👀 109 |

Тепловые машины и второе начало термодинамики

теория по физике 🧲 термодинамика

Определение

Тепловые машины — устройства, в которых за счет внутренней энергии топлива совершается механическая работа. Чтобы тепловая машина работала циклически, необходимо, чтобы часть энергии, полученной от нагревателя, она отдавала холодильнику.

Второе начало термодинамики

В циклически действующем тепловом двигателе невозможно преобразовать все количество теплоты, полученное от нагревателя, в механическую работу.

В тепловых машинах тепловые процессы замыкаются в цикле Карно. Так называют цикл, или идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов. В цикле Карно термодинамическая система выполняет механическую работу за счет обмена теплотой с двумя тепловыми резервуарами, имеющими постоянные, но различающиеся температуры.

На графике цикл Карно представляется как две адиабаты и две изотермы:

  • 1–2 — изотермическое расширение;
  • 2–3 — адиабатное расширение;
  • 3–4 — изотермическое сжатие;
  • 4–1 — адиабатное сжатие.

КПД тепловой машины

Максимальный КПД соответствует циклу Карно.

Второе начало термодинамики

η=QнQхQн..100%=QнPхtQн..100%

Преобразовывая формулу, получим:

η=AQн..100%

η=NtQн..100%

η=AA+Qх..100%

η=TнTхTн..100%

  1. Qн (Дж) — количество теплоты, полученное от нагревателя (полученное количество теплоты);
  2. Qх (Дж) — количество теплоты, отданное холодильнику (отданное количество теплоты);
  3. A’ (Дж) — работа, совершенная газом;
  4. N (Вт) — полезная мощность;
  5. t (с) — время;
  6. Tн (К) — температура нагревателя;
  7. Tх (К) — температура холодильника.

Важно! Температуру следует выражать только в кельвинах (К) и КПД не бывает больше 100%.

Алгоритм решения задач на определение КПД теплового процесса

Рассмотрим решение на примере конкретной задачи:

На p-V-диаграмме изображен цикл, проводимый с одноатомным идеальным газом. Определите КПД этого цикла.

  • Определить работу газа.

Если тепловой процесс представлен в осях (p, V), то можно определить работу, вычислив площадь фигуры, ограниченной замкнутым циклом:

A=p0V0

Если тепловой процесс представлен в других осях координат, то сначала следует его перестроить в осях (p, V) и только потом определять работу.

  • Выяснить, на каких этапах повышается температура газа. Именно здесь газ получает энергию:

1–2: V = const, давление увеличивается, температура увеличивается.

2–3: p = const, объем увеличивается, температура увеличивается.

3–4: V = const, давление понижается, температура понижается.

4–1: p = const, объем уменьшается, температура уменьшается.

Отсюда следует, что газ получает энергию только на первом и втором этапах.

  • Определить с помощью первого начала термодинамики количество теплоты, полученное газом:

1–2: V = const, A12’ = 0,

Q12=ΔU12=32..ΔpV=32..Δp0V0=1,5p0V0

1–2: p = const,

ΔU23=Q23A23; 

ΔU23=32..ΔpV=32..2Δp0V0=3p0V0

A23=pΔV=2p0V0

Q23=3p0V0+2p0V0=5p0V0

Общее количество теплоты:

Qполуч=Q12+Q23=6,5p0V0

  • Вычислить КПД, используя основную формулу:

η=AQполуч..100%

η=p0V06,5p0V0..100%=15,4%


Алиса Никитина | 📄 Скачать PDF |

Добавить комментарий



Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *