В общем случае такой теплообмен протекал бы при наличии расположенного друг за другом бесконечно большого количества источников теплоты, температуры которых отличаются друг от друга на бесконечно малую величину. Это позволяет рабочему телу в равновесном процессе расширения \—а—b—с—d—е—2 получать теплоту от теплового источника, а в обратном равновесном процессе сжатия 2—е—d—с—b—а—\ отдавать теплоту тому же источнику, от которого она была получена. Следовательно, в процессе обращения (сжатия) рабочее тело и источники теплоты приходят точно в то же состояние, какое они имели в каждый рассматриваемый момент в процессе расширения.
Заметим, что обратимый процесс возможен, если система, включающая в себя источники теплоты и рабочее тело, находящееся в цилиндре с подвижным поршнем, является термически изолированной, т. е.отсутствует возможность потери теплоты в окружающую среду.В действительности реальные процессы, осуществляемые в тепловых машинах, протекают в весьма короткий промежуток времени, что не позволяет получить в них равновесный и тем более обратимый процесс. Кроме того, в реальных процессах из-за межмолекулярного трения, а также трения газа о стенки сосуда происходит выделение теплоты как в прямом, так и в обратном процессах, что также приводит к невозможности достижения обратимости. Процессы, которые невозможно осуществить в прямом и обратном направлениях через одни и те же промежуточные равновесные состояния, называются необратимыми. Процессы, характерные для двигателей внутреннего сгорания, необратимы еще и потому, что при сгорании топливовоздушной смеси происходит изменение химического состава рабочего тела.
В технической термодинамике рассматриваются обратимые процессы. Изучение таких процессов позволяет выявить условия, при которых достигается наилучшее использование теплоты.
Сопоставляя действительные необратимые процессы с обратимыми, можно установить на основе опытов коэффициенты, которые учитывают потери, характерные для реальных процессов.Многочисленными опытами, проведенными в конце XVIII и в первой половине XIX века, было показано, что существует определенная. количественная связь при переходе тепловой энергии в механическую работу. Установленные М. В. Ломоносовым основные положения кинетической теории газов и последующее развитие этой теории в совокупности с проведенными исследованиями позволили сформулировать и объяснить закон сохранения и превращения энергии. Первый закон термодинамики формулируется так: теплота и механическая работа эквивалентны.
Принцип эквивалентности тепла и работы в общем виде может быть записан так:
Q=L
где
Q— количество затраченной тепловой энергии;
L— количество совершенной работы.
В системе СИ единицей измерения механической энергии является джоуль (Дж), равный работе, произведенной постоянной силой 1 Н на пути 1 м. За единицу измерения тепловой энергии также принят джоуль.
Во внесистемных единицах теплота измеряется в калориях или килокалориях. За единицу измерения работы принимают также килограммометр (кгс-м).
Согласно опытным данным установлено количественное соотношение между работой в килограммометрах и теплотой в килокалориях. При затрате 1 ккал теплоты можно получить 427 кгс • м работы. Следовательно термический эквивалент работы А равен:
А = 1/427 (ккал/кгс - м).
3.Уравнение первого закона термодинамики
В практических расчетах мощность двигателя измеряют в киловаттах (кВт) или лошадиных силах (л. е.).Часто энергию измеряют величиной работы, производимой в течение часа. Единицами измерения в этом случае являются лошадиная сила-час или киловатт-час (л. с. • ч, кВт • ч).Рассмотрим процесс, совершаемый газом находящимся в объеме V, цилиндра (рис.). В общем случае, когда к 1 кг рабочего тела подводится теплота д и поршень может свободно передвигаться вправо, рабочее тело совершает работу / против внешних сил, затрачивая на это часть теплоты д{. В рассматриваемом процессе не вся теплота, подводимая к рабочему телу, расходуется на совершение работы. Одновременно с расширением газа (увеличением объема: У2 > У,) его температура возрастает (Т2 > Г,) за счет того, что часть подвозимой теплоты д2 = и2-и1 = Аи затрачивается на увеличение внутренней энергии газа. Здесь иь и2 — внутренняя энергия в точках 1 и 2 диаграммы. Для такого протекания конечного процесса от точки 1 до точки 2 уравнение первого закона термодинамики имеет вид
q = q1 + q2 = du +l=Сv(T2-T1)+l
4.Термодинамические процессы, графическое изображение процессов в координатах Р-V. Связь между параметрами.
В тепловых машинах происходят различные процессы, во время которых подводится и отводится теплота (-+q), соответственно увеличивается и уменьшается внутренняя энергия (-+du). Работа может совершаться только за счет внутренней энергии, когда нет подвода теплоты извне (q=0), или наоборот, только за счет подводимой теплоты, когда внутренняя энергия остается неизменной (dи = 0), и, наконец, возможен процесс, когда рабочее тело не совершает работы (/=0).Рассмотрим случай, когда в объеме V цилиндра (рис.) находится 1 кг газа — рабочего тела. Поршень закреплен в цилиндре так, что несмотря на воздействие сил газов он остается неподвижным и, следовательно, при подводе к газу теплоты или отводе ее от газа объем остается постоянным. Уравнение, характеризующее процесс, имеет вид
V = const
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.