10 Закон сохранения энергии в термодинамике

Вид материала

Закон

Содержание 10.2. Тепловые двигатели. Термодинамические циклы. Цикл Карно 10.3. Понятие о круговом процессе 10.4. Двигатели внутреннего сгорания. Рис. Индикаторная диаграмма бензинового двигателя внутреннего сгорания. Рис. Индикаторная диаграмма дизельного двигателя внутреннего сгорания.

Подобный материал:

• Программа по курсу механики сплошных сред Основные понятия механики сплошных сред, 9.75kb.
• Расчет сложных цепей постоянного тока, 93.75kb.
• Динамика поступательного движения, 30.32kb.
• Урок на тему: «Агрегатные состояния вещества. Закон сохранения энергии», 86.39kb.
• Лекция Расчет основных термодинамических величин ΔU,, 283.92kb.
• Электрические и магнитные явления, 37.61kb.
• Урок по теме «Закон сохранения импульса», 57.49kb.
• Лекция 3 Фундаментальные законы и принципы, 203.02kb.
• Космологические модели вселенной что такое космология?, 204.69kb.
• М. Э. Эглит 1 год, 2курс, отделение механики Часть Универсальные закон, 95.13kb.

Лекция 10

10.1. Закон сохранения энергии в термодинамике

Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии для тепловых процессов – устанавливает связь между количеством теплоты Q, полученной системой, изменением ΔU ее внутренней энергии и работой A, совершенной над внешними телами:

Q = ΔU + A.

Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Процессы, нарушающие первый закон термодинамики, никогда не наблюдались. На рис. изображены устройства, запрещенные первым законом термодинамики.

Рис. Циклически работающие тепловые машины, запрещаемые первым законом термодинамики: 1 – вечный двигатель 1 рода, совершающий работу без потребления энергии извне; 2 – тепловая машина с коэффициентом полезного действия η > 1.

Первый закон термодинамики не устанавливает направление тепловых процессов. Однако, как показывает опыт, многие тепловые процессы могут протекать только в одном направлении. Такие процессы называются необратимыми. Например, при тепловом контакте двух тел с разными температурами тепловой поток всегда направлен от более теплого тела к более холодному.

Первый закон термодинамики не может отличить обратимые процессы от необратимых. Он просто требует от термодинамического процесса определенного энергетического баланса и ничего не говорит о том, возможен такой процесс или нет. Направление самопроизвольно протекающих процессов устанавливает второй закон термодинамики. Он может быть сформулирован в виде запрета на определенные виды термодинамических процессов.

Втоpое начало теpмодинамики обычно фоpмулиpуется как пpинцип исключения вечного двигателя втоpого pода: нельзя постpоить такую пеpиодически действующую тепловую машину, котоpая бы совеpшала pаботу исключительно за счет охлаждения одного тела без нагpевания дpугих тел.

Каждая тепловая машина имеет некий источник теплоты ,именуемый нагpевателем. Втоpое начало теpмодинамики утвеpждает, что нельзя постpоить тепловую машину, в котоpой бы pабота совеpшалась за счет теплоты нагpевателя без какой-либо отдачи части теплоты более холодному телу, именуемому холодильником. Нельзя постpоить тепловую машину без холодильника.

Почему же машина без холодильника называется вечным двигателем? Дело в том, что окpужающая нас сpеда (атмосфеpа, pеки, моpя) так или иначе нагpета и могла бы служить нагpевателем тепловой машины. Если бы можно было постpоить машину без холодильника с темпеpатуpой ниже темпеpатуpы сpеды, то такая машина pаботала бы пpактически вечно, т.к. внутpенняя энеpгия сpеды (напpимеp, атмосфеpы) колоссальна и пpактически неисчеpпаема. Оказывается, необходим холодильник, котоpый в пpоцессе pаботы машины будет нагpеваться, и, когда он нагpеется до темпеpатуpы окpужающей сpеды, машина остановится. Ее дальнейшая pабота потpебует пpедваpительного охлаждения холодильника, для чего нужно совеpшить pаботу какой-то дpугой машине. Никакого выигрыша в работе не будет.

Английский физик У. Кельвин дал в 1851 г. следующую формулировку второго закона:

В циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от единственного теплового резервуара.

Гипотетическую тепловую машину, в которой мог бы происходить такой процесс, называют «вечным двигателем второго рода». В земных условиях такая машина могла бы отбирать тепловую энергию, например, у Мирового океана и полностью превращать ее в работу. Масса воды в Мировом океане составляет примерно 10²¹ кг, и при ее охлаждении на один градус выделилось бы огромное количество энергии (≈10²⁴ Дж), эквивалентное полному сжиганию 10¹⁷ кг угля. Ежегодно вырабатываемая на Земле энергия приблизительно в 10⁴ раз меньше. Поэтому «вечный двигатель второго рода» был бы для человечества не менее привлекателен, чем «вечный двигатель первого рода», запрещенный первым законом термодинамики.

Немецкий физик Р. Клаузиус дал другую формулировку второго закона термодинамики:

Невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путем теплообмена от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой.

Второй закон термодинамики по своим формулировкам неоднократно дополнялся за более чем полутора-вековое существование науки – термодинамики.


На рис. изображены процессы, запрещаемые вторым законом, но не запрещаемые первым законом термодинамики. Эти процессы соответствуют двум формулировкам второго закона термодинамики.

Рис. Процессы, не противоречащие первому закону термодинамики, но запрещаемые вторым законом: 1 – «вечный двигатель второго рода»; 2 – самопроизвольный переход тепла от холодного тела к более теплому («идеальная холодильная машина»).

10.2. Тепловые двигатели. Термодинамические циклы. Цикл Карно

Еще более 200 лет назад развитие промышленности поставило перед учеными и инженерами задачу непрерывного получения механической работы, работы упорядоченного движения рабочего тела. А на 100 лет позже пришлось поставить задачу непрерывного «получения холода» за счет работы (т.е. переноса теплоты от тел с нижнего температурного уровня на верхний).

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами.

Однако, получать работу или трансформировать ее в теплоту непрерывно в разомкнутом, одностороннем процессе – невозможно, хотя бы потому, что односторонне движущийся поршень в цилиндре неработоспособен (должен быть ∞ ход его). Поэтому необходимость циклов, как замкнутой системы процессов, для человеческой практики была давно понята, особенно при переходе к непрерывным технологическим процессам.

Как следует из первого закона термодинамики, полученное газом количество теплоты Q полностью превращается в работу A при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной (ΔU = 0):

A = Q.

Но такой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники.

Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически.

Определение. Циклом называется замкнутый (круговой) процесс.


10.3. Понятие о круговом процессе


Круговой процесс или цикл – это совокупность процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние. Если в круговом процессе совершается положительная работа, то цикл называется прямым (по часовой стрелке), если отрицательная – обратным (против часовой стрелки рис).

Тепловые двигатели с обратными циклами называются холодильниками. Для них , и . Противоестественный ход тепла (от холодного к горячему) обеспечивается внешней работой.

Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние. Круговые процессы изображаются на диаграмме (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис. 3.11.1). При расширении газ совершает положительную работу A₁, равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A₂, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A₁ + A₂ на диаграмме (p, V) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.

1
Рис. Круговой процесс на диаграмме (p, V). abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия. Работа A в круговом процессе равна площади фигуры abcd.

Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q₁ > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q₂ < 0. Полное количество теплоты Q, полученное рабочим телом за цикл, равно

Q = Q1 + Q2 = Q1 – |Q2|.

При обходе цикла рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, следовательно, изменение его внутренней энергии равно нулю (ΔU = 0). Согласно первому закону термодинамики,

ΔU = Q – A = 0.

Отсюда следует:

A = Q = Q1 – |Q2|.

Работа A, совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Отношение работы A к количеству теплоты Q₁, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия η тепловой машины:

Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть (1 – η) была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η < 1). Энергетическая схема тепловой машины изображена на рис. 3.11.2.

Рис. Энергетическая схема тепловой машины: 1 – нагреватель; 2 – холодильник; 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс. Q1 > 0, A > 0, Q2 < 0; T1 > T2.

Рис. Иллюстрация работы тепловой машины (Т₁ > Т₂).


В применяемых в технике двигателях используются различные круговые процессы. На рис. 3.11.3 изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном двигателе и в дизельном двигателе. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30%, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Рис. Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (1) и дизельного двигателя (2).

10.4. Двигатели внутреннего сгорания.


Эти двигатели различают по виду топлива на бензиновые и дизельные. На рис. 6.1 представлена индикаторная диаграмма цикла бензинового двигателя.



Рис. Индикаторная диаграмма бензинового двигателя внутреннего сгорания.


А1 – процесс всасывания паро-воздушной смеси в объем цилиндра;

1 – 2 – сжатие этой смеси; в точке 2 возбуждение искры запального устройства (свечи);

2 – 3 – вспышка (взрыв) паров бензина в смеси с кислородом воздуха;

3 – 4 – процесс политропического расширения дымовых газов;

в точке 4 – открытие выхлопного клапана;

4 – 1 процесс выхлопа дымовых газов в атмосферу.


На рис. представлена индикаторная диаграмма дизельного двигателя внутреннего сгорания.



Рис. Индикаторная диаграмма дизельного двигателя внутреннего сгорания.


А1 – процесс всасывания чистого воздуха из атмосферы в цилиндр двигателя;

1 – 2 – процесс сжатия воздуха; в точке 2 – впрыск дизельного топлива в цилиндр;

2 – 3 – горение топлива; 3 – 4 –процесс политропического расширения;

т. 4 – открытие выхлопного клапана; 4 – 1 – выхлоп дымовых газов в атмосферу.


Можно показать, что термический коэффициент полезного действия ηt двигателей внутреннего сгорания сильно зависит от степени сжатия р1/р2 (см. рис. 6.1 и 6.2): чем больше эта степень, тем больше ηt. Для бензинового двигателя степень сжатия ограничена температурой самопроизвольной вспышки паров бензина в смеси с кислородом воздуха. Поэтому паровоздушную смесь приходится сжимать до температуры ниже температуры вспышки, а само горение (взрывного типа) инициируют с помощью искры в запальной свече.

В дизельных двигателях сжимается чистый воздух, степень сжатия в таких двигателях ограничена только прочностными свойствами материалов для изготовления двигателей. Поэтому степень сжатия в дизельном двигателе много больше степени сжатия в бензиновом двигателе и, соответственно, ηt – тоже.

Для бензиновых двигателей η ≈ 25% – 30%, для дизельных η ≈ 40% - 45%. Это значит, что из 10 литров бензина в баке на собственно движение автомобиля будет израсходовано только 2,5 литра, а остальное пойдет на обогрев атмосферы и экологическую грязь. Зато у дизельного двигателя чуть меньше половины топлива будет истрачено с пользой, а остальное – потери.


10.5. Условия работы тепловых машин.

1-е:

Тепловая машина всегда работает в определенном перепаде температур. (Это значит, что для работы такой машины необходим иметь по крайней мере 1 источник теплоты, и 1 приемник теплоты).

2-е:

Любая тепловая машина должна работать циклично, т.е. рабочее тело, совершая за определенный промежуток времени ряд процессов расширения и сжатия, должно возвращаться в исходное состояние.