Круговой термодинамический процесс доклад
Обновлено: 08.07.2024
Молекулярная физика - это раздел физики, который рассматривает свойства макроскопических тел и их агрегатные состояния с точки зрения их молекулярного строения, взаимодействия и движения молекул. Она изучает явления, происходящие внутри макроскопических тел.
Основы молекулярной физики были заложены трудами Ломоносова, Джоуля, Больцмана, Клаузиуса, Максвелла и других ученых. Благодаря их трудам молекулярная физика прочно утвердилась в науке. Непосредственным опытным подтверждением молекулярно-кинетической теории являются процесс диффузии, броуновского движения, распространения запаха и многие другие явления.
Движение каждой молекулы в веществе может быть описано законами классической механики. Однако число молекул в веществе чрезвычайно велико, направления и величины скоростей молекул совершенно случайны и непрерывно изменяются так, что становится невозможным охватить уравнениями движения всю совокупность молекул и сделать какие-либо выводы об их поведении.
Тем не менее, состояние вещества и его изменение определяется заданием небольшого числа определенных параметров, как температура, давление, объем, плотность и т.д., значения которых невозможно указать на основе решений уравнений классической механики. Дело в том, что свойства огромного числа молекул подчиняется особым, статистическим закономерностям. Статистическая физика изучает статистические закономерности, описывающие поведение большой совокупности объектов. Она основывается на теории вероятностей и позволяет вычислять средние значения величин, характеризующих движение всей совокупности молекул (средние скорости молекул, средние кинетические энергии, средние значения импульса и т. д.) и на этой основе истолковывает свойства вещества, непосредственно наблюдаемые на опыте (давление, температура и т.д.). В этом состоит суть молекулярно-кинетического изучения вещества.
Наряду со статистическим, существует термодинамический метод изучения вещества. В отличие от статистического метода термодинамический метод не интересуется строением вещества. Термодинамика изучают условия превращения энергии и характеризует их с количественной стороны.
В основе термодинамики лежит небольшое число закономерностей, установленных на основе большого числа опытных фактов и получивших название начала термодинамики.
У статистической физики и термодинамики общий предмет изучения – свойства вещества и происходящие в нем процессы. Подходя к изучению этих свойств с разных точек зрения, эти методы взаимно дополняют друг друга.
Совокупность тел, могущих обмениваться энергией между собой и с внешними телами, не входящими в эту систему, называется термодинамической системой. Одним из основных понятий термодинамики является понятие состояния системы. Состояние системы определяется совокупностью значений всех величин, характеризующих физические свойства системы и называемых термодинамическими параметрами (температура, давление плотность, теплоемкость, электропроводность и т. д.). Состояние системы называется стационарным, если значения всех термодинамических параметров не изменяются во времени. Стационарное состояние называется равновесным, если его неизменность не обусловлена протеканием каких-либо процессов во внешних по отношению к данной системе телах.
Исследования показывают, что параметры состояния тел взаимно связаны и могут быть выражены друг через друга. Поэтому термодинамическое состояние задается только ограниченным числом параметров состояния. Такие параметры называются основными параметрами состояния. Важнейшими параметрами состояния химически однородных систем являются плотность, объем, давление, температура. И между этими параметрами существует связь, выражаемая в виде математического уравнения . Уравнение, связывающее основные параметры состояния, называется уравнением состояния системы.
Ранее нами рассматривались процессы получения работы, как за счет подвода теплоты, так и за счет изменения внутренней энергии рабочего тела. Однако при однократном расширении рабочего тела можно получить ограниченное количество работы. Для непрерывного превращения теплоты в работу необходимо, чтобы процесс совершался непрерывно, т.е. шёл по кругу. Термодинамический процесс, в котором начальное и конечное состояния совпадают, называется круговым процессом или циклом. Для повторного получения работы необходимо возвратить рабочее тело в исходное состояние, то есть сжать рабочее тело. На сжатие рабочего тела должна быть затрачена работа, эта работа подводится к рабочему телу от какого-либо внешнего источника.
Рис. 11. К выбору кругового процесса.
Очевидно, что процесс сжатия рабочего тела нужно осуществлять по пути, отличному от пути процесса расширения. Иначе суммарная работа, полученная в результате кругового процесса, будет равна нулю:
Путь процесса сжатия следует выбирать таким образом, чтобы работа сжатия по абсолютной величине была меньше работы расширения. На рис. pv-диаграмме приведен круговой процесс, в котором рабочее тело расширяется по кривой 1-3-2.При этом работа расширения численно равна пл. 132451. Процесс возвращения рабочего тела из конечного состояния 2 в начальное состояние может осуществляться одним из следующих путей:
1. По кривой сжатия 2-3-1. При этом работа сжатия (пл. 231542) будет равна работе расширения (пл. 132451). В результате суммарная работа в таком круговом процессе равна нулю.
2. По кривой сжатия 2-6-1, расположенной над кривой расширения 1-3-2. При этом работа сжатия (пл. 261542) больше работы расширения (пл. 132451). Суммарная работа в таком круговом процессе будет отрицательной.
3. По кривой сжатия 2-7-1, расположенной ниже кривой расширения. В этом круговом процессе работа расширения (пл. 132451) больше работы сжатия (пл. 271542), аплощадь, ограниченная замкнутой кривой 1-3-2-7-1, представляет собой работу цикла. Следовательно, чтобы работа была положительной, нужно, чтобы кривая сжатия 2-7-1в рv-диаграмме была расположена ниже кривой расширения 1-3-2. Многократно, повторяя такой круговой процесс, можно за счет подвода теплоты получить любое количество работы,
Рис. 12. Замкнутый круговой процесс (цикл)
а – прямой , б – обратный цикл.
Цикл, в результате которого производится положительная работа, называется прямым. Такой цикл в Рv-диаграмме протекает по часовой стрелке. Все тепловые двигатели работают по прямым циклам (рис. 12 а).
Цикл, в результате которого получается отрицательная работа, называется обратным (рис. 12 б). В нем работа сжатия больше работы расширения. По обратным циклам работают холодильные машины.
Циклы могут быть обратимыми и необратимыми.
Обратимым термодинамическим циклом называется цикл, все процессы в котором обратимы.
Необратимым термодинамическим циклом называется цикл, в котором хотя бы один из составляющих его процессов необратим.
Для отвода и подвода теплоты используются источники теплоты. Если источник отдает рабочему телу теплоту, то его называют теплоотдатчиком, или горячим источником теплоты (нагревателем), если источник получает от рабочего тела теплоту - теплоприемником, или холодным источником теплоты (холодильником).
В термодинамическом процессе получить работу можно за счет либо подведения теплоты, либо траты внутренней энергии системы, либо одновременно за счет того и другого. При любом процессе расширения газа все же наступит момент, когда температура и давление рабочего тела станут равными температуре и давлению окружающей среды, и на этом прекратится получение работы.
Для повторного получения работы необходимо возвратить рабочее тело в первоначальное состояние, т.е. осуществить процесс сжатия рабочего тела.
Этот замкнутый процесс называется круговым процессом или циклом . В диаграммах равновесные циклы изображаются замкнутыми кривыми, так как двум тождественным состояниям – началу и концу кругового процесса – соответствует на диаграмме одна и та же точка.
Рассмотрим произвольный цикл в координатах p - v (рис. 7.1).
Работа цикла равна алгебраической сумме работ всех составляющих цикл процессов. На рабочей диаграмме работа цикла численно равна площади фигуры, заключенной внутри цикла.
По направленности процессов, т.е. идет цикл по кривой 1 – a – 2 – b – 1 (по часовой стрелке) или совершается в противоположном направлении, по кривой 1 – b – 2 – a – 1 (против часовой стрелки), все циклы делятся на прямые и обратные.
Цикл, в котором работа расширения больше работы сжатия (), называется прямым (на рис. 7.1 это 1 – a – 2 – b – 1 ). В результате совершения прямого цикла ( 1 – a – 2 – b – 1 ) получается положительная работа (). Поэтому все циклы тепловых двигателей являются прямыми циклами, в тепловых двигателях теплота преобразуется в работу.
В обратных циклах ( 1 – b – 2 – a – 1 ) работа сжатия больше работы расширения (), поэтому на его осуществление работа затрачивается (). Примером обратного цикла является цикл рабочего тела в холодильной установке .
Для любого цикла первое начало термодинамики можно представить в виде
где интегрирование ведется по контуру цикла. Так как u – функция состояния, и по возвращении рабочего тела в свое исходное состояние внутренняя энергия его принимает первоначальное значение, то . Тогда или , т.е. работа цикла равна суммарной теплоте, участвующей в этом цикле.
Этот вывод, основанный на первом начале термодинамики, утверждает, что невозможно построить такой тепловой двигатель, в котором количество производимой работы было больше, чем количество теплоты, подведенной к рабочему телу извне. Если бы это было не так, то оказалось бы, что возможен был бы тепловой двигатель, в котором бы работа производилась вообще без подвода теплоты, т.е. был бы возможен вечный двигатель первого рода .
На одних участках цикла рабочее тело получает теплоту ( q 1 > 0), на других отдает ( q 2 термический коэффициент полезного действия (КПД) η:
который показывает, насколько рационально используется подведенная теплота в тепловом двигателе. Термический КПД цикла всегда меньше единицы, так как . Чем больше η, тем большая часть подведенного количества теплоты превращается в полезную работу. Для увеличения КПД надо стремиться уменьшить (по абсолютной величине) q 2 и увеличить q 1 .
Эффективность обратных циклов оценивается по-разному, в зависимости от назначения установки. Например, в случае холодильной установки полезным эффектом является теплота, отведенная от объектов охлаждения в холодильной камере q 2 . Здесь теплота q 2 > 0, а индекс 2 у этой теплоты сохраняется, чтобы подчеркнуть, что процесс идет на низкотемпературном уровне. Для оценки экономичности холодильных установок (обратного цикла) в этом случае применяется так называемый холодильный коэффициент
который показывает, какое количество полезной теплоты, отнятой от холодного источника, приходится на единицу затраченной работы.
И термический КПД прямого цикла, и холодильный коэффициент обратного цикла зависят от процессов, из которых эти циклы состоят.
7.2. Прямой обратимый цикл Карно
В 1824 году французский инженер Сади Карно предложил цикл идеального теплового двигателя, т.е. цикл, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных обратимых термодинамических процессов (рис. 7.2), в последствии названным циклом Карно .
Газ вначале расширяется по изотерме a – b ( T 1 =const) от v a до v b , а затем – по адиабате b – c от v b до v с . В изотермическом процессе a – b к газу подводится теплота ( q 1 ); вся подведенная теплота переходит в работу, численно равную пл. a – b – b ’ – a ’ .
Количество теплоты, подведенное в изотермическом процессе идеального газа от источника с температурой Т 1 , можно определить по формуле
При расширении по адиабате b – c без теплообмена с окружающей средой совершается работа, численно равная площади b – c – c ’ – b ’ , за счет уменьшения внутренней энергии, при этом температура падает от Т 1 до Т 2 .
В двух процессах изотермического и адиабатного расширения с общим увеличением объема от v a до v с газ совершил работу, численно равную пл. a – b – c – c ’ – a ’ .
Возвращение газа в исходное состояние (точка а ) происходит в результате двух процессов. Сначала газ сжимается по изотерме c – d ( Т 2 =const), объем уменьшается от v c до v d ; на сжатие затрачивается работа извне, численно равная пл. c – d – d ’ – c ’ ; от газа отводится теплота ( q 2 ) к охладителю с температурой Т 2 , количество которой, полагая газ идеальным, можно посчитать по формуле
Далее происходит адиабатное сжатие d – a без теплообмена с окружающей средой за счет работы извне, численно равной пл. d – a – a ’ – d ’ , объем уменьшается от v d до v a ; работа затрачивается на увеличение внутренней энергии газа, температура возрастает от Т 2 до Т 1 . Точка d выбирается так, чтобы путем адиабатного сжатия газ вернуть в исходное состояние.
В результате осуществления цикла рабочее тело получает от источника с температурой Т 1 теплоту q 1 , совершает работу l с , равную площади a – b – c – d , и отдает теплоту q 2 охладителю с температурой Т 2 .
В круговом процессе, который начинается в точке а и заканчивается в точке а , изменение внутренней энергии равно нулю, поэтому q с = q 1 + q 2 = l с .
Вычислим КПД цикла Карно, в котором рабочим телом является идеальный газ:
Воспользуемся известными связями между параметрами газа в адиабатных процессах в случае идеального газа:
Поскольку T b = T a = T 1 , а T с = T d = T 2 , то в выражениях (7.6) левые части равны, следовательно, равны и правые. Отсюда
Это позволяет определить термический КПД цикла Карно (7.5) как
Термический КПД цикла Карно тем больше, чем больше разница между Т 1 и Т 2 .
На рис. 7.3 изображен обратимый цикл Карно в координатах s , T .
Количество теплоты q 1 , подведенное к рабочему телу в изотермическом процессе a – b ( Т 1 =const), численно равно площади a – b – b ’ – a ’ , т.е. T 1 ( s b – s a ); количество теплоты q 2 , отведенное от рабочего тела в изотермическом процессе ( Т 2 = const) к охладителю, численно равно площади c – d – a ’ – b ’ , т.е. Т 2 ( s c – s d ); термический КПД цикла Карно в соответствии с (7.1) определится следующим образом:
Видно, что с использованием тепловой диаграммы вывод формулы для КПД цикла Карно более простой. Кроме того, так как изотермы и адиабаты для любого рабочего тела представляются в тепловой диаграмме, соответственно, горизонтальными и вертикальными прямыми, то форма цикла Карно представляет собой прямоугольник независимо от природы рабочего тела, что и является наглядным доказательством теоремы Карно.
Особенностью цикла Карно является то, что для его осуществления требуется всего два источника теплоты постоянной температуры: один теплоотдатчик (горячий источник) и один теплоприемник (холодный источник).
Само сочетание процессов, образующих цикл Карно (изотермические и адиабатные), указывает на другую его характерную особенность. А именно, цикл Карно состоит из таких процессов, в которых имеет место наиболее полное превращение располагаемой энергии в работу. Так, в изотермическом процессе расширения вся внешняя подведенная к рабочему телу теплота превращается в работу ( l изотер = q ), а в адиабатном процессе расширения все изменение внутренней энергии рабочего тела переходит в работу ( l адиаб = – u ). Такое полное использование энергетических ресурсов наводит на мысль о высокой эффективности цикла Карно.
Сравним термические КПД двух циклов: обратимого цикла Карно С ( 1 – 2 – 3 – 4 ) и произвольного обратимого цикла А ( a – b – c – d ), расположенного в том же интервале температур Т 1 и Т 2 (рис. 7.4).
По определению (7.1) термический КПД цикла Карно С равен
а КПД цикла А равен
Так как и (сравниваем на рис. 7.4 соответствующие площади), то , т.е. термический КПД любого обратимого цикла не превышает термический КПД обратимого цикла Карно, осуществляемого в том же интервале температур.
Значение цикла Карно состоит в том, что он дает возможность подсчитать тот максимальный энергетический эффект, который вообще может быть достигнут в любом тепловом двигателе при заданных температурных условиях (заданных Т 1 и Т 2 ), т.е. является своего рода эталоном.
7.3. Процессы обратимые и необратимые
При равновесном состоянии каждый параметр ( р, v , Т ) во всех точках тела имеет одно и то же значение. Состояние равновесия нарушается, как только начинается процесс взаимодействия между средой и телом. Следовательно, все процессы в природе – неравновесные.
В технической термодинамике рассматриваются равновесные процессы. Это означает, что
либо изменение внешних условий происходит за время, значительно превышающее время установления равновесного состояния системы. И тогда равновесный процесс – идеализация, которая может быть применена к практике (с той или иной степенью точности) для очень медленных процессов, настолько медленных, чтобы успевали выравниваться все параметры состояния термодинамической системы;
либо процесс проходит настолько быстро, что равновесие системы не успевает нарушиться.
В обоих этих предельных случаях время как параметр исключается из рассмотрения. Время может рассматриваться лишь в связи с направленностью процесса, т. е. учитываться лишь его положительный знак, а не числовое значение. Термодинамика изучает динамику (но не кинетику) процесса. Кроме того, для описания равновесных процессов непосредственно используется уравнение равновесного состояния системы.
Процессы, протекающие в прямом и обратном направлениях через одни и те же промежуточные состояния, называются обратимыми. Другими словами, при обратимом процессе термодинамическая система может возвратиться в исходное состояние так, что в окружающей ее среде не останется никаких изменений.
Любой равновесный термодинамический процесс всегда будет обратимым термодинамическим процессом, так как для его выполнения как в прямом, так и в обратном, направлении достаточно выполнения лишь балансового энергетического соотношения (первого начала термодинамики).
Необратимый процесс в прямом направлении проходит через одни состояния, в обратном – через другие; в обратном направлении не восстанавливается первоначальное состояние среды и тела (без дополнительных затрат). В основе необратимости процессов заложена их неравновесность (так как скорость протекания любого процесса конечна). К необратимым процессам относятся все так называемые диссипационные процессы , связанные с рассеянием энергии системы в окружающую среду, такие, как трение, диффузия, лучеиспускание и теплопередача при конечной разности температур. Величина изменения окружающей среды при обращении процесса называется степенью его необратимости .
Все реальные процессы являются необратимыми. Однако в зависимости от условий протекания процесса степень его необратимости может быть разной. Многие процессы могут быть проведены в условиях, обеспечивающих их практическую равновесность и при отсутствии заметных потерь энергии вследствие трения, теплопроводности, диффузии и лучеиспускания, что достигается применением различных смазок, полированных поверхностей, нетеплопроводных материалов и т.д. В таких условиях степень необратимости процесса может быть сделана настолько малой, что его можно считать практически обратимым.
Таким образом, предельным случаем каждого реального необратимого процесса является соответствующий обратимый процесс, рассмотрение которого позволяет судить о предельно возможных результатах реального процесса.
7.4. Второе начало термодинамики
Первое начало термодинамики позволяет установить количественные соотношения между работой, теплотой и внутренней энергией термодинамической системы, однако оно не указывает направления передачи энергии.
Однако, все естественные процессы, происходящие с макротелами в окружающей нас природе, свидетельствуют об одностороннем их протекании. Например,
вода всегда стремится занять наинизший уровень в гидравлической системе, находящейся в поле гравитационных сил тяготения;
теплота всегда переходит от горячего тела к холодному, а не наоборот;
газы легко смешиваются, но самопроизвольно смесь никогда не разделяется.
Без вмешательства извне эти процессы в обратном направлении идти не могут.
Второй закон термодинамики и закрепляет данное наблюдение в виде принципа необратимости: все естественные процессы необратимы.
Или более конкретные формулировки:
невозможно устройство, которое переводило бы теплоту от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой без каких-либо изменений в других телах;
второй закон термодинамики можно еще сформулировать так (М.Планк): невозможно создать периодически работающую машину, все действия которой сводились бы к совершению работы и к охлаждению одной только горячей среды. Эта формулировка по существу утверждает, что в цикле нельзя полностью преобразовать теплоту в работу: в любом цикле кроме участков, на которых теплота подводится, должны быть участки, где она отводится. Таким образом, в формуле (7.1) второе слагаемое справа не равно нулю ( q 2 ≠ 0), и КПД любого цикла η вечный двигатель первого рода ), то второе начало постулирует невозможность создания двигателя, который мог бы всю теплоту, полученную рабочим телом от горячей среды, преобразовать в работу, не отдавая сколько-нибудь теплоты холодной среде ( вечный двигатель второго рода ). Это еще одна из формулировок второго начала термодинамики.
Похожие документы:
Б 796 Болтнев, Валентин Егорович. Экология : учеб для студ вузов, обуч по напр.: "Автоматизация технол процессов и пр-ва", "Прикл информатика" / Болтнев
. технической термодинамики и теории тепло- и массообмена : учеб. пособие для студ. вузов, обуч. по . России [и др.] ; под ред.Ю. И. Бородина, С. И. Колесникова. - М. : Литтерра . предлагается фундаментальный курс лекций по истории литературы Древнего .
Вадим Руднев Прочь от реальности: Исследования по философии текста
. [Рейхенбах 1962]. «Общая термодинамика, – писал Л. Больцман, – . более или менее технический смысл, означавший ту . : Аустерлиц, Шенграбен, Бородино, горящая Москва. Чрезвычайно . 1976 Чернов И. А. Из лекций по теоретическому литературоведению. 1. Барокко: .
Л. А. Елисеева © Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Государственная публичная научно-техническая библиотека Сибирского отделения ран (гпнтб со ран), 2013
. случайных блужданий / А. Н. Бородин, И. А. Ибрагимов ; под . 241. Дорогокупец П.И. Термодинамика минералов и минеральных равновесий . каталогов : конспект лекции по курсу "Справочно . государственного технического университета. Серия, Технические науки. – .
Н. В. Басова [и др.];под общ ред. Н. В. Басовой. Ростов н/Д: Феникс, 2008
. курс) Письменный Д. Т. Конспект лекций по высшей математике [Текст] : . Техническая термодинамика Рудобашта, С. П. Теплотехника [Текст] : учебник для студ. вузов, обучающихся по . 2008. - 204 с. 10 Бородин, И. Ф. Автоматизация технологических процессов .
Список научных трудов казнму за период 2008 - 1 06 2013 г (1)
называется термодинамический процесс с телом, в результате совершения которого тело, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное состояние.
 |
Если все процессы в цикле равновесные, то цикл считается равновесными. Его можноизобразить графически, и получится замкнутая кривая. На рис. 7 показан график зависимости давления `p` от объёма `V` (диаграмма $$ p-V$$) для некоторого цикла `1–2–3–4–1`, совершаемого газом. На участке `4–1–2` газ расширяется и совершает положительную работу `A_1`, численно равную площади фигуры $$ _412_$$. На участке `2–3–4` газ сжимается и совершает отрицательную работу $$ _$$, модуль которой равен площади фигуры $$ _234_$$. Полная работа газа за цикл $$ A=_+_$$, т. е. положительна и равна площади фигуры `1–2–3–4–1`, изображающей цикл на диаграмме $$ p-V$$.
называется круговой процесс, в котором тело совершает положительную работу за цикл. Прямой равновесный цикл на диаграмме $$ p-V$$ изображается замкнутой кривой, которая обходится по часовой стрелке. Пример прямого цикла дан на рис. 7.
называется круговой процесс, в котором тело совершает отрицательную работу за цикл. На диаграмме $$ p-V$$ замкнутая кривая равновесного обратного цикла обходится против часовой стрелки.
В любом равновесном цикле работа за цикл равна по модулю площади фигуры, ограниченной кривой на диаграмме $$ p-V$$.
В круговом процессе тело возвращается в исходное состояние, т. е. в состояние с первоначальной внутренней энергией. Это значит, что изменение внутренней энергии за цикл равно нулю: $$ ∆U=0$$. Так как по первому закону термодинамики для всего цикла $$ Q=∆U+A$$, то $$ Q=A$$. Итак, алгебраическая сумма всех количеств теплоты, полученной телом за цикл, равна работе тела за цикл.
За цикл тело совершает положительную работу `A`.
Коэффициентом полезного действия прямого цикла называется величина $$ \eta =^>>$$.
Читайте также: