Цикл карно. газ, совершающий цикл карно

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания. К.П.Д. Цикла.

Цикл
Карно́ — идеальный термодинамический
цикл. Тепловая машина Карно, работающая
по этому циклу, обладает максимальным
КПД из всех машин, у которых максимальная
и минимальная температуры осуществляемого
цикла совпадают соответственно с
максимальной и минимальной температурами
цикла Карно.

Цикл
Карно состоит из четырёх стадий:

Изотермическое
расширение
(на рисунке — процесс
A→Б). В начале процесса рабочее тело
имеет температуруTH, то
есть температуру нагревателя. Затем
тело приводится в контакт с нагревателем,
который изотермически (при постоянной
температуре) передаёт ему количество
теплотыQH. При этом объём
рабочего тела увеличивается.

Адиабатическое
(изоэнтропическое) расширение
(на
рисунке — процесс Б→В). Рабочее тело
отсоединяется от нагревателя и продолжает
расширяться без теплообмена с окружающей
средой. При этом его температура
уменьшается до температуры холодильника.

Изотермическое
сжатие
(на рисунке — процесс В→Г).
Рабочее тело, имеющее к тому времени
температуруTX, приводится
в контакт с холодильником и начинает
изотермически сжиматься, отдавая
холодильнику количество теплотыQX.

Адиабатическое
(изоэнтропическое) сжатие
(на рисунке
— процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется
от холодильника и сжимается без
теплообмена с окружающей средой. При
этом его температура увеличивается до
температуры нагревателя.

При
изотермических процессах температура
остаётся постоянной, при адиабатических
отсутствует теплообмен, а значит,
сохраняется энтропия (посколькуприδQ
= 0).

Поэтому
цикл Карно удобно представить в
координатах T и S

Количество
теплоты, полученное рабочим телом от
нагревателя при изотермическом
расширении, равно.

Аналогично,
при изотермическом сжатии рабочее тело
отдало холодильнику

.

Отсюда
коэффициент
полезного действия

тепловой машины Карно равен

.

Из
последнего выражения видно, что КПД
тепловой машины Карно зависит только
от температур нагревателя и холодильника.
Кроме того, из него следует, что КПД
может составлять 100 %
только в том
случае, если температура холодильника
равна абсолютному нулю. Это невозможно,
но не из-за недостижимости абсолютного
нуля (этот вопрос решается только третьим
началом термодинамики, учитывать которое
здесь нет необходимости), а из-за того,
что такой цикл или нельзя замкнуть, или
он вырождается в совокупность двух
совпадающих адиабат и изотерм.

Можно
показать, что КПД любой тепловой машины,
работающей по циклу, отличному от цикла
Карно, будет меньше КПД тепловой машины
Карно, работающей при тех же температурах
нагревателя и холодильника.

Барометрическая формула. Распределение Больцмана.

При
выводе основного уравнения
молекулярно-кинетической теории газов
и максвелловского распределения молекул
по скоростям делалось предположение,
что внешние силы не действуют на молекулы
газа, поэтому молекулы равномерно
распределены по объему. Но молекулы
любого газа находятся в потенциальном
поле тяготения Земли. Сила тяжести, с
одной стороны, и тепловое движение
молекул — с другой, приводят газ к
некоторому стационарному состоянию,
при котором давление газа с высотой
уменьшается.

Выведем
закон изменения давления с высотой,
предполагая при этом, что масса всех
молекул одинакова, поле тяготения
однородно и температура постоянна.

Рис.1

Если
атмосферное давление на высоте h равно
р (рис. 1), то на высоте h+dh оно равно p+dp
(при dh>0 dp<0, так как давление с высотой
уменьшается). Разность давлений р и p+dp
равна весу газа, заключенного в объеме
цилиндра высотой dh с основанием площадью
1 м2:

где
ρ — плотность газа на высоте h (dh настолько
мало, что при изменении высоты в этом
интервале плотность газа можно считать
постоянной). Значит,

(1)

Зная
уравнение состояния идеального газа
pV=(m/M) RT (m — масса газа, М — молярная масса
газа), находим, что

Подставив
это выражение в (1), получим

или

С
изменением высоты от h1 до
h2 давление
изменяется от р1 до
р2 (рис.
67), т. е.

или

(2)

Выражение
(2) называется барометрической
формулой
.
Она позволяет вычислить атмосферное
давление в зависимости от высоты или,
измеряя давление, найти высоту: Так как
высоты считаются относительно уровня
моря, где давление считается нормальным,
то выражение (2) может быть представлено
в виде

(3)

где
р — давление на высоте h.

Прибор
для определения высоты над земной
поверхностью называется высотомером (или альтиметром).
Его работа основана на применении
формулы (3). Из этой формулы следует, что
чем тяжелее газ, тем давление с высотой
убывает тем быстрее.

Барометрическую
формулу (3) можно преобразовать, если
воспользоваться формулой p=nkT:

где
n – концентрация молекул на высоте h,
n –
то же, на высоте h=0. Так как M=mNA (NA –
постоянная Авогадро, m –
масса одной молекулы), a R=kNA,
то

(4)

где
mgh=P
— потенциальная энергия молекулы в
поле тяготения, т. е.

(5)

Выражение
(5) называется распределением
Больцмана
 для
внешнего потенциального поля. Из него
видно, что при постоянной температуре
плотность газа больше там, где меньше
потенциальная энергия его молекул.

Если
частицы находятся в состоянии хаотического
теплового движения и имеют одинаковую
массу и , то распределение Больцмана
(5) применимо в любом внешнем потенциальном
поле, а не только в поле сил тяжести.

КПД

Цикл Карно основывается на двух изотермических и двух адиабатических процессах. Они обратимы.

Здесь используются исключительно обратимые изотермические и адиабатические процессы. Теплообмен Qh поступает в рабочее вещество в период изотермического пути АВ при стабильной температуре Th. Теплопередача осуществляется во время изотермического пути CD при температурной отметке Tc. Тогда W равно площади внутри пути – ABCDA. Также отображена схема двигателя Карно, функционирующего между горячими и прохладными резервуарами при показателях Th и Tc

Карно выявил эффективность идеального теплового двигателя:

Для идеального двигателя вычислили, что соотношение Qc/Qh приравнивается к отношению абсолютных температур. То есть Qc/Qh = Tc/Th. Никакому тепловому двигателю не сравнится с эффективностью Карно. Реальная эффективность достигает лишь 0.7 от этого максимума.

Введение
  • Работа
  • Нулевой закон
Первый закон термодинамики
  • Первый закон термодинамики
  • Постоянное давление и объем
  • Изотермические процессы
  • Адиабатические процессы
  • Человеческий метаболизм
Второй закон термодинамики
  • Второй закон термодинамики
  • Тепловые двигатели
  • Циклы Карно
  • Тепловые насосы и холодильники
Энтропия
  • Что такое энтропия?
  • Тонкая интерпретация энтропии
  • От порядка к беспорядку
  • Тепловая смерть
  • Живые системы и эволюция
  • Повторное глобальное потепление
  • Тепловое загрязнение
Третий закон термодинамики
  • Третий закон термодинамики
  • Адиабатические процессы

Этапы

Цикл Карно при работе в качестве теплового двигателя состоит из следующих этапов:

  1. Изотермическое расширение. Тепло передается обратимо от высокотемпературного резервуара при постоянной температуре T H (изотермическое добавление или поглощение тепла). Во время этого шага (1-2 на , от A до B на ) газу позволяют расширяться, воздействуя на окружающую среду, толкая вверх поршень (стадия 1, рисунок справа). Хотя давление падает от точек 1 до 2 (рисунок 1), температура газа не изменяется во время процесса, потому что он находится в тепловом контакте с горячим резервуаром при T h , и, таким образом, расширение является изотермическим. Тепловая энергия Q 1 поглощается из высокотемпературного резервуара, что приводит к увеличению энтропии газа на величину.
    ΔS1знак равноQ1Тчас{\ displaystyle \ Delta S_ {1} = Q_ {1} / T_ {h}}
  2. Изэнтропическое ( обратимое адиабатическое ) расширение газа (изэнтропическая работа на выходе). На этом этапе (2–3 на , от B до C на ) газ в двигателе теплоизолирован как от горячего, так и от холодного резервуара. Таким образом, они не набирают и не теряют тепло — это « адиабатический » процесс. Газ продолжает расширяться за счет снижения давления, совершая работу с окружающей средой (поднимая поршень; фигура 2, справа) и теряя количество внутренней энергии, равное проделанной работе. Расширение газа без подвода тепла вызывает его охлаждение до «холодной» температуры T c . Энтропия остается неизменной.
  3. Изотермическое сжатие. Тепло передается обратимо низкой температуры резервуара при постоянной температуре T C . (отвод изотермического тепла) (3-4 на , от C до D на ) Теперь газ в двигателе находится в тепловом контакте с холодным резервуаром при температуре T c . Окружающая среда действительно воздействует на газ, толкая поршень вниз (рисунок стадии 3, справа), в результате чего количество тепловой энергии Q 2 уходит из системы в низкотемпературный резервуар, а энтропия системы уменьшается на это количество . (Это то же количество энтропии, которое было поглощено на шаге 1, как видно из неравенства Клаузиуса .)
    ΔS2знак равноQ2Тc{\ displaystyle \ Delta S_ {2} = Q_ {2} / T_ {c}}
  4. Адиабатическое обратимое сжатие. (4 к 1 на , от D к A на ) Еще раз, газ в двигателе теплоизолирован от горячего и холодного резервуаров, и предполагается, что двигатель не имеет трения, следовательно, обратимый. Во время этого этапа окружающая среда воздействует на газ, толкая поршень дальше (рисунок 4, справа), увеличивая его внутреннюю энергию, сжимая его и заставляя его температуру подниматься обратно до T h исключительно за счет работы, добавленной к системы, но энтропия остается неизменной. В этот момент газ находится в том же состоянии, что и в начале шага 1.

Рисунок 1 : Цикл Карно, изображенный на фотоэлектрической диаграмме для иллюстрации проделанной работы.

В этом случае,

ΔS1знак равноΔS2{\ Displaystyle \ Delta S_ {1} = \ Delta S_ {2}},

или,

Q1Тчасзнак равноQ2Тc{\ displaystyle Q_ {1} / T_ {h} = Q_ {2} / T_ {c}}.

Это верно, поскольку и оба ниже и фактически находятся в том же соотношении, что и .
Q2{\ displaystyle Q_ {2}}Тc{\ displaystyle T_ {c}}Q1Тчас{\ displaystyle Q_ {1} / T_ {h}}

График давление – объем

Когда цикл Карно нанесен на диаграмму давление-объем ( ), изотермические стадии следуют линиям изотерм для рабочего тела, адиабатические стадии перемещаются между изотермами, а область, ограниченная траекторией полного цикла, представляет собой общую работу, которая можно делать за один цикл. В точках 1–2 и 3–4 температура постоянна. Теплоотдача от точки 4 к 1 и от точки 2 к 3 равна нулю.

Литература

  •  (фр.)
  • Бахшиева Л. Т., Кондауров Б. П., Захарова А. А., Салтыкова В. С. Техническая термодинамика и теплотехника / Под ред. проф А. А. Захаровой. — 2-е изд., испр. — М.: Академия, 2008. — 272 с. — (Высшее профессиональное образование). — ISBN 978-5-7695-4999-1.
  •  (недоступная ссылка)
  • Кинан Дж. Термодинамика / Пер с англ. А. Ф. Котина под ред. М. П. Вукаловича. — М.—Л.: Госэнергоиздат, 1963. — 280 с.
  • Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1. — Издание 3-е, доп. — М.: Наука, 1976. — 584 с. — («Теоретическая физика», том V).
  • Крестовников А. Н., Вигдорович В. Н. Химическая термодинамика. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Металлургия, 1973. — 256 с.
  • Николаев Г. П., Лойко А. Э. Техническая термодинамика. — Екатеринбург: УрФУ, 2013. — 227 с.
  • Румер Ю. Б., Рывкин М. Ш. Термодинамика, статистическая физика и кинетика. — 2-е изд., испр. и доп. — Новосибирск: Изд-во Носиб. ун-та, 2000. — 608 с. — ISBN 5-7615-0383-2.
  • Савельев И. В. Курс общей физики:Молекулярная физика и термодинамика. — М.: Астрель, 2001. — Т. 3. — 208 с. — 7000 экз. — ISBN 5-17-004585-9.
  • Сивухин Д. В. Общий курс физики. — Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 5 изд., испр.. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. — 544 с. — ISBN 5-9221-0601-5.

70.Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия. Критерии различных агрегатных состояний вещества.

Твёрдые тела. Сила
и потенциаль ная энергия межмолекулярного
взаимодействия при рассмотрении реальных
газов, т.е. газов, свойства которых
зависят от взаимодействия моле кул,
надо учитывать силы межмолекулярного
взаи мод. Они короткодействующие и
проявляются на расстоянии меньше 10-9ст.
м. На расстоянии r
= r0
силы притяжения и отталкивания равны.
r0
соот ветствует равновесному расстоянию
между моле кулами на которых бы они
находились в отсутствии теплового
движения.При r<r0
преобладают силы отталкивания, при r>r0
преобладают силы притяже ния. Из
приведённой потенциальной кривой следу
ет, что система из двух взаимодействующих
молекул в состоянии устойчивого
равновесия (r
= r0)
обладает минимальной потенциальной
энергией. Критерии различных агрегатных
состояний вещ-ва:

nmin<<kT(в-во
находиться в газообразном
состоянии)
nmin=kT(в-во
в жидком состоянии)

nmin>>kT(в-во
в твердом состоянии)

71 Уравнение
Ван-дер-Вальса. Учет собственного оъема
молекул. Учет притяжения молекул.

Объем одного моля
реального газа Vm-b,
где b-об
ъем занимаемый самими молекулами. b
равен учетверенному собственному объему
молекул. Де йствие сил притяжения между
молекулами газов приводит к появлению
дополнительного давления на газ —
внутреннее давление. P=a/V2m-внутреннее
дав ление обратно пропорционально
квадрату моляр ного объема, а-постоянная
Ван-дер-Вальса, хара ктеризующая силы
молекулярного притяжения. Ур авнение
Ван-дер-Вальса (P-a/V2m)*(Vm-b)=RT-для
одного моля реального газа; PVm=RT-для
одного моля идеального газа. Поправки
Ван-дер-Вальса a
и b
постоянные для каждого газа величины.

72 Изотермы
Ван-дер-Вальса и их анализ.

Изотермы Ван-дер-Вальса-кривые опре
деляющие зависимость давления от
молекулярного объема при заданных
температурах для одного моль газа. При
некоторой температуре Ткрит
на изотерме появляются точки перегиба,
в них касательная параллельна оси
абсцисс. Точка К- критическая. Давление
и объем в этой точке называются кри
тическими. Изотерма реального газа
отличается от изотермы идеального газа
только некоторым искажением формы. При
низкой температуре изотермы имеют
волнообразный участок. Сначала монотонно
опускаясь, затем монотонно поднима ясь.
При одной Т (Т<Ткрит)
одному
значению Р может соответствовать три
значения объема V1,V2,V3
,а при Т>Ткрит
только одно значение объема. В критической
точке К все три корня (объема) совпадают
и равны объему при Ткрит.
Р(V-Vкрит)3=0.Рассмотрим
одну из изотерм. При T<Tкрит
На участке 765 при уменьшени объема
давление возрастает, аналогично на
участ ке 321.На участке 543 объем уменьшается,
а дав ление должно увеличиваться. Наличие
участка 3-5 означает , что при постепенно
изменяемом объ еме вещество не может
оставаться виде одноро дной среды. Т.е.
в некоторый момент времени происходит
распад вещества на две фазы. Т.к. истинная
изотерма –ломанная 1-7 , то в состояниях
соответствующих кривой 2-6 наблюдается
равно весие жидкости и газа. Если через
крайние точки горизонтальных участков
семейства изотерм про вести линию, то
получится колоколообразная кри вая,
которая ограничивает область двухфазных
со стояний вещества – эта кривая и
критическая изо терма делит диаграмму
PV
под изотермой на три области. Пар- это
вещество находящееся в газо образном
состоянии при Т<Ткрит.
Насыщенный пар- пар находящийся в
равновесии со своей жидкос тью. Пар
отличается от остальных состояний тем
, что при изотермическом сжатии , его
можно под вергнуть сжижению. Газ при
Т>Ткрит
не может быть превращен в жидкость не
при каком давлении.

Бытовой холодильник

Основная идея домашнего холодильника проста: он использует испарение хладагента для поглощения тепла от охлаждаемого пространства в холодильнике. Есть четыре основные части в любом холодильнике:

  • Компрессор.
  • Трубчатый радиатор вне холодильника.
  • Расширительный клапан.
  • Теплообменные трубы внутри холодильника.

Обратный цикл Карно при работы холодильника выполняется в следующем порядке:

  • Адиабатическое сжатие. Компрессор сжимает пары хладагента, повышая их температуру и давление.
  • Изотермическое сжатие. Высокотемпературный и сжатый компрессором пар хладагента рассеивает тепло в окружающую среду (высокотемпературный резервуар) при протекании через радиатор вне холодильника. Пары хладагента конденсируются (сжимаются) в жидкую фазу.
  • Адиабатическое расширение. Жидкий хладагент протекает через расширительный клапан, чтобы уменьшить его давление.
  • Изотермическое расширение. Холодный жидкий хладагент испаряется, когда он проходит через теплообменные трубы внутри холодильника. В процессе испарения его внутренняя энергия растет, и этот рост обеспечивается отбором тепла от внутреннего пространства холодильника (низкотемпературный резервуар), в результате чего оно охлаждается. Затем газ поступает в компрессор для сжатия снова. Обратный цикл Карно повторяется.

Обратный цикл Карно

В термодинамике холодильных установок и тепловых насосов рассматривают обратный цикл Карно.
При этом рабочим телом являются пары легкокипящих жидкостей – фенол, аммиак и т.п. Процесс перекачки теплоты от тел, помещенных в холодильную камеру, в окружающую среду происходит за счет затрат электроэнергии.

Обратный цикл Карно. В обратном цикле Карно те же процессы происходят в обратной последовательности. Исходное состояние рабочего тела теперь — точка . Адиабатически сжатое компрессором по линии рабочее тело охлаждается изотермически по линии и далее продолжает расширяться адиабатически по линии . На изотерме к рабочему телу подводится теплота камеры охлаждения и оно возвращается к исходному состоянию точки .

При этом чем меньше разность температур между холодильной камерой и окружающей средой, тем меньше нужно затратить энергии для передачи теплоты от холодного тела к горячему и тем выше холодильный коэффициент.

Анализ обратного цикла Карно показывает, что передача теплоты от тела менее нагретого телу более нагретому возможна, но этот процесс требует соответствующей энергетической компенсации в системе, в виде затраченной работы или теплоты более высокого потенциала, способного совершить работу при переходе на более низкий потенциал.

Энтропия — часть внутренней энергии замкнутой системы или энергетической совокупности Вселенной, которая не может быть использована, в частности не может перейти или быть преобразована в механическую работу. Существует мнение, что мы можем смотреть на энтропию и как на меру беспорядка в системе.

Несколько слов об обратимости физических процессов

Физический (а в узком смысле термодинамический) процесс в некоторой системе тел (включающей твердые тела, жидкости, газы) является обратимым, если после того, как он был осуществлен, можно восстановить состояние, в котором система находилась до его начала. Если она не может вернуться в исходное состояние в конце процесса, то он является необратимым.

Обратимые процессы не встречаются в природе. Это идеализированная модель реальности, своеобразный инструмент ее исследования в физике. Примером такого процесса является цикл Карно. Идеальная тепловая машина — это модель реальной системы, реализующая процесс, носящий имя французского физика Сади Карно, который его впервые описал.

3.4. Теоремы Карно – Клаузиуса.

Рис.
3.3. Цикл Карно
для

насыщенного
пара

В рассмотренном цикле Карно рабочим
телом является идеальный газ. Идеальный
газ можно заменить другим рабочим
веществом, например, насыщенным водяным
паром. В таком случае также можно
осуществить цикл из двух изотерм и двух
адиабат, при этом изотермы будут
одновременно и изобарами (рис. 3.3).
Изотерма АВ соответствует испарению
воды, а изотерма СD – конденсации пара.
Однако выражение (3.2) для к.п.д. остается
справедливым и в этом случае.

Предположим,
что оба цикла (с идеальным газом и водяным
паром) функционируют обратимо при тех
же температурах холодильников (Т2)
и нагревателей (T1) и получают
одинаковое количество теплаот нагревателей. Пусть одна машина
работает в прямом направлении, производя
работу, а другая – в обратном, передавая
тепло от холодильника к нагревателю и
затрачивая некоторую работу.

Свяжем обе машины
между собой. Если циклы не эквивалентны
(например, к.п.д. прямого цикла больше),
работа, произведенная одним, будет
больше работы, затраченной другим:

, (3.10)

т.е.

. (3.11)

В целом вся система
совершит некоторую работу. Но система
не извлекает тепла из нагревателя, так
как одна из машин возвращает источнику
все тепло, полученное другой. Таким
образом, вся работа производится
вследствие теплообмена с единственным
источником – холодильником, что
противоречит второму закону термодинамики.
Полная работа должна быть равна нулю,
равенство двух теплот Qвлечет
необходимость равенства

и к.п.д.. (3.12)

Таким образом, к.п.д.машины, обратимо работающей по циклу
Карно, не зависит от природы рабочего
тела
(первая теорема Карно – Клаузиуса).

Сравним обратимый
цикл Карно с циклом, в котором хотя бы
один из процессов необратим. Природа
рабочего тела и температуры источников
в обоих случаях одинаковы. Пусть работа,
совершаемая необратимой машиной,
затрачивается на приведение в действие
обратимой машины, работающей в обратном
направлении. Примем, что количество
тепла, получаемое от нагревателя первой
машиной, равно количеству тепла, которое
передается нагревателю машиной,
работающей по обратимому циклу. В этом
случае полный теплообмен между
нагревателем и системой из двух машин,
равен нулю, и система не может производить
положительную работу ибо в противном
случае она представляла бы собой вечный
двигатель второго рода.

Полная работа может
быть равна нулю только при условии, что
тепло, отобранное от холодильника в
обратном цикле, равно теплу, переданному
холодильнику в прямом цикле. Но в этом
случае обратимый цикл должен подвергаться
всем изменениям, связанным с необратимостью
другого цикла, что противоречит нашим
первоначальным условиям. Значит,
количество тепла, переданное в необратимом
цикле холодильнику, по абсолютному
значению может быть только больше
количества тепла, полученного в обратимом
цикле, т.е. к.п.д. необратимого цикла
Карно меньше к.п.д. обратимого цикла
.

Сказанное выше можно
отнести к любому циклу. Рассмотрим
произвольный цикл авсd(рис.3.4). Его
можно представить бесконечно большим
количеством бесконечно малых циклов
Карно, каждый из которых состоит из двух
бесконечно малых отрезков изотерм=
(Т1–Т1)
и= (Т2+Т2)
и конечных отрезков адиабат.

Суммарная площадь
всех элементарных циклов Карно на
бесконечно малую величину меньше площади
цикла abcd. К.п.д. каждого элементарного
цикла

, (3.13)

Рис.
3.4. Разбиение
произвольного цикла на элементарные
циклы Карно

и средний к.п.д. любого цикла меньше
к.п.д. цикла Карно в том же интервале
температур T – T . Следовательно,к.п.д.
любого цикла меньше к.п.д. цикла Карно
между теми же температурами
(теорема
Карно).

Обобщая сказанное,
можно записать выражение для к.п.д.
любого цикла:

, (3.14)

где знак равенства
относится к обратимому циклу Карно, а
знак неравенства – ко всем остальным
циклам.

Комментарии

  1. В реальных тепловых машинах цикл Карно не используют, поскольку практически невозможно осуществить процессы изотермического сжатия и расширения. Кроме того, полезная работа цикла, представляющая собой алгебраическую сумму работ во всех четырех составляющих цикл частных процессах, даже в идеальном случае полного отсутствия потерь мала по сравнению с работой в каждом из частных процессов, то есть мы имеем дело с обычной ситуацией, когда итоговый результат представляет собой малую разность больших величин. Применительно к математическим вычислениям это означает высокую отзывчивость результата даже на небольшие вариации значений исходных величин, а в рассматриваемом нами случае соответствует высокой чувствительности полезной работы цикла Карно и его КПД к отклонениям от идеальности (потерям на трение). Эта связь с отклонениями от идеальности настолько велика, что с учетом всех потерь полезная работа цикла Карно приближается к нулю.

68.Холодильные машины.

Холодильная машина
– это периодически действующая установка,
в которой за счёт работы внешних сил,
теплота передаётся от менее нагре тых
тел к более. Принцип работы: система
изоцик ла термостат с более низкой Т2
отнимается кол-во теплоты Q2
и отдаётся термостату с более высокой
температурой Т1 количество теплоты Q1.
Для кругового процесса:Q=A;Q=Q2-Q1;Q2-Q1=
A

Т.е. кол-во теплоты
Q1,
отданное системой источнику теплоты
при более высокой температуре Т1 больше
кол-ва теплоты Q2,
полученного от исто чника теплоты с
меньшим Т2 на величину работы совершённую
над системой. Без совершения ра боты
нельзя отбирать тепло от менее нагретого
тела к более нагретому. Эффективность
холо дильной машины характеризуется
холодильным коэффициентом:ɳ=Q2/A=Q2/(Q1-Q2)цикл
Карно

Как идеальный газ совершает цикл Карно?

Рассмотрим идеальный тепловой двигатель, содержащий цилиндр с газом и поршнем. Четырьмя обратимыми процессами цикла работы такой машины являются:

1. Обратимое изотермическое расширение. В начале процесса газ в цилиндре имеет температуру TH. Через стенки цилиндра он контактирует с нагревателем, имеющим с газом бесконечно малую разность температур. Следовательно, соответствующий фактор необратимости в виде конечной разности температур отсутствует, и имеет место обратимый процесс теплопередачи от нагревателя к рабочему телу — газу. Его внутренняя энергия растет, он расширяется медленно, выполняя при этом работу по перемещению поршня и оставаясь при постоянной температуре TH. Общее количество теплоты, передаваемой газу нагревателем во время этого процесса, равно QH, однако только часть ее в дальнейшем преобразуется в работу.

2. Обратимое адиабатическое расширение. Нагреватель удаляют, и газ, совершающий цикл Карно, медленно расширяется далее адиабатическим образом (с неизменной энтропией) без теплообмена через стенки цилиндра или поршень. Его работа по перемещению поршня приводит к уменьшению внутренней энергии, что выражается в снижении температуры от TH до TL. Если предположить, что поршень движется без трения, то процесс является обратимым.

3. Обратимое изотермическое сжатие. Цилиндр приводится в контакт с холодильником, имеющим температуру ТL. Поршень начинает толкать обратно внешняя сила, выполняющая работу по сжатию газа. При этом его температура остается равной ТL, а процесс, включающий теплопередачу от газа к холодильнику и сжатие, остается обратимым. Общее количество теплоты, отводимой от газа в холодильник, равно QL.

4. Обратимое адиабатическое сжатие. Холодильник удаляется, и газ медленно сжимается далее адиабатическим образом (при постоянной энтропии). Его температура поднимается от TL до ТН. Газ возвращается в исходное состояние, что завершает цикл.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий