54. Обратимые и необратимые процессы, круговой процесс, тепловые двигатели, холодильные машины.

Всякий термодинамический процесс есть переход системы из одного состояния в другое и такой переход связан с нарушением равновесия системы. Равновесный процесс - процесс, состоящий из непрерывной последовательности равновесных состояний. Такие процессы на диаграмме состояния изображаются сплошной линией. Равновесным может быть только бесконечно медленный процесс. Обратимые процессы – процесс который допускает возвращение системы в исходное состояние, так что система может переходить через те же промежуточные состояния но в обратной последовательности, при этом, возвращаясь в исходное состояние, тела взаимодействуют с системой. Обратимые – бесконечно медленное расширение, сжатие газа. Необратимые – расширение газа в вакууме, явления теплопроводности, диффузии. Как правило все процессы необратимы. Круговым процессом(циклом) называется равновесный процесс, при котором система после ряда изменений возвращается в исходное состояние. Изобразим цикл на диаграмме pV:

На участке 1-2-3 газ расширяется, при этом, получая некоторое количество тепла (Q₁) и совершает работу, численно равную площади вертикально заштрихованной фигуры. На участке 3-4-1 газ сжимается и совершает отрицательную работу, или над газом совершается положительная работа, при этом от газа отводится некоторое количество тепла(Q₂). Работа совершаемая над газом численно равна площади горизонтально заштрихованной фигуры. После выполнения цикла газ возвращается в исходное состояние (dU=0) и 1-ое начало термодинамики имеет вид: δQ=δA ; Работа δA численно равна площади фигуры 1-2-3-4, а

δQ= Q₁- Q₂ ; Прямым циклом называется равновесный круговой процесс, когда расширение газа происходит при давлениях больших, чем при сжатиях, т. е. на диаграмме pV такой цикл происходит в направлении движения часовой стрелки. В прямом цикле работа газа положительна и по такому циклу работают тепловые машины, при этом работа (δA) совершается за счет тепла (δQ) сообщенного газу. Обратный цикл протекает в направлении противоположном движению часовой стрелки, по обратному циклу работают холодильные машины, тогда работа газа отрицательна и от газа отводят некоторое количество тепла.

Тепловой машиной называют периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет тепла получаемого извне.

Основные элементы тепловой машины:

--нагреватель

--рабочее тело \ вещество

--холодильник

Пусть Q₁ это тепло получаемое от нагревателя рабочим телом на участке1-2-3 , Q₂ – тепло возвращаемое рабочим телом холодильнику, тогда на работу затрачивается тепло δQ= Q₁- Q₂

Вводится КПД (η) – отношение полезно использованного тепла (Q₁- Q₂) к теплу Q₁ полученного от нагревателя.

η=(Q₁- Q₂)/ Q₁ η = δA/ Q₁

КПД – отношение механической работы совершаемой тепловой машиной за один цикл к количеству тепла отнятого от нагревателя.

КПД паровоза 7%, трансформатора 98% η не больше 1

Холодильный коэффициент (ε) применяется для характеристики цикла при котором происходит перенос тепла от холодного к горячему телу. Холодильный коэффициент – отношение тепла (Q₂) отнятого от охлаждаемого тела к работе (А) затрачиваемой на приведение машины в действие: ε = Q₂/А= Q₂/ Q₁- Q₂ ε > 1

Холодильная машина отбирает за один цикл от тела с температурой Т₂ количество тепла Q₂ и отдает телу с более высокой температурой Т₁ количество тепла Q₁, для обратимого обратного цикла Карно холодильный коэффициент максимален и равен: ε =Т₂/(Т₁-Т₂)