ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ Законы термодинамики Термодинамические процессы Цикл

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ Законы термодинамики. Термодинамические процессы. Цикл Карно.

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Если исчезает некоторое количество тепловой энергии, возникает эквивалентное количество механической энергии (в виде совершенной работы). При совершении какой-либо работы появляется эквивалентное ей количество тепловой энергии.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ВЫРАЖЕНИЕ ПЕРВОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ Если к газообразному рабочему телу, находящемуся в равновесии, подвести тепло, то часть его пойдет на изменение внутренней энергии, а часть затрачивается на совершение работы: Дж/кг, к. Дж/кг

РАБОТА РАСШИРЕНИЯ: Для 1 кг массы рабочего тела:

P-V ДИАГРАММА В координатах p- ν площадь, ограниченная кривой, осью абсцисс и ординатами крайних точек, равна работе расширения. Внешняя работа: положительная - в процессах расширения; отрицательная – в процессах сжатия.

dq=0 – отсутствует теплообмен системы с окружающей средой, процесс адиабатный: , объем тела не меняется, , процесс изохорный: - внутренняя энергия системы не меняется, процесс изотермический:

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Действительность Выводы Утверждает взаимопревращаемость теплоты и работы и не ставит ограничений в осуществлении этого процесса. Не противоречит существованию вечного двигателя. Превращение работы в теплоту не связано с ограничениями. Превращение теплоты в работу требует определенных условий. Невозможно возвращение ТДС в первоначальное состояние без каких-либо изменений в окружающей среде. Необратимы все естественные процессы

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Любой реальный самопроизвольный процесс необратим. При протекании в ТДС необратимого процесса неизменно возрастает энтропия. Чем больше необратимость – тем больше энтропия. Изменение энтропии – мера необратимости термодинамических процессов.

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ВЫРАЖЕНИЕ ВТОРОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ Знак > характеризует необратимые процессы Знак = характеризует обратимые процессы

ОБЪЕДИНЕННОЕ УРАВНЕНИЕ Объединенное уравнение первого и второго закона термодинамики для обратимых процессов и 1 кг рабочего тела:

ИСТОРИЯ Рабочая гипотеза тепловой машины, устанавливающая условия превращения теплоты в работу с точки зрения получения максимального к. п. д. Малая величина к. п. д. тепловой машины – особенность теплоты, а не технического несовершенства машин. Теоретические тепловые машины работают по круговым термодинамическим процессам – циклам.

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ ДЛЯ ЦИКЛОВ Процесс, в котором рабочее тело, претерпев ряд изменений, возвращается в первоначальное состояние, наз. круговым. Необходимы 3 элемента: Ø Нагреватель или теплоприемник с T 1; Ø Холодильник с T 2; T 1 > T 2; Ø Рабочее тело.

ПРИМЕР ЦИКЛА Совокупность 2 -х процессов –расширения и сжатия образовали замкнутый термодинамический цикл. Площадь цикла равна работе, совершенной рабочим телом.

ПРИМЕР ЦИКЛА Подводят тепло q 1 Рабочее тело расширяется и совершает работу расширения. Для возвращения рабочего тела в первоначальное состояние (работа сжатия) часть внутренней энергии в форме теплоты рабочее тело отдаст холодильнику q 2 Теплота цикла: Работа цикла: Первый закон термодинамики для циклов: Во всех циклах изменение внутренней энергии, энтальпии и энтропии равно 0.

По прямым циклам работают все тепловые двигатели, производимая работа отдается внешнему потребителю. По обратным циклам работают холодильные машины- теплота переходит от холодного тела к горячему

СТЕПЕНЬ СОВЕРШЕНСТВА ЦИКЛА Для оценки цикла необходимо знать долю теплоты q 1, превращенной в полезную работу. Термический к. п. д. : Т. е. невозможно создать тепловую машину, термический к. п. д. которой был бы равен единице.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЦИКЛОВ Цикл прямой – линия процесса расширения на p-v диаграмме расположена выше линии сжатия. Цикл обратный - …… Цикл обратимый – состоит из обратимых процессов. Цикл необратимый - ……

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ В ФОРМУЛИРОВКЕ КАРНО В круговом процессе теплота нагревателя не может быть полностью превращена в работу.

ЦИКЛ КАРНО р-v - диаграмма T-S - диаграмма

ЦИКЛ САДИ КАРНО Термодинамический цикл состоит из 2 -х изотермических и 2 -х адиабатных процессов; Обратимый круговой процесс состоит из обратимых термодинамических процессов; Термический к. п. д. цикла Карно не зависит от природы газа и определяется температурами нагревателя и холодильника Количество подведенного тепла Теплота цикла К. п. д. цикла Карно

ОСНОВА ВТОРОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ Для превращения тепла в механическую работу необходимы два источника тепла с различной температурой и рабочее тело. В цикле тепло источника с большей температурой не может быть полностью превращено в работу, т. к. часть его отдается источнику с меньшей температурой. Тепло не может само переходить от тела менее нагретого к более нагретому без затрат работы.

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ ДЛЯ ЦИКЛОВ Математическая запись: Знак = - обратимые циклы; Знак < - необратимые циклы. Если интеграл, взятый по замкнутому контуру, равен 0, то под знаком интеграла находится полный дифференциал некоторой функции: