Цикл Карно. Обратимым называют процесс перехода термодинамической системы из одного состояния в другое, который допускает возможность возвращения системы к начальному

Обратимым называют процесс перехода термодинамической системы из одного состояния в другое, который допускает возможность возвращения системы к начальному состоянию через ту же последовательность промежуточных состояний, что и при прямом процессе, но которые проходят в обратном порядке (рис. 8.12). Если после завершения обратимого процесса система возвращается к начальному состоянию, в окружающей среде не происходит никаких изменений.

Рис. 8.12. Графики обратимого и необратимого процессов

Необратимым называют процесс, который не удовлетворяет этим условиям. После осуществления прямого и обратного процессов система возвращается к начальному состоянию, а в окружающей среде происходят изменения. К необратимым процессам можно отнести диффузию, теплопроводность, вязкое течение и т.д., то-есть процессы, при которых осуществляется направленный пространственный перенос вещества, теплоты, импульса. Все необратимые процессы являются неравновесными. Если в термодинамической системе существуют градиенты концентраций, температуры или скоростей, то неравновесные процессы будут способствовать установлению равновесия.

Все реальные процессы в природе сопровождаются затратами энергии и являются обратимыми. Процесс теплообмена вследствие конечной разницы температур также необратимый. Термодинамические функции состояния системы (такие как внутренняя энергия U, энтальпия H, энтропия S и т.д.) вследствие круговых процессов вновь принимают первоначальные значения; следовательно, их изменения во время круговых процессов равны (DU = 0, DH = 0, DS = 0 и т.д.).

Рассмотрим изотермический процесс (рис. 8.13, а). Работа А, которая выполняется системой во время ее расширения при постоянной температуре Т₁ (процесс АВ), определяется площадью фигуры ABCDA. Для возвращения системы к исходному состоянию (если, например, сжимать ее изотермично при той же температуре) необходимо затратить работу (- А), которая равна работе А в процессе расширения (процесс ВА). Работа - А, которая выполняется системой во время сжатия системы при постоянной температуре Т₁, определяется той же самой площадью фигуры ABCDA (рис. 8.13, б). Суммарная работа во время прямого (АВ) и обратного (ВА) термодинамических процессов равна нулю. Для того, чтобы получить полезную работу, необходимо “сойти” с изотермы АВ. Это можно выполнить при адиабатическом процессе ВК путем перехода на другую изотерму Т₂ (рис. 8.13, в). Работа, выполняемая системой во время прямого процесса (АВК), которые состоит из изотермического и адиабатического расширений системы, определяется площадью фигуры ABKMNA; работа, выполняемая над системой во время обратного процесса (KLA), определяется площадью фигуры ALKMNA (рис. 8.13, г).

Круговым (или циклическим) называется процесс, во время которого система после прохождения некоторых состояний возвращается к начальному состоянию. В рассмотренном на рис. 8.13 примере круговой процесс состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов; такой процесс, в котором осуществляется преобразование теплоты в работу, называется циклом Карно (рис. 8.13, д). Полезная работа, выполняемая на протяжении цикла, графически изображается площадью фигуры ABKLA (рис. 8.13, д).

Рис. 8.13. Изотермический процесс: а – работа А, выполняемая системой во время ее расширения при постоянной температуре Т1 (процесс АВ), определяется площадью фигуры ABCDA; б – для возвращения системы в исходное состояние (если, например, сжимать ее при той же температуре) необходимо затратить работу (-А), которая равна работе А во время ее расширения (процесс ВА); в – адиабатический процесс ВК путем перехода на другую изотерму Т2; работа, выполняемая системой во время прямого процесса (АВК), которые состоит из изотермического и адиабатического расширений системы, определяется площадью фигуры ABKMNA; работа, выполняемая системой во время обратного процесса (KLA), определяется площадью фигуры ALKMNA (г)

Во время кругового процесса система может получить теплоту (Q₁) и отдать ее (Q₂); с учетом этого вводят понятие коэффициента полезного действия цикла Карно идеального обратимого теплового двигателя:

h_K = = 1 - . (8.36)

С другой стороны, коэффициент полезного действия можно определить в терминах абсолютной температуры, а именно температуры Т₁ нагревателя и температуры Т₂ холодильника:

h_K = . (8.37)

Для идеального обратимого теплового двигателя, который поглощает теплоту Q₁ от нагревателя при абсолютной температуре Т₁ и отдает теплоту Q₂ холодильнику при абсолютной температуре Т₂, можно записать такое уравнение:

. (8.38)

Для реального теплового двигателя, работа которого сопровождается неминуемыми потерями энергии, коэффициент полезного действия определяется как:

= 1 – Q₂ / Q₁ < 1 – T₂ / T₁. (8.39)

Если обратимый цикл идеального двигателя характеризуется уравнением (8.38), то необратимому циклу реального двигателя присуще неравенство:

< . (8.40)

Сади КАРНО (1796-1832) Французский физик, который первым установил количественные соотношения между работой и теплотой. Рассмотрел термодинамический цикл и доказал теорему, названную в дальнейшем его именем. Один из основоположников термодинамики.

Date: 2015-05-09; view: 1013; Нарушение авторских прав