Производство работы. Полезная работа. Максимальная работа. Максимальная полезная работа
Производство работы. Полезная работа. Максимальная работа. Максимальная полезная работа - Лекция, раздел Физика, ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА Если Рабочее Тело Находится В Состоянии, Отличном От Того, Которое Оно Имеет ...
Если рабочее тело находится в состоянии, отличном от того, которое оно имеет при параметрах окружающей среды (т.е. система не находится в равновесии), то в принципе это раб. тело может произвести работу.
Теперь выясним, как же определить работоспособность системы (работоспособность рабочего тела по отношению к окружающей среде). Итак, изолированная система может произвести работу только в том случае, когда она не находится в равновесном состоянии. Чтобы изолированная система, единственным видом работы которой может быть работа расширения, могла произвести работу, необходимо, чтобы давления или температуры различных тел, входящих в эту систему, не были абсолютно одинаковы.
В системе, состоящей из тел с различными давлениями, отсутствует механическое равновесие. Если в системе имеются тела с различными температурами, в ней отсутствует термическое (тепловое равновесие).
По мере производства работы, изолированная система будет приближаться к равновес- ному состоянию. Допустим, что изолированная система состоит из окр. среды, температура и давление которой практически остаются неизменными, и сжатого воздуха, имеющего ту же температуру, что и окр. среда, но более высокое давление, т.е. налицо механически неравновесное и термически равновесное состояния. Подобная система может производить работу, например, перемещая поршень в цилиндре до тех пор, пока давление воздуха не снизится до давления окр. среды, т.е. пока система не придет в механическое равновесие.
Если в системе имеются два источника теплоты, обладающих различными температурами, и раб. тело, начальное состояние которого значения не имеет, то мы имеем дело с термодинамической равновесной системой, которая может произвести работу, например, путем неоднократного повторения рабочим телом цикла Карно. В результате совершения цикла Карно не только оказывается произведенной известная работа, но также вполне определенное количество теплоты передается от источника с более высокой температурой к источнику с более низкой. Но в результате такого перехода теплоты, температура горячего источника будет понижаться, а холодного – повышаться. С течением времени температуры источников теплоты сделаются одинаковым, система достигнет термодинамического равновесия, и дальнейшее производство работы станет невозможным.
Таким образом, производство работы изолированной системой возможно только в процессе перехода системы из неравновесного состояния в равновесное. Произведенная работа зависит, как известно, от характера процесса перехода системы к равновесному состоянию.
Допустим снова, что в нашем распоряжении имеется термически неравновесная система, состоящая из двух источников теплоты, имеющих различные температуры и раб. тела. Теплота передается непосредственно от горячего источника к холодному, минуя раб. тело. В результате такого процесса, температуры всех тел системы станут одинаковыми, система окажется в состоянии термического равновесия, а никакой работы вообще не будет произведено. Подобный процесс теплообмена, (приводящий к выравниванию температур) без производства работы обязательно должен происходить при конечной разности температур, т.е. необратимо.
Наоборот, максимальная работа при переходе системы от термически неравновесного состояния в равновесное может быть получено в результате неоднократного совершения раб. телом цикла Карно, в котором наибольшая температура раб. тела равна температуре горячего источника, а наименьшая температура – температуре холодного источника, т.е. в
результате совершения только полностью обратимых процессов.
Если изолированная система механически неравновесна, то в этом случае наибольшая работа, которую можно получить при переходе из механически неравновесного состояния в равновесное, может быть получена в результате осуществления полностью обратимых процессов. Ясно, что наибольшая работа будет получена в случае отсутствия трения между поршнем и стенками цилиндра машины. Но трение представляет собой типичный необратимый процесс.
Таким образом, мы пришли к двум очень важным выводам:
1. Изолированная система способна к производству работы только в случае,когда
она находится в неравновесном состоянии. После достижения равновесного состояния работоспособность системы оказывается исчерпанной.
2. Для получения наибольшей возможной работы при переходе системы из
неравновесного состояния в равновесное, нужно, чтобы все процессы, протекающие в системе были полностью обратимы.
Определим теперь более четко понятия полезной работы, максимальной работы и мак- симально-полезной работы, которая может быть произведена рассматриваемой системой.
Попробуем численно определить максимальную полезную работу, которую может произ- вести система, или, как иногда говорят, определим работоспособность системы. В нашем распоряжении имеется изолированная система, состоящая из окруж. среды и некоторого тела
имеющих отличные от среды давление р и температуру Т (или один из этих параметров).
Такое тело или группу тел будем наз. в дальнейшем источником работы.
В неравновесной изолированной системе работа производится при изменении состояния источника работы в процессе установления равновесия в этой системе. Обозначим эту работу L. Часть этой работы будет затрачиваться на сжатие окр. среды. Т.к. система изолирована, то ее объем явл. постоянным, поэтому увеличение его на величину V в процессе установления равновесия в системе может происходить только за счет уменьшения на ту же величину V объема окружающей среды.
Работу, затраченную на сжатие окр. среды (против сил давления среды), обозначим L0.
Поскольку часть работы, производимой в процессе установления равновесия в изолированной системе, всегда будет затрачиваться на сжатие окр. среды, то, следовательно, использовать по своему усмотрению мы можем не всю произведенную работу L, а только ту ее часть, которая остается за вычетом L0. Эту часть произведенной работы условимся наз. полезной работой. Lпол.=L – L0 , (7.1)
Как уже отмечалось, если переход системы из неравновесного состояния в равновесное осуществляется при помощи обратимых процессов, то в этом случай система произведет наибольшую возможную в данных условиях работу (т.е. произведенная работа будет максимальной). Т.к. все реальные процессы явлю в большей или в меньшей степени необратимыми, то максимальная работа системы явл. недостижимым пределом. Однако для сравнения степени совершенства процессов получения работы понятие о подобном пределе оказывается полезным. Максимальную работу системы обозначим Lмакс.. Максимальная полезная работа – , которую может произвести система (работоспособность системы) – это, по аналогии с уравнением (7.1), часть максимальной работы, за вычетом работы, затрачиваемой на сжатие окр. среды: =Lмакс. – L0 , (7.2)
Определим . Допустим, что температура Т0 и давление р0 окр. среды неизменны. Начальные параметры источника работы: p, V, T, U, S, h. работы: pк, Vк, Tк, Uк, Sк, Нк. Конечные параметры окр. среды: p0к, V0к, T0к, U0к, S0к, Н0к. Причем рк=р0 и Тк=Т0.
Суммарная внутренняя энергия системы в начальном, неравновесном состоянии:
, (7.3)
Суммарная внутренняя энергия системы в конечном равновесном состоянии
, (7.4)
Т.к. рассматриваемая система по определению явл. изолированной (бqсис.=0), то из уравнения 1-го закона ТТД следует, что работа может быть произведена системой только за счет уменьшения ее внутр. єнергии: , (7.5)
С учетом (7.3) и (7.4) получаем: L=(U+U0) – (Uk+U0k)=(U – Uk)+(U0 – U0k) , (7.6)
Но между источником работы и окружающей средой может существовать теплообмен, кроме того, источник работы может совершать работу над средой (против давления среды). Обозначим Q2 теплоту, переданную источником работы среде, а L0 – работу, совершенную источником работы над средой. В соответствии с 1-ым законом ТТД:
Uоk – Uо=Q2+Lо , (7.7)
Т.к. давление среды р0 по условию неизменно, то: Lо=pо(Vк – V), (7.8)
Поскольку рассматриваемая система явл. Изолированной, ее суммарный объем постоянен и, следовательно, изменение объема одной части этой системы-среды равно по величине (и противоположно по знаку) изменению объема другой ее части – источника работы. Поэтому в уравнении (7.8) для L0 – работа сжатия окружающей среды – фигурирует изменение объема источника работы Vк – V, а не окружающей среды V0 – Vк.
Тогда, меняя знак в (7.7) и подставляя L0 из (7.8), получим:
U0 – U0к= - Q2 – p0(Vк – V) , (7.9)
Подставляя значение U0 – U0к из уравнения (7.9) в (7.6), получаем:
L=(U – Uк) – Q2 – p0(Vк – V) , (7.10)
Теплота, переданная от источника работы окружающей среде, равна, очевидно, произведению неизменной температуры среды Т0 и приращению энтропии среды (S0к – S0), т.е. Q2=T0(S0k – S0) , (7.11)
Подставляя значение Q2 из уравнения (7.11) в уравнение (7.10), получаем:
L=(U – Uк) – Т0(S0k – S0) – p0(Vк – V) , (7.12)
Уравнение (7.12) дает значение полезной работы.
Для того, чтобы найти максимальную полезную работу (работоспособность) изолированной системы, необходимо воспользоваться положением о том, что в результате протекания обратимых процессов энтропия изолированной системы не изменяется. Отсюда следует, с учетом аддитивности энтропии, что если энтропия источника работы уменьшалась на S – Sк, то энтропия среды должна возрасти на то же значение, т.е. для обратимых процессов: S0к – S0=S – Sк , (7.13)
Подставляя (7.13) в (7.12) получим выражение для максимальной полезной работы изолированной системы: =(U – Uк) – T0(S – Sк) – p0(Vк – V) , (7.14)
Как видно из (7.14), максимальная полезная работа системы однозначно определяется начальными параметрами источника работы и параметрами окр. среды.
Термодинамическая система. Рабочее тело. Внешняя среда
Термодинамической системой называют совокупность материальных тел, (а также полей) находящихся в механическом и тепловом взаимодействии, а также обменивающихся друг с другом вещест
Термические параметры состояния
Абсолютная температура (T) характеризует тепловое состояние тела, или, как иногда говорят, степень нагретости тела.
С точки зрения молекулярно-кинетической теории температ
Абсолютное давление (p )
Абсолютное давление обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с поверхностью и численно равно силе, действующей на единицу площади поверхности тела, действующего по нормали
Термические коэффициенты
Как известно, каждый из основных параметров состояния системы p, v, T является функцией двух других ее параметров:
;
Уравнение состояния
Если все термодинамические параметры состояния постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояние системы называется равновесным. Если межд
Теплота и работа как формы передачи энергии
Теплота и работа представляют две формы передачи энергии от одного тела (или системы) к другому.
Процесс работы – макроскопический, который представляет собой упорядоченную
Термодинамика идеального газа
Под идеальным газом понимают совокупность материальных вполне упругих молекул, обладающих пренебрежимо малыми объёмами, находящихся в состоянии хаотического движения и лишённых сил
Основные законы идеальных газов
Закон Бойля - Мариотта.(изотермический процесс)
В 1662 г. Р. Бойль , а в 1676 г. Э. Мариотт независимо друг от друга установили зависимость опытным путем объёма газа от ег
Смеси идеальных газов. Закон Дальтона
В ТТД чистым веществом наз. вещество, все молекулы которого одинаковы. Смесь, состоящая из нескольких чистых веществ наз. раствором. Чистыми веществами явл., напри
Энтальпия рабочего тела как функция состояния
Термин энтальпия (от греч. euthalpo – нагреваю) введен в 1909 г. Камерлинг-Онессом.
В ТТД важную роль играет величина суммы внутренней энергии U системы и произведения дав
Аналитическое выражение 1-го закона ТТД
Первое начало ТТД представляет собой частный случай всеобщего закона сохранения и превращения энергииприменительно к тепловым явлениям.
Уравнение Майера
В соответствии с 1 – ым законом ТТД для закрытых систем имеем:
С учетом соотношения (3.4.а), подставив его в выражение 1-го
Основные термодинамические процессы идеальных газов
ТД анализ любой системы состоит в следующем:
1. Выявить уравнение процесса. 2. Установить аналитическую взаимосвязь между
параметрами состояния, (связь между парам
Политропный процесс
Политропными процессами наз. процессы, протекающие при постоянной теплоемкости и вызываемые подводом или отводом теплоты. Следовательно, в любом политропном процессе, распределение
Изохорный процесс
Процесс, в котором не изменяется объем наз. изохорным. Линия, изображающая изохорный процесс, наз. изохорой. Этот процесс соответствует закону Шарля.
Графическая интерпрет
Изобарный процесс
При изобарном процессе выполняется условие p=const и dp=0. Этот процесс
соответствует закону Гей-Люссака (рис.4.2).
При р=cоnst с=cp , откуда
Изотермический процесс
При изотермическом процессе выполняется условие: dT=0 или T=const.
Таким образом следует, что это возможно, если .
Н
Адиабатный процесс
При адиабатном процессе теплообмен рабочего тела с окружающей средой отсутствует, т.е. рабочее тело предполагается изолированным от окружающей среды идеальной тепловой изоляцией.
Анализ обобщающего значения политропного процесса
Для определения закона, по которому в p,v-; T,S-диаграммах располагаются политропы, выходящие из одной точки, рассмотрим графики частных процессов изменения состояния
Сущность 2-го закона ТТД
Первым законом ТТД устанавливаются лишь количественные соотношения при взаимных превращениях теплоты и работы.
В частности, при теплообмене можно было бы предположить, что теплота может пе
Термический КПД и холодильный коэффициент циклов
Исследование любого прямого цикла показывает, что для получения положительной работы необходимо к рабочему телу на некотором участке цикла подвести теплоту q1 от внешнего
Прямой и обратный циклы Карно
В 1824 французский инженер С. Карно предложил цикл идеального теплового двигателя, состоящий из двух изотерм и двух адиабат и представляющий собой замкнутый процесс, который
Понятие об эксергии. Уравнение Гюи-Стодолы
Термин «эксергия» в 1956г. ввел югославский ученый З.Рант и образован он из греческих корней «экс» - внешний и «эрг» - работа, действие.
Максимальную полезную работу (работоспособность) в
Уравнение состояния реального газа или уравнение Ван-дер-Ваальса
Одной из первых попыток в этой области была разработка голландского физика Н. Ван-дер-Ваальса в 1873 г. Это уравнение он получил на основе кинетической теории газов; учитывая объем самих молекул и
Гомогенные и гетерогенные термодинамические системы
Гомогенной называют такую систему, химический состав и физические свойства которой во всех ее частях одинаковы или изменяются непрерывно (без скачка) от одной точки системы к друго
Условия равновесия при фазовом переходе. Правило фаз Гиббса
Состояние равновесия – это такое состояние, к которому при данных внешних условиях стремится термодинамическая система.
Состояние устойчивого равновесия (стабильное состояние) характерно т
Парообразование и конденсация
Все газы явл. парами какого-либо вещества, поэтому принципиальной разницы между понятиями газ и пар нет. Водяной пар явл. реальным газом и широко используется в различных отраслях промышленности. Э
Основные параметры воды и водяного пара
Параметры состояния воды. Как указывалось ранее, удельный объём воды при 00С и различных давлениях одинаков и равен 0,001м3/кг,
При температурах насы
Основные термодинамические процессы водяного пара
В практике могут встретиться паровые процессы, которые протекают в области либо влажного насыщенного пара, либо в области перегретого пара, либо так, что одна часть процесса протекает в области вла
Изохорный процесс.
Изохоры на p,v –, T,S – и h,S – диаграммах представлены на рис. 12.1.
Изохорный процесс на р-v диаграмме (рис. 12.1.а) изображается отрезком вертикальной прямой 1-2, а на Т-S
Изобарный процесс.
На рис. 12.2. приведен изобарный процесс в p,v –, T,S – и h,S – диаграммах.
Как видно, на p,v – диаграмме (рис.12.2.а), изобара изображается горизонтальной прямой 1-2. В обла
Изотермический процесс.
Изотермический процесс в p,v – ; T,S – ; h,S – диаграмах изображен на рис. 12.3.:
Как видно в p,v – диаграмме (рис. 12.3а) изотерма в области влажного пара изображается отрез
Адиабатный процесс.
На рис. 12.4. приведен ади- абатный процесс в p,v – ; T,S – ; h,S – диаграмах.
Равновесный адиабатный процесс протека
Теплоемкость и энтальпия влажного воздуха.
Изобарная теплоемкость влажного воздуха рассчитывается как сумма теплоемкостей 1 кг сухого воздуха и d кг водяного пара, т.е.:
Уравнение первого закона термодинамики для потока
До сих пор мы рассматривали только системы, вещество в которых не перемещалось (как целое) в пространстве; однако следует подчеркнуть, что первый закон ТТД имеет общий характер и сп
Сопла и диффузоры
Сопла и диффузоры – специально спрофилированные каналы, предназначенные для ускорения или торможения потока. Техническая работа в них не совершается, поэтому при условии горизонталь
Истечение из суживающегоcя сопла
Скорость газа на входе в сопло обозначим через c1. Будем считать, что давление газа на выходе из сопла p2 равно давлению среды, в которую вытекает газ.
Критическая скорость истечения
Критическая скорость устанавливается в устье сопла при истечении в окружающую среду с давлением, равным или ниже критического. Ее можно определить из уравнения (15.6), подставив в него вместо значе
Анализ профиля канала сопла
Основой для вывода общих закономерностей движения рабочего тела в соплах и диффузорах явл. уравнение неразрывности потока
m = F c / v = const , (15.8)
Дросселирование газов и паров
Если в трубопроводе на пути движения газа или пара встречается местное сужение, то вследствие сопротивлений, возникаю
Дифференциальный дроссельный эффект
Изменение температуры жидкостей и реальных газов при адиабатном дросселировании впервые было установлено опытами ученых Джоуля и Томсона в 1852 г. и называется эффектом Джоуля-Томсона.
Опы
Термодинамический анализ идеального компрессора
Идеализация компрессора и его работы заключается в следующем:
- Геометрический объем цилиндра компрессора равен рабочему объему (отсутствует вредное пространство);
- Отсутствует т
Действительная (реальная) индикаторная диаграмма компрессора
Действительная индикаторная диаграмма компрессора отличается от теоретической тем, что вследствие сопротивления, оказываемого впускным и нагнетательным клапанами проходящему газу, всасывание происх
Круговой процесс ДВС
Учитывая, что давление рабочего тела внутри двигателя порядка 3-10 Мпа, а температуры рабочего тела превышают критическую, рабочее тело можно рассматривать как идеальный газ.
По существу Д
Циклы Д.В.С. со смешанным подводом теплоты. Цикл Тринклера
Недостатком двигателя Дизеля по сравнению с двигателем Отто является: наличие компрессора для распыления жидкого топлива, на работу которого расходуется 6-10% общей
мощности двигателя; сло
ЛЕКЦИЯ 23
23.1. Циклы реактивных двигателей
Реактивный двигатель представляет собой устройство, в котором химическая энергия топлива преобразуется в кинетическую
Циклы ПВРД
ПВРД - это ВРД, в которых сжатие воздуха осуществляется только за счет скоростного напора. ПВРД могут применяться как для дозвуковых, так и для сверхзвуковых полетов.
Основным параметром П
Циклы пульсирующего ВРД
В пульсирующих ВРД со сгоранием топлива при u=соnst применяются обратные клапаны, которые устанавливаются на клапанной решетке 2 (рис.23.4) на входе в камеру сгорания 5.
Клапаны клапанной
Циклы ракетных двигателей
В РД используются ядерная, электрическая, тепловая и химическая энергии.
В настоящее время в РД наиболее широко используется химическая энергия топлива,
Циклы газотурбинных установок (ГТУ)
ГТУ называются теплоэнергетические устройства, в которых рабочим телом служат газообразные продукты сгорания топлива (или другие газы, нагретые т
Реальные циклы ГТУ
Реальные циклы ГТУ отличаются от идеальных тем, что в действительных циклах учитываются неизбежные тепловые потери.
На рис. 25.5 показан реальный цикл ГТ
ЛЕКЦИЯ 26
26.1. Цикл ГТУ со сгоранием при р=const, с регенерацией теплоты и с иотермическим зжатием воздуха
Такой цикл изображен в Т,S диаграмме на рис.26.1при наличии регенерации т
Паровой цикл Карно
Использование рабочего тела, изменяющего в течение цикла своё агрегатное состояние, позволяет осуществлять на практике цикл Карно.
В случае потока вещества технически наиболее просто осуще
Теоретический цикл ПТУ (цикл Ренкина)
Перечисленные выше недостатки, присущие паросиловой установке, в которой осуществляется цикл Карно на влажном паре, могут быть частично устранены, если отвод теплоты от влажного пара в конденсаторе
Цикл Ренкина с перегретым паром
Для того, чтобы увеличить термический к.п.д. цикла Ренкина, применяют так называемый перегрев пара в специальном элементе котла - пароперегревателе (рис.28.1), где пар нагревается д
А) Влияние начального давления пара
Анализируя цикл Ренкина рис. 28.3 для различных значений давления p1, при T1 = const и p2 = const, может сделать следующие выводы:
1. Чем выше давление p
Б) Влияние начальной температуры пара
Из рис. 28.4. видно, что η цикла Ренкина с ростом температуры перегрева пара при одном и том же давлении увеличивается, т.к. возрастает средняя температура подвода теплоты в цикле.
В) Влияние конечного давления в конденсаторе
При постоянных значениях начальных параметров пара T1 = const и p1 = сonst уменьшение конечного давления в конденсаторе приводит к повышению η цикла, т.к. в этом случае в
Цикл с промежуточным перегревом пара
Прежде всего следует заметить, что цикл Ренкина в чистом виде при высоких, а тем более сверхвысоких начальных параметрах пара (10МПа) осуществить невозможно по той причине, что влаж
Циклы холодильных установок и термотрансформаторов
Охлаждение тел до температуры ниже температуры окружающей среды и поддержание их в охлажденном состоянии в течение длительного времени составляют основную задачу холодильной техники. Для многих про
Цикл воздушной холодильной установки
Воздушная холодильная установка была одним из первых типов холодильных установок, применяемых на практике.
На рис. 29.1 приведена принципиальная схема воздушной холодильной машины (ВХМ).
Цикл парокомпрессорной холодильной установки
Более выгодны и удобны по сравнению с воздушными паровые компрессорные холодильные установки, позволяющие в области насыщенного пара осуществить изотермический отвод и подвод теплоты, отбираемой у
Абсорбционные холодильные машины
Основным преимуществом абсорбционных холодильных установок (АХУ) по сравнению с компрессорными явл. использование для выработки холода не электрической а тепловой энергии низкого и среднего потенци
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
V в процессе установления равновесия в системе может происходить только за счет уменьшения на ту же величину 
, которую может произвести система (работоспособность системы) – это, по аналогии с уравнением (7.1), часть максимальной работы, за вычетом работы, затрачиваемой на сжатие окр. среды: 
=Lмакс. – L0 , (7.2)
, (7.3)
, (7.4)
, (7.5)
Новости и инфо для студентов