , и газ при этом отдает холодильнику количество тепла Q2 . Обычно роль холодильника играет атмосферный воздух. Полная работа газового цикла A = A12 + A21 и равна его площади на диаграмме p-V. Так как внутренняя энергия газа не изменилась, то по первому началу термодинамики A = Q1 - Q2 . Коэффициент полезного действия тепловой машины (КПД)
h = A/Q1 =(Q1 - Q2)/Q1. (10.17)
Для получения максимального КПД тепловой машины необходимо рассмотреть цикл, состоящий из обратимых процессов. Такой цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, рассмотрел французский инженер Сади Карно (рис.10.7). На участке цикла 1-2 газ получает от нагревателя тепло Q1 и, расширяясь изотермически от объема V1 до V2 при температуре T1 , совершает для моля газа работу
A12 = Q1 = RT1 ln(V2 /V1). (10.18)
На участках 2-3 и 4-1 газ расширяется и сжимается адиабатически, не получая и не отдавая тепла. На участке 3-4 газ сжимают изотермически от объема V3 до V4 при температуре T2 , отнимая тепло Q2 . Работа, затрачиваемая на сжатие газа,
A34 = Q2 = RT2 ln(V3 /V4). (10.19)
Используя уравнение (10.15) для процессов 2-3 и 4-1, можно показать, что
V2 /V1 = V3 /V4 (10.20)
Подставляя выражения (10.18) и (10.19) в равенство (10.17) с учетом равенства (10.20), после сокращений получим
h = (T1 - T2)/T1 . (10.21)
Видим, что КПД цикла Карно определяется только температурами нагревателя и холодильника. Например, для паровой машины, имеющей T1 = 400К и T2 = 300К, по формуле (10.21) получим h = 0,25. Реальный КПД паровых двигателей вдвое меньше из-за потерь на трение и т.д. Как показывается в курсах термодинамики, КПД любого теплового двигателя не может превосходить КПД цикла Карно, работающего между теми же температурными интервалами, т.е. hреал (T1 - T2)/T1 . Из формулы (10.21) следует, что для увеличения КПД теплового двигателя необходимо увеличивать температуру нагревателя. Именно поэтому КПД двигателей внутреннего сгорания значительно выше, чем паровых.
ЛЕКЦИЯ 16


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный конспект лекций Вы можете использовать для создания шпаргалок и подготовки к экзаменам.

Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем конспект самостоятельно:
! Как написать конспект Как правильно подойти к написанию чтобы быстро и информативно все зафиксировать.