Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
§ 71. Цикл Карно. Второе начало термодинамикиПоложение о необратимости процессов в природе (см. § 69), указывающее направление этих процессов, представляет собой одно из общих выражений второго начала термодинамики. Более конкретную формулировку и математическое выражение второго начала можно получить из рассмотрения так называемого цикла Карно, с которым мы познакомимся, введя предварительно понятие о круговом процессе. Круговым процессом, или циклом, называется процесс, в результате которого система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное состояние. Очевидно, что на графике круговой процесс изобразится замкнутой кривой линией (рис. 138). Работа А у совершаемая при круговом
Рис. 138 процессе, численно равна площади
и выразится разностью площадей фигур
Рис. 139 Если в результате цикла совершается некоторая работа В 1824 г. французский инженер Сади Карно теоретически рассмотрел работу идеальной тепловой машины, состоящей из одного моля идеального газа (рабочее тело), заключенного в цилиндр под поршнем, нагревателя и холодильника. Эта система периодически совершает обратимые циклы, состоящие из двух изотермических Проследим за работой этой идеальной тепловой машины, получившей название цикла Карно. Изменения состояния системы будем изображать на диаграмме, а положения поршня в цилиндре — на схеме (см. рис. 139). 1. Газ находится в сжатом состоянии 2. Когда газ расширится до состояния закончить расширение адиабатически до состояния 3. Чтобы завершить цикл, т. е. вернуть газ в начальное состояние 4. Завершим сжатие газа до начального состояния Цикл закончен и может быть затем многократно повторен. На участке 1 2 газ совершил работу Так как газ вернулся в первоначальное состояние, то изменение его внутренней энергии
Нетрудно показать, что по абсолютной величине
где
Зададимся вопросом: может ли рассматриваемая тепловая машина совершать работу только за счет получения количества теплоты холодильнику? Иными словами, можно ли теплоту
т. е. рассматриваемая тепловая машина не может все полученное количество теплоты целиком переводить в работу. Как показывают опыт и выводы из всей термодинамики, это невозможно не только для данной машины, но и вообще.
Рис. 140 Невозможен механизм, который все получаемое от нагревателя количество теплоты целиком переводил бы в работу; часть этого количества теплоты должна быть отдана холодильнику. Это утверждение является одной из формулировок второго начала термодинамики, а формулы (16) и (17) — его математическими выражениями. Таким образом, тепловая машина должна работать по схеме, представленной на рис. 140. Воображаемый механизм, превращающий все количество теплоты в работу, называется вечным двигателем второго рода. Его осуществление дало бы человечеству неисчерпаемый источник энергии, поскольку запасы теплоты на Земле практически неограниченны. За счет одного только количества теплоты, содержащегося в воде морей и океанов можно было бы с помощью вечного двигателя второго рода приводить в движение машины всех фабрик и заводов в течение многих тысячелетий. Причем за первые 1700 лет такой «перекачки» теплоты температура воды в океане понизилась бы в среднем только на одну сотую долю кельвина. Однако, как мы видели, вечный двигатель второго рода противоречит второму началу термодинамики. Поэтому второе начало можно еще сформулировать так: вечный двигатель второго рода невозможен. Рассчитаем теперь коэффициент полезного действия
Принимая во внимание формулу (5), можем написать
Но, согласно формуле (9),
откуда следует, что
Поэтому все логарифмы в формуле (19) оказываются одинаковыми и могут быть сокращены. Тогда формула (19) примет вид
или
откуда следует, что
т. е. коэффициент полезного действия идеальной тепловой машины меньше единицы. Для его повышения необходимо увеличивать разность температур нагревателя и холодильника. Возьмем такие наиболее благоприятные реально возможные условия:
Рис. 141 Понятно, что реальные тепловые машины благодаря трению и неизбежным тепловым потерям имеют значительно меньший коэффициент полезного действия (поршневая паровая машина — до 20%, паровая турбина — до 30% и двигатель внутреннего сгорания — до 45%). Обратный цикл Карно можно использовать в качестве идеальной холодильной машины, работающей по схеме, представленной на рис. 141
|
1 |
Оглавление
|