- •Глава IV. Физические основы термодинамики
- •§22. Термодинамический метод исследования систем. Исходные положения термодинамики
- •§23. Внутренняя энергия системы
- •§24. Работа и теплота
- •§25 Теплоемкость
- •§26. Первый закон термодинамики
- •§27. Применение первого закона термодинамики к основным термодинамическим процессам
- •27.1. Изохорический процесс
- •27.2. Изобарический процесс
- •27.3. Изотермический процесс
- •27.4. Адиабатический процесс
- •§28. Второй закон термодинамики
- •28.1. Обратимые и необратимые процессы
- •28.2. Второй закон термодинамики
- •28.3. Понятие энтропии
- •28.4. Тепловая машина. Коэффициент полезного действия
- •28.5. Цикл Карно
- •28.6. Границы применимости второго закона термодинамики
28.4. Тепловая машина. Коэффициент полезного действия
Тепловая машина - это периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемой извне теплоты.
Рис.
28.2
Действие тепловой машины заключается в том, что рабочее вещество, периодически получая от нагревателя некоторое количество теплоты, совершает работу над внешними телами. Так как рабочее вещество обязательно контактирует с внешними по отношению к нему телами, то часть подводимой теплоты безвозвратно теряется.
В циклах реальных двигателей рабочее вещество периодически обновляется (заменяется равным количеством находящегося в том же состоянии "нового" рабочего вещества).·Например, в двигателях внутреннего сгорания сгоревшая смесь заменяется новой ее порцией. С термодинамической точки зрения замена рабочего вещества может рассматриваться как возвращение отработавшего в двигателе рабочего вещества в исходное состояние. Поэтому цикл с заменой рабочего вещества принципиально не отличается от цикла с незаменяемым рабочим веществом.
Следует сказать об условности понятия "нагреватель". Есть тепловые машины, в которых нагреватель действительно существует в виде специального устройства (например, топка в паровой машине). А в двигателе внутреннего сгорания теплота сообщается горючей смеси в результате ее возгорания от искры, так что здесь нагреватель как устройство в явном виде отсутствует.
Для оценки эффективности работы тепловой машины вводится понятие термического коэффициента полезного действия (КПД) - , под которым понимается отношение, показывающее, во сколько раз совершаемая машиной за цикл работа А меньше подводимого количества теплоты Q1, то есть
(28.9)
Определим работу, совершаемую тепловой машиной за один цикл. Пусть машина совершает некоторый круговой процесс (цикл), график которого представлен на рис. 28.3.
Этот процесс можно разбить на два процесса: расширения газа из состояния 1 в состояние 2 и сжатие газа из состояния 2 в состояние 1. Чтобы совершаемая газом за цикл работа А была положительной, необходимо, чтобы работа A1 расширения газа была по абсолютному значению больше работы А2 сжатия газа. Для этого нужно, чтобы давление (а следовательно, и температура) газа в процессе его расширения была больше, чем при сжатии. Это в свою очередь достигается тем, что газу в ходе расширения теплота сообщается, а в хода сжатая - отбирается. В этом случае
. (28.10)
Рис.
28.3
Если бы круговой процесс протекал в обратном направлении (против часовой стрелки), то суммарная работа, совершаемая газом за цикл, оказалась бы отрицательной. Такой цикл называется обратным и используется в холодильных установках.
Совершив цикл, газ возвращается в исходное состояние, поэтому изменение внутренней энергии равно нулю. Тогда, в соответствии с первым законом термодинамики, работа, совершаемая газом за цикл, численно равна суммарному количеству теплоты, сообщенной газу, то есть
, (28.11)
где Q2 - количество теплоты, отдаваемое рабочим веществом холодильнику, или с учетом того, что Q2<0:
. (28.12)
Подставив выражения (28.11) и (28.12) в (28.9), получим:
(28.13)
Из этого выражения следует, что КПД не может быть больше единицы (<1).