3.2. Термічний коефіцієнт корисної дії (к. К. Д.) циклу

Як ми вже говорили, на одних ділянках циклу теплота до робочого тіла підводиться (Q₁), а на інших ділянках – відводиться (Q₂). Тоді кількість теплоти Q_ц, яка перетворюється в роботу, можна підрахувати за рівнянням:

(3.7)

а

(3.8)

бо

Відношення роботи циклу L_ц до кількості теплоти, підведеної до робочого тіла в циклі (теплота Q₁), називається термічним коефіцієнтом корисної дії (к. к. д.) циклу:

(3.9)

а

(3.10)

бо, що те ж саме,

В

(3.11)

ідповідно для 1 кг робочого тіла

а

(3.12)

бо

де l і q - робота та теплота в розрахунку на 1 кг робочого тіла (питомі величини). Отже, η_т<1 завжди, бо, у відповідності до вищесказаного, q₁ > q_2.

Т ермічний к. к. д. циклу характеризує ступінь досконалості того чи іншого циклу: чим більша величина η_т

,

, тим досконаліший цикл; при підведенні до робочого тіла однієї і тієї ж кількості теплоти Q₁ в циклі, у якого η_т

,

більше, продукується (виробляється) більша кількість роботи L_ц.

Тобто

звідки L_ц = η_T Q_1. . (3.13)

Тобто, якщо Q₁ = const, а η_т

підвищити, то добуток η_T Q₁ також зросте, отже, кількість роботи L_ц збільшиться.

3.3. Поняття про джерела теплоти

При розгляді процесів підведення та відведення теплоти в циклі, природно, виникає питання: звідки підводиться до робочого тіла теплота Q₁ і куди відводиться від робочого тіла теплота Q₂? В зв’язку з цим введемо поняття про джерела теплоти.

Систему, від якої відбирається теплота Q₁, що підводиться до робочого тіла циклу, називають горячим джерелом теплоти (ГДТ), а систему, до якої підводиться теплота Q₂, що відбирається від робочого тіла - холодним джерелом теплоти (ХДТ).

Для зручності будемо рахувати, що повна теплоємність гарячого та холодного джерел теплоти настільки велика, що відведена від ГДТ теплота Q₁ та підведена до ХДТ теплота Q₂ не викликають до будь-яких змін температур даних джерел (див. рис. 3.1).

3.4. Формулювання іі-го закону термодинаміки

Як вже було сказано, І-ий закон термодинаміки характеризує процеси перетворення енергії з кількісної сторони. Другий закон термодинаміки характеризує якісну сторону цих процесів. Перший закон термодинаміки дає всю необхідну інформацію для складання енергетичного балансу якого-небудь процесу. Але він не дає жодних вказівок відносно можливості протікання того чи іншого процесу. Між тим, далеко не всі процеси реально здійсненні.

І перший, і другий закони термодинаміки отримані дослідним шляхом.

І-ий закон термодинаміки не ставить ніяких обмежень відносно взаємного перетворення енергії (теплоти та роботи). Але практика показала, що якщо перетворення роботи в теплоту не зв’язане з будь-якими обмеженнями, то зворотний процес – перетворення теплоти в роботу вимагає певних умов.

Загальне формулювання іі-го закону термодинаміки:

1. Будь-який реальний самовільний процес є необоротнім.

Всі інші формулювання – його часткові випадки.

ІІ-ий закон термодинаміки, який в 1850 р. сформулював Клаузіус, звучить наступним чином:

2. теплота не може сама по собі переходити від тіла, яке нагріте до нижчої температури, до тіла, яке нагріте до вищої температури.

Згідно із вченням Карно:

3. Для одержання роботи із теплоти необхідно мати різницю температур.

4. Якщо б не існувало обмежень, які накладає ІІ-ий закон термодинаміки, то це означало б, що можна побудувати тепловий двигун при наявності лише верхнього (гарячого) джерела теплоти (ГДТ). Такий двигун міг би працювати за рахунок охолодження, наприклад, води в океані (ХДТ). Цей процес міг би тривати до тих пір, поки вся внутрішня енергія океану не була би перетворена в роботу. Теплову машину, яка би діяла вказаним чином, В. Ф. Оствальд назвав вічним двигуном другого роду. У відповідності з цим Планк дав таке формулювання ІІ-го закону термодинаміки:

5. Існування вічного двигуна другого роду неможливе.

6. Необхідно відмітити важливу особливість теплових процесів. Механічну та електричну роботу, роботу магнітних сил і т. д. можна повністю без залишку перетворити в теплоту. Що стосується теплоти Q₁ - теплоти, яка відводиться від ГДТ (підводиться до р. т.), то тільки її частину можна перетворити в періодичному процесі в механічну та інші види роботи; інша його частина Q₂ неминуче повинна бути передана холодному джерелу ХДТ.

Таким чином, узагальнюючи різні формулювання ІІ-го закону термодинаміки, можна прийти до висновку:

7. Для перетворення теплоти в роботу поряд із джерелом теплоти (тепловіддавачем ГДТ) повинен бути також холодильник (теплоприймач ХДТ).

Теоретично теплові машини працюють по кругових процесах або циклах, коли теплота перетворюється в роботу. Розглянемо такі кругові процеси (цикли).