Различают прямой и обратный цикл
План лекции.
1. I и II законы термодинамики – как исключение вечного двигателя I-го и II-го рода.
Равновесное состояние термодинамической системы, обратимый и необратимый процессы, циклы.
3. Цикл Карно: диаграммы цикла Карно; КПД цикла Карно; КПД реальных тепловых машин; теоремы Карно; обратный цикл Карно; холодильные машины; коэффициент преобразования.
II начало термодинамики, его формулировки.
Энтропия.
1. Второй закон термодинамики – является фундаментальным законом природы. Имеет большое практическое и философское применение.
Чтобы конструировать оптимальные системы, потребляющие горючее и производящие работу, необходимо уяснить ограничения, налагаемые II Н.Т.
Одна из формулировок:
Невозможно совершить работу за счет энергии тел, находящихся в тепловом равновесии.
Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии исключает возможность построения вечного двигателя первого рода, который бы совершал работу из ничего, без источника.
Второй закон термодинамики исключает возможность построения вечного двигателя второго рода – за счет тел находящихся в тепловом равновесии и за счет непосредственной передачи теплоты от менее нагретого к более нагретому телу или прямого преобразования теплоты в работу.
Равновесным называется состояние системы, в котором система может находиться сколь угодно долго и параметры:
p, V, T=const.
Если изолированная система переходит из состояния А в состояние В и обратно в А, и в системе и окружающих телах никаких изменений не происходит, то процесс обратимый.
При невыполнении этих условий – необратимый.
Если система переходит из А в В, а обратный переход осуществляется через другие промежуточные состояния, то это круговой процесс или цикл.
Циклы могут быть как обратимыми, так и необратимыми. Вообще тепловые процессы являются необратимыми. Необратимы все процессы, связанные с трением тел.
Однако, в ряде случаев, исключив контакт с окружающей средой (аддиабатически) можно приблизиться к обратимому процессу.
Различают прямой и обратный цикл.
Прямой цикл: при расширении 1-2 поглощается Q1 теплота, при сжатии 2-1 выделяется Q2.
Работа: А=Q1-Q2 .
Обратный цикл: А=Q2-Q1. Цикл холодильной машины.
3. Рассмотрим тепловую машину, КПД которой самый высокий, самая эффективная среди всех тепловых машин. Её называют машиной Карно, или циклом Карно. Теоретически КПД ее выше, чем у ДВС.
В машине Карно – цилиндр с поршнем. Источник энергии – бензин – для поддерживания Т1 –теплового источника. Трение, потери на теплопроводность исключены.
Резервуар с жидкой Т2 – например вода – с t=100C и нагреватель вода с t=1000C. При изотермическом расширении и нагревании забирается тепло Q1 (1-2). При адиабатическом расширении (2-3) – Q=0. ∆U=A температура падает до T2 чтобы привести в первоначальное состояние, необходимо: изотермически сжать (3-4) при этом остатки внутренней энергии газа в цилиндре уйдут в холодильник. (В машине Карно цилиндр с поршнем, но без клапанов, так что во всех цилиндрах многократно используется одно и то же вещество).
И аддиабатически сжать до 1 (4-1). В холодильный резервуар →Q2. Согласно Первому началу термодинамики потеря тепла за цикл Q1-Q2 должна перейти в работу, совершаемую газом в цилиндре по перемещению поршня:
A=Q1-Q2;
КПД – это относительное количество тепла, отобранного от нагревателя и переданного рабочему телу – газу:
;
Если известно Т1 - нагревателя и Т2 - холодильника, то можно получить:
;
Сравним машину Карно с ДВС. При горении бензина → Т1 
2400К – а в окружающий воздух переходит тепло и нагревает воздух до Т2 = 300К.
;
На самом же деле ηДВС = 0,56 = 56%, что происходит из-за потерь на трение, утечку тепла, вследствие необратимости процессов до ηР=30%.
Теорема Карно: КПД всех обратимых тепловых машин, имеющих один Т1 и Т2 одинаков и определяется, независимо от принципа работы.
η - любой реальной тепловой машины η<ηЦ.К.
Как мы увидели, большая часть полученной из топлива энергии возвращается холодильнику, т. е. в окружающую среду – нагрев окружающей среды – тепловое загрязнение. Так КПД электростанций вырабатывает энергию для обогрева – 30%. КПД атомных электростанций в тех же пределах из-за невозможности работать при высоких первоначальных температурах. Но опять же, надо учитывать, что это идеальный случай, без потерь.
– соответствует идеальным условиям;
Машину Карно можно заставить работать и в обратном направлении:
При этом Q2, будет отбираться от холодильника, а Q1 отдаваться нагревателю.
Q1 и Q2 – отрицательны. Тогда коэффициент преобразователя холодной машины:
;