Введение в специальность: Учебно-методическое пособие для студентов специальности "Промышленная теплоэнергетика", страница 5

          Определим для этого цикла его термодинамический КПД, или иначе называемый термический.

          Как мы уже видели, все количество тепла подводится в процессе 1-2 изотермического расширения. Это количество тепла мы обозначим через q1. Очевидно, количество отведенного тепла q2 меньше величины q1, ибо согласно I-му закону термодинамики, нельзя было бы получить полезную работу цикла, выражаемую пл. 1-2-3-4-1, т.е. q1 – q2 =  , где  выражается пл. 1-2-3-4-1.

          Следовательно, термический КПД может быть выражен:

.

               В 1824 году Карно доказал, что КПД идеальной тепловой машины зависит только от абсолютных температур двух источников тепла, поэтому он может быть выражен:

.

          Например, при стандартной абсолютной температуре поступающего в турбину пара Т1 = 565 + 273 = 838 К   и абсолютной температуре в конденсаторе  Т2 = 30 + 273 = 303 К потери составят:

303: 838 = 0,36, т.е. 36 %,

а КПД идеальной тепловой машины, работающей при таких условиях, не может быть выше

1– 0,36 = 0,64, т.е. 64 %.

          Карно показал таким образом, что даже в идеальной машине неизбежна  потеря  тепла в холодном источнике. В нашем  примере эта потеря составляет 36 %,  т.е. более 1/3 части тепла выделившегося при сжигании топлива.

Контрольные вопросы для самопроверки

          1. В чем заключается сущность второго закона термодинамики?

          2. Дать некоторые формулировки второго закона термодинамики.

          3. Что называется круговым процессом или циклом?

          4. Из каких процессов  складывается цикл Карно? Как он отображается в диаграмме V-P?

          5. Чему равен термический КПД цикла Карно?

          6. Почему КПД цикла Карно не может быть равен единице?

          2.2. Водяной пар

          Наибольшее применение в технике имеет водяной пар, являющийся рабочим телом паровых машин, паровых турбин и других отопительных устройств.

          Законы, относящиеся к идеальному газу, можно распространить и на водяной  пар, так как водяной пар – это газ.

          Если уравнение для идеального газа, известное под названием уравнения Клайперона-Менделеева, записывалось как

PV=RT,

то уравнение для водяного пара не применимо, так как в водяном паре должно учитываться влияние сил взаимодействия молекул и влияние объема молекул.

          Для водяного пара предлагалось уравнение Ван-дер-Ваальса (голландский ученый)

.

          В этом уравнении не одна постоянная величина R, а три – a, b и R.

          В  уравнении  идеального газа     (отсутствие силы взаимодействия молекул) и b = 0 (отсутствие влияния объема).

          Очень большую работу провели советские ученые  М. П.  Вукалович  и  Н. И. Новиков, разработавшие уравнение состояния реального газа. Но им пользоваться в практической жизни трудно и они разработали для водяного пара систему таблиц и  h-S диаграмму, характеризующие состояние водяного пара при любом термодинамическом процессе.

Процесс преобразования в диаграмме V-P

          Чтобы легче рассмотреть процесс парообразования, возьмем 1 кг воды при t = 0 оС, нальем ее в цилиндрический  сосуд и накроем его поршнем, вес которого равен Gкг (рис. 2).

          Допустим этот вес создает давление Р1.

Рис. 2. Процесс расширения пара при Р = const

          При t = 0 оС вода занимает объем, равный v = 0,001 м3. Допустим это состояние воды отображается на рис. 2, а.

          Будем ставить на поршень различные грузы и заметим, что объем воды не меняется. Следовательно, воду можно принять за несжимаемую жидкость. Изобразим координаты P-V диаграммы (рис. 3).

Рис. 3. Процесс парообразования в P-V диаграмме

          Отложим на P-V диаграмме объем, равный 0,001 м3, и поскольку при любом давлении объем остается неизменным, то на диаграмме это изобразится прямой а–аp.

          Начнем воду в цилиндре постепенно нагревать, не снимая с нее поршня, т.е. будем осуществлять изобарный процесс нагрева воды, при этом заметим, что температура воды и ее объем будут постепенно возрастать.