Тепловая машина. Цикл Карно.

Машиной называется периодический действующий механизм, который, пройдя ряд термодинамических состояний, возвращается в исходное состояние и этот процесс повторяется.

Рассмотрим устройство и работу тепловой машины, изобретенной французским физиком Карно.

С помощью своей тепловой машины Карно провел важнейший опыт, который лег в основу второго начала термодинамики. Для проведения своего опыта Карно использовал цилиндрический сосуд с нетеплопроводными стенками и с теплопроводным дном, заключив в этот сосуд один моль газа. Внутри стенок сосуда перемещался поршень, который давал газу возможность изменять свой объем . В процессе проведения опыта в системе, изобретенной Карно, протекало 4 процесса: изотермическое расширение, адиабатическое расширение, изотермическое сжатие, адиабатическое сжатие. Графики этих процессов представлены на рисунке 33.

Рассмотрим работу идеальной тепловой машины, в качестве рабочего тела в которой используется один моль идеального газа (рис.33)

 

 

Рисунок 33.

1. Газ в сжатом состоянии. Поршень в положении j. Обеспечивается изотермическое расширение. Дно соприкасается с нагревателем.
2. Газ расширяется до состояния k (P₂V₂T₁), а затем, адиабатически, до состояния l (P₃V₃T₂). Совершая работу газ охладится, поэтому Т₂<Т₁

3 .Для завершения цикла газ возвращается в исходное состояние за счет внешних сил – изотермически до состояния m.

4. Далее газ адиабатически возвращается в состояние j.

В результате цикла, газ, получив количество теплоты Q₁ от нагревателя, и, передав часть тепла Q₂ холодильнику, совершил внешнюю работу.

Возникает вопрос – возможен ли переход системы в первоначальное состояние без участия холодильника. Очевидно, что нет. Проведенный Карно опыт лег в основу второго начала термодинамики.

Второе начало термодинамики - невозможен такой периодически действующий механизм, который бы все переданное ему тепло переводил бы в работу. Часть тепла должна быть отдана холодильнику.

Тепловая машина состоит из нагревателя, холодильника и рабочего тела (рис.34)

Нагреватель передаёт рабочему телу количество теплоты. Рабочее тело совершает работу, равную разности количества теплоты, переданного от нагревателя рабочему телу, и количества теплоты, полученного холодильником от рабочего тела. По такому же принципу, но с обратным циклом Карно, работает холодильная машина.

 

 

Рисунок 34.

 

КПД тепловой машины.

Тепловые машины благодаря трению и неизбежным тепловым потерям имеют небольшой коэффициент полезного действия (например КПД двигателя внутреннего сгорания составляет 45%).

 

 

Энтропия - математическая абстракция вводимая, как мера беспорядка в системе и для описания термодинамических процессов.

Энтропия

Свойства энтропии.

1. Энтропия системы нескольких тел равна сумме энтропии этих тел.

2. При обратимых процессах энтропия неизменна, при необратимых – возрастает.

3. Энтропия изолированной системы не изменяется ни при каких процессах.

 

Вопросы для самоконтроля.

1.Записать уравнение для работы при изотермическом процессе.

2. Что называется тепловой машиной?

3. Сформулировать второе начало термодинамики?

4. Что называют энтропией?

5. Свойства энтропии.

6. В чем заключается цикл Карно?

7. Чему равен КПД тепловой машины?

8.Что называется числом степеней свободы?

9.Что называется внутренней энергии тела?

10.От чего зависит удельная теплоемкость газов?

11.В чем заключается физический смысл универсальной газовой постоянной?

12.Записать уравнение Майера.

13.Какой процесс называется термодинамическим?

14.Сформулировать первое начало термодинамики.