Cicluri termodinamice

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 6 decembrie 2019; verificarea necesită 1 editare .

Ciclurile termodinamice sunt procese circulare din termodinamică , adică astfel de procese în care parametrii inițiali și finali care determină starea fluidului de lucru ( presiunea , volumul , temperatura și entropia ) coincid.

Ciclurile termodinamice sunt modele ale proceselor care au loc în motoarele termice reale pentru transformarea căldurii în lucru mecanic .

Componentele oricărui motor termic sunt un fluid de lucru , un încălzitor și un frigider (cu ajutorul căruia se schimbă starea fluidului de lucru).

Un ciclu se numește reversibil , care poate fi efectuat atât în direcția înainte, cât și în sens opus într- un sistem închis . Entropia totală a sistemului în timpul parcurgerii unui astfel de ciclu nu se modifică. Singurul ciclu reversibil pentru o mașină în care transferul de căldură are loc numai între fluidul de lucru, încălzitor și răcitor este ciclul Carnot . Există și alte cicluri (de exemplu, ciclul Stirling și Ericsson realizează prin introducerea unui rezervor suplimentar de căldură - un regenerator. Obișnuit (adică, aceste cicluri sunt un caz special) pentru toate aceste cicluri cu regenerare este ciclul Reitlinger . Se poate arăta (vezi articolul Ciclul Carnot ) că ciclurile reversibile sunt cele mai eficiente.

Principii de bază

Conversia directă a energiei termice în muncă este interzisă de postulatul lui Thomson (vezi a doua lege a termodinamicii ). Prin urmare, ciclurile termodinamice sunt utilizate în acest scop .

Pentru a controla starea fluidului de lucru, un motor termic include un încălzitor și un frigider. În fiecare ciclu, fluidul de lucru preia o anumită cantitate de căldură ( ) de la încălzitor și dă cantitatea de căldură frigiderului. Munca efectuată de motorul termic într-un ciclu este astfel egală cu $Q_1$ $Q_{2}$

A=(Q_{1}-Q_{2})-\Delta U=Q_{1}-Q_{2}

deoarece modificarea energiei interne într-un proces circular este zero (aceasta este o funcție de stare ). $U$

Amintiți-vă că munca nu este o funcție de stare, altfel munca totală pe ciclu ar fi, de asemenea, zero.

În acest caz, încălzitorul a consumat energie . Prin urmare, eficiența termică sau, așa cum se mai numește, eficiența termică sau termodinamică a unui motor termic (raportul dintre munca utilă și energia termică consumată) este egală cu $Q_1$

\eta ={\frac {A}{Q_{1}}}={\frac {Q_{1}-Q_{2}}{Q_{1}}}

Calculul muncii si randamentului intr-un ciclu termodinamic

Munca într-un ciclu termodinamic, prin definiție, este egală cu

A=\oint _{C}PdV

unde este conturul ciclului. $C$

Pe de altă parte, în conformitate cu prima lege a termodinamicii , se poate scrie

A=\oint _{C}\delta Q-dU=\oint _{C}\delta Q=\oint _{C}TdS

În mod similar, cantitatea de căldură transferată de încălzitor către fluidul de lucru este

Q_{1}=\int _{A\rightarrow B}\delta Q=\int _{A\rightarrow B}TdS

Aceasta arată că parametrii cei mai convenabil pentru descrierea stării fluidului de lucru în ciclul termodinamic sunt temperatura și entropia.

Ciclul Carnot și eficiența maximă a unui motor termic

Articolul principal: Ciclul Carnot .

Imaginează-ți următoarea buclă:

Faza A→B . Fluidul de lucru cu o temperatură egală cu temperatura încălzitorului este adus în contact cu încălzitorul. Încălzitorul transmite căldură fluidului de lucru într-un proces izoterm (la o temperatură constantă), în timp ce volumul fluidului de lucru crește. $Q_{1}=T_{H}(S_{2}-S_{1})$

Faza B→C . Fluidul de lucru este desprins din încălzitor și continuă să se extindă adiabatic (fără schimb de căldură cu mediul). În același timp, temperatura acestuia scade până la temperatura frigiderului.

Faza V→G . Fluidul de lucru este adus în contact cu răcitorul și îi transferă căldură într-un proces izoterm. În același timp, volumul fluidului de lucru scade. $Q_{2}=T_{X}(S_{2}-S_{1})$

Faza G→A . Fluidul de lucru este comprimat adiabatic la dimensiunea inițială, iar temperatura acestuia este crescută la temperatura încălzitorului.

Eficiența sa este astfel

\eta ={\frac {Q_{1}-Q_{2}}{Q_{1}}}={\frac {T_{H}(S_{2}-S_{1})-T_{ X}(S_{2}-S_{1})}{T_{H}(S_{2}-S_{1})}}={\frac {T_{H}-T_{X}}{T_{ H}}}

adică depinde doar de temperaturile frigiderului și încălzitorului. Se poate observa că eficiența de 100% poate fi obținută numai dacă temperatura frigiderului este zero absolut, ceea ce este de neatins.

Se poate demonstra că eficiența motorului termic Carnot este maximă în sensul că niciun motor termic cu același încălzitor și temperaturi mai scăzute nu poate fi mai eficient.

Rețineți că puterea motorului termic Carnot este zero, deoarece transferul de căldură în absența unei diferențe de temperatură este infinit lent.

Vezi și

Link -uri

Literatură

Bazarov I.P. Termodinamică. (link inaccesibil) M.: Liceu, 1991, 376 p.
Bazarov IP Iluzii și erori în termodinamică. Ed. a 2-a rev. M.: Editorial URSS, 2003. 120 p.
Dyskin L.M., Puzikov N.T. Calculul ciclurilor termodinamice.
Kvasnikov IA Termodinamică și fizică statistică. V.1: Teoria sistemelor de echilibru: Termodinamică. Vol.1. Ed. 2, rev. si suplimentare M.: URSS, 2002. 240 p.
Sivukhin DV Curs general de fizică. - M . : Nauka , 1975. - T. II. Termodinamica si fizica moleculara. — 519 p.
Aleksandrov AA Fundamentele termodinamice ale ciclurilor centralelor termice. Editura MPEI, 2004.

Termodinamica
Secțiuni de termodinamică	Principiile termodinamicii Ecuația de stare Mărimi termodinamice Potențiale termodinamice Cicluri termodinamice Tranziții de fază Tranziții de fază de primul fel Tranziții de fază de al doilea fel Termodinamica de neechilibru
Principiile termodinamicii	Principiul general al termodinamicii Prima lege a termodinamicii A doua lege a termodinamicii A treia lege a termodinamicii