рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Тепловые двигатели и холодильные машины. Цикл Карно и его к.п.д. для идеального газа.

Тепловые двигатели и холодильные машины. Цикл Карно и его к.п.д. для идеального газа. - Лекция, раздел Физика, Курс лекций по дисциплине «Физика»   Из Формулировки Второго Начала Термодинамики По Кельвину След...

 

Из формулировки второго начала термодинамики по Кельвину следует, что вечный двигатель второго рода — периодически действующий двигатель, совершающий рабо­ту за счет охлаждения одного источника теплоты, — невозможен. Для иллюстрации этого положения рассмотрим работу теплового двигателя (исторически второе начало термодинамики и возникло из анализа работы тепловых двигателей).

Принцип действия теплового двигателя приведен на рис.3. От термостата с более высокой температурой , называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты , а термостату с более низкой температурой , называемому холодильником, за цикл передается количество теплоты при этом совершается работа

Чтобы термический коэффициент полезного действия теплового двигателя (11) был равен 1, необходимо выполнение условия . т. е. тепловой двигатель должен иметь один источник теплоты, а это невозможно. Так, французский физик и инженер Н. Л. С. Карно (1796 — 1832) показал, что для работы теплового двигателя необ­ходимо не менее двух источников теплоты с различными температурами, иначе это противоречило бы второму началу термодинамики.

Процесс, обратный происходящему в тепловом двигателе, используется в холо­дильной машине, принцип действия которой представлен на рис.3. Системой за цикл от термостата с более низкой температурой отнимается количество теплоты и от­дается термостату с более высокой температурой количество теплоты . Для кругового процесса, согласно (10), , но, по условию, , поэтому или , т. е. количество теплоты отданное системой источнику теплоты при более высокой температуре , больше количества теплоты ,

полученного от источника теплоты при более низкой температуре , на величину работы, совершенной над системой. Следовательно, без совершения работы нельзя отбирать теплоту от менее нагретого тела и отдавать ее более нагретому. Это утверждение есть не что иное, как второе начало термодинамики в формулировке Клаузиуса.

Однако второе начало термодинамики не следует представлять так, что оно совсем запрещает переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. Ведь именно такой переход осуществляется в холодильной машине. Но при этом надо помнить, что внешние силы совершают работу над системой, т.е. этот переход не является единст­венным результатом процесса.

Основываясь на втором начале термодинамики, Карно вывел теорему, носящую теперь его имя: из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих оди­наковые температуры нагревателей () и холодильников (), наибольшим к.п.д. обладают обратимые машины; при этом к.п.д. обратимых машин, работающих при одинаковых температурах нагревателей () и холодильников (), равны друг другу и не зависят от природы рабочего тела (тела, совершающего круговой процесс и об­менивающегося энергией с другими телами), а определяются только температурами нагревателя и холодильника.

Карно теоретически проанализировал обратимый наиболее экономичный цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Его называют циклом Карно. Рассмотрим прямой цикл Карно, в котором в качестве рабочего тела используется идеальный газ, заключенный в сосуд с подвижным поршнем.

Цикл Карно изображен на рис. 5, где изотермические расширение и сжатие заданы соответственно кривыми 1-2 и 3-4, а адиабатические расширение и сжатие — кривы­ми 2-3 и 4-1. При изотермическом процессе поэтому, согласно (16.17), количество теплоты , полученное газом от нагревателя, равно работе расширения , совершаемой газом при переходе из состояния 1 в состояние 2:

(12)

При адиабатическом расширении 2-3 теплообмен с окружающей средой отсутствует и работа расширения совершается за счет изменения внутренней энергии (см. (1) и (8)):

Количество теплоты отданное газом холодильнику при изотермическом сжатии, равно работе сжатия :

(13)

Работа адиабатического сжатия:

Работа, совершаемая в результате кругового процесса,

и, как можно показать, определяется площадью, заштрихованной на рис.5.

Термический к.п.д. цикла Карно, согласно (11),

Применив уравнение (5) для адиабат 2-3 и 4-1, получим:

откуда

(14)

Подставляя (12) и (13) в формулу (11) и учитывая (14), получаем:

(15)

т.е. для цикла Карно к.п.д. действительно определяется только температурами нагревателя и холодильника. Для его повышения необходимо увеличивать разность температур нагревателя и холодильника. Например, при и Если же температуру нагревателя повысить на столько, а температуру холодильника понизить на 50К, то К.п.д. всякого реального теплового двигателя из-за трения и неизбежных тепловых потерь гораздо меньше вычисленного для цикла Карно.

Обратный цикл Карно положен в основу действия тепловых насосов. В отличие от холодильных машин тепловые насосы должны как можно больше тепловой энергии отдавать горячему телу, например системе отопления. Часть этой энергии отбирается от окружающей среды с более низкой температурой, а часть – получается за счет механической работы, производимой например, компрессором.

Теорема Карно послужила основанием для установления термодинамической шкалы температур. Сравнив левую и правую части формулы (15) получим:

(16)

Т.е. для сравнения температур и двух тел необходима осуществить обратимый цикл Карно, в котором одно тела используется в качестве нагревателя другое – холодильника. Из (16) видна, что отношение температур тел равно отношению от данного в этом цикле количества теплоты к полученному. Согласно теореме Карно, химический состав рабочего тела не влияет на результаты сравнения температур, поэтому такая термодинамическая шкала не связана со свойствами какого-то определенного термометрического тела. Отметим, что практически таким образом сравнивать температуры трудно, так как реальные термодинамические процессы, как уже указывалось, являются необратимыми.

 

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Курс лекций по дисциплине «Физика»

Воронежский институт высоких технологий.. факультет заочного обучения.. курс лекций по дисциплине физика для студентов заочной ускоренной формы..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Тепловые двигатели и холодильные машины. Цикл Карно и его к.п.д. для идеального газа.

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

КУРС ЛЕКЦИЙ
  по дисциплине «Физика» для студентов заочной (ускоренной) формы обучения   Лекция №1 Тема: «Введение» Вопросы: 1)Ф

Современная экспериментальная физика
Еще в начале XX века такие открытия как открытие Резерфордом атомного ядра можно было делать с помощью сравнительно простой аппаратуры. Но в дальнейшем эксперимент стал быстро усложняться и экспери

Лекция №2
Тема:«Кинематика материальной точки.» Вопросы: 1) Материальная точка. 2) Система отсчета. 3)Путь. Перемещение. Вычисление пройденного пути.

Скорость.
Для характеристики движения материальной точки вводится векторная величина – скорость, которая определяется как быстрота движения, так и его направление в данный моме

Ускорение.
При любом движении точки, кроме равномерного прямолинейного движения, скорость точки изменяется. Для характеристики быстроты изменения скорости

Лекция №3.
Тема: «Кинематика твердого тела.» Вопросы: 1)Абсолютно твердое тело. 2)Поступательное и вращательное движение твердого тела. 3)Вращение вокруг неподвижной оси.

Второй закон Ньютона.
Второй закон Ньютона - основнойзакон динамики поступательного движения- отвечает на вопросы, как изменяется механическое движение материальной точки (тела) под действием приложенных к ней си

Закон сохранения механической энергии. Абсолютно упругий удар.
  1. Механическая система называется консервативной, если все действующие на нее внешние и внутренние непотенциальные силы не совершают работы (δАнис ≡ 0), а все

Сложение взаимно перпендикулярных колебаний.
Рассмотрим результат сложения двух гармонических колебаний одинаковой частоты , происходящих во взаимно перпендикулярных направлениях вдоль

Первое начало термодинамики.
Рассмотрим термодинамическую систему, для которой механическая энергия не изменяется , а изменяется лишь её внутренняя энергия . Внутренняя энергия системы может изменяться в результате различных п

Работа газа при изменении его объёма.
  Для рассмотрения конкретных процессов найдём в общем виде внешнюю работу, совершаемую газом при изменении его объёма. Рассмотрим, например, газ, находящийся под поршнем в цилиндриче

Теплоёмкость.
Удельная теплоёмкость вещества - величина, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 кг вещества на 1К :

Применение первого начала термодинамики к изопроцессам.
  Среди равновесных процессов, происходящих с термодинамическими системами, выде­ляются изопроцессам, при которых один из основных параметров состояния сохраняется постоянным.

Круговой процесс (цикл). Обратимы и необратимые процессы.
  Круговым процессом (или циклом) называется процесс, при котором система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное. На диаграмме процессов цикл изоб­ражается замкнутой кри

Лекция №18.
Тема: “Основы термодинамики”. Вопросы : 1)Энтропия, ее статистическое толкование и связь с термодинамической вероятностью. 2) Второе начало термодинамики.  

Второе начало термодинамики
  Первое начало термодинамики, выражая закон сохранения и превращения энергии, не позволяет установить направление протекания термодинамических процессов. Кроме того, можно представит

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги