Второй закон термодинамики

Цикл Карно: диаграммы цикла Карно; КПД цикла Карно; КПД реальных тепловых машин; теоремы Карно; обратный цикл Карно; холодильные машины; коэффициент преобразования. Её называют машиной Карно или циклом Карно. В машине Карно – цилиндр с поршнем. В машине Карно цилиндр с поршнем но без клапанов так что во всех цилиндрах многократно используется одно и то же вещество.

2015-01-29

202.65 KB

4 чел.


Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск


Второй закон термодинамики (начало)

План лекции.

  1.  I и II законы термодинамики – как исключение вечного двигателя I-го и II-го рода.
  2.  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.
  4.  II начало термодинамики, его формулировки.
  5.  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.

2. 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.

  1.  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:

;

На этом принципе работают холодильники, тепловые насосы.

Это отношение тепла, отобранного у охлаждающегося тела, к затраченной на это работе.

Так, в домашнем холодильнике, T2 – резервуара холода  (-230C) 2500K. Горячий резервуар – воздух комнаты T1 (370С) 3100K (в окрестности теплообменника).

;

Т.е. на каждый Дж. электроэнергии приходится 4,2 Дж тепла, отнятого от холодильника.

Но опять надо учитывать, что это идеальный случай, без потерь, цикл Карно, и формула:

- соответствует идеальным условиям;

4. Итак, Второе начало термодинамики позволяют построить тепловые машины, преобразующие тепло в работу.

Однако, непосредственно отнять от нагретого тела тепло и превратить его в работу невозможно, необходимо промежуточное тело, рабочее тело, через которое необходимо осуществлять это превращение. При этом всегда окажется, что рабочее тело для совершения работы необходимо нагреть за счет энергии источника, и не вся эта энергия перейдет в работу, большая часть уйдет в окружающую среду.

Например, почему бы не использовать энергию тепловую, заложенную в океане? Даже при η=1% получили бы огромную энергию  10 24 Дж. А солнечная радиация восстановила бы тепло океана. Однако, второй закон термодинамики утверждает: невозможно прямое преобразование теплового движения молекул в работу без какой-либо машины.

Выводы:

  1.  Итак, можно построить тепловую машину, преобразующую тепло в работу.
  2.  Работа, получаемая при тепловом процессе, максимальна, если процесс обратим.
  3.  КПД обратимых процессов выше, чем у необратимых. Реальные процессы необратимы.
  4.  Максимальное КПД у тепловых машин, работающих, по циклу Карно, это идеальный случай, исключающий потери на трение.
  5.  Нельзя забрать тепло более холодного тела и превратить его в полезную работу без дополнительных затрат энергии, самопроизвольно этот процесс недостижим (холодильная машина).
  6.  Невозможны процессы единственным конечным результатом которых явилась бы отнятие от некоторого тела определенного количества тепла и превращение этого тепла в работу.



 

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.
8889. Понятие о логическом законе в традиционной и современной логике. Закон тождества, закон непротиворечия, закон исключенного третьего, закон достаточного основания 37.91 KB
  Основные вопросы: Понятие о логическом законе в традиционной и современной логике. Закон тождества закон непротиворечия закон исключенного третьего закон достаточного основания. Ключевые термины и понятия ЗАКОН ТОЖДЕСТВА – закон логики выражающий определенность и ясность мышления можно сформулировать так: всякое понятие или суждение о предмете должно быть определенным однозначным тождественным самому себе на протяжении всего рассуждения. Из закона тождества вытекают следующие требования: в...
10647. Основные проблемы молекулярной биофизики. Физика биополимеров как раздел молекулярной биофизики и ее задачи. Первый закон термодинамики 110.11 KB
  Биология – это наука о живой природе объекты которой неизмеримо сложнее неживых. В этом определении нет разграничения живой и неживой природы. Она не сводится к использованию физических методов или приборов в биологических экспериментах. Медицинский термометр электрокардиограф томограф микроскоп – физические приборы но биолог или врач использующие эти устройства не занимаются биофизикой.
6066. Основы термодинамики 40.26 KB
  При расширении газа элементарная работа которую он совершает при перемещении поршня на бесконечно малое расстояние равна где сила действующая со стороны газа на поршень. Если давление газа а площадь поршня то и тогда . Произведение равно очевидно увеличению объема газа...
7147. ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ 548.6 KB
  В реальных же газах учитываются силы притяжения между молекулами а молекулы имеют объем. Если реальные газы сильно разряжены их свойства близки к свойствам идеального газа. В общем случае для теплотехнических расчетов вполне допустимо распространение свойств идеального газа на все рассматриваемые газы. Параметрами состояния газа называются величины характеризующие данное состояние газа.
8438. Первое начало термодинамики 151.16 KB
  Внутренняя энергия тела слагается из кинетической энергии поступательного и вращательного движения молекул кинетической и потенциальной энергии колебательного движения атомов в молекулах потенциальной энергии взаимодействия между молекулами и внутримолекулярной энергии внутриядерной. Внутренняя энергия термодинамической системы тел слагается из внутренней энергии взаимодействия между телами и внутренней энергии каждого тела. Работа термодинамической системы над внешними телами заключается в изменении состояния этих тел и определяется...
7004. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ 883.12 KB
  Молекулярная физика и термодинамика — разделы физики, в которых изучаются макроскопические процессы в телах, связанные с огромным числом содержащихся в телах атомов и молекул. Для исследования этих процессов применяют два качественно различных и взаимно дополняющих друг друга метода
9170. Термодинамическая картина мира. Второе начало термодинамики 43.38 KB
  Теплопроводность приводит к все большему выравниванию температур до тех пор пока распределение температуры во всех точках пространства рассматриваемой изолированной системы не станет одинаковым. Энтропия таким образом характеризует состояние системы. Действительно так же как каждому уровню высоты над поверхностью Земли отвечает своя потенциальная энергия так и каждому состоянию термодинамической системы отвечает своя энтропия. Как работа в поле тяжести потенциальном поле не зависит от вида пути а зависит только от изменения...
13088. УГОЛОВНЫЙ ЗАКОН 52.34 KB
  Под уголовным законом следует понимать нормативный правовой акт, принятый в форме федерального закона Государственной Думой Федерального Собрания РФ, содержащий юридические нормы, в которых устанавливаются основания, пределы и принципы уголовной ответственности, круг общественно опасных деяний
20753. Закон як нормативно-правовий акт 49.21 KB
  Співвідношення закону та підзаконних нормативно-правових актів України . Відповідно до зазначеної мети були поставлені такі завдання: дослідити поняття закону його особливості та значення; розглянути основні види законів; 2 охарактеризувати поняття та види підзаконних актів; 3 визначити співвідношення закону та підзаконних нормативно-правових актів України; 4 проаналізувати порядок прийняття законів; 5 дослідити проблеми законотворчості в Україні. Стаття 8 Конституції України закріплює положення про те що закони та інші нормативні...
8097. Перший закон термодинаміки. Теплоємність 150.52 KB
  Молекулярнокінетична теорієя теплоємності. Залежність теплоємності від температури.12 В залежності від обраної одиниці кількості речовини розрізняють теплоємності: питому віднесену до 1 кг робочого тіла...
© "REFLEADER" http://refleader.ru/
Все права на сайт и размещенные работы
защищены законом об авторском праве.