ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Превращение теплоты в работу в тепловом двигателе из "Термодинамика " Рабочее тело. Для того чтобы непрерывно производить работу, нужно иметь по меньшей мере два тела с разными температурами, т. е. два источника теплоты. Однако наличие разности температур само по себе еще недостаточно для осуществления процесса превращения теплоты в работу так, например, если два тела с разными температурами просто привести в соприкосновение, то теплота перейдет от горячего тела к холодному без совершения какой-либо полезной внешней работы. Чтобы осуществить тепловой двигатель, непрерывно производящий работу, нужно между телами разной температуры совершать некоторый замкнутый процесс или цикл, для чего потребуется еще одно тело. Это вспомогательное тело, совершающее во время работы теплового двигателя многократно повторяющийся круговой процесс (состоящий в случае двух источников теплоты из чередующихся изотермических и адиабатических процессов) называется рабочим телом. [c.46] Для того чтобы полезная работа за цикл была по возможности большей, в качестве рабочего тела целесообразно, во всяком случае на стадии расширения, применять газы или пары, обладающие способностью значительного увеличения своего объема, а следовательно, и наибольшей в данных условиях работой расширения. [c.47] Абсолютная величина работы, производимой тепловым двигателем за один цикл, согласно первому началу термодинамики [см. уравнения (2.7) и (2.8)] будет независимо от того, обратимы или необратимы процессы в двигателе, равна разности между абсолютньгм значением количества теплоты I (З , отданной рабочему телу более нагретыми телами, и абсолютным значением количества теплоты Q2 1, полученной от рабочего тела менее нагретыми телами. [c.47] В тепловых двигателях теплота, отдаваемая более нагретыми телами, превращается в работу не полностью некоторая доля этой теплоты передается рабочим телом менее нагретым телам. Переход теплоты от более нагретых тел к менее нагретым в результате действия теплового двигателя и обусловленные этим переходом изменения состояния участвующих в процессе тел по сравнению с начальным и представляют собой те компенсационные эффекты, которыми согласно второму началу термодинамики обязательно сопровождается любой как обратимый, так и необратимый круговые процессы превращения теплоты в работу. Этот относящийся к круговым процессам результат выражают еще следующим образом превращение теплоты в работу всегда сопровождается компенсирующим переходом некоторого количества теплоты от более нагретого к менее нагретому телу. Подчеркнем, что сказанное относится к круговым процессам среди незамкнутых процессов с одним источником теплоты могут быть такие, в которых сообщенная телу теплота превращается в работу полностью. oшлe [ я в связи с этим на следующее высказывание Зоммерфельда .. . Планк приводит сам собой напрашивающийся пример полного превращения тепла в работу, а именно изотермическое расширение идеального газа с подведением тепла от источника с высокой температурой при полном использовании давления газа для совершения работы. В этом процессе энергия не будет обесцениваться , а наоборот, будет становиться ценнее (тепло полностью превращается в работу) . [c.47] В рассмотренной схеме непрерывно действующего теплового двигателя одно и то же рабочее тело периодически повторяет тот же самыш круговой процесс. В циклах реальных двигателей рабочее вещество часто периодически обновляется, т. е. заменяется равным количеством находящегося в том же состоянии свежего вещества. С термодинамической точки зрения замена рабочего вещества может рассматриваться как возвращение отработавшего в двигателе вещества в исходное состояние. Поэтому цикл с заменой рабочего вещества принципиально ничем не отличается от цикла с одним и тем же рабочим телом и при анализе различных тепловых двигателей обновление рабочего вещества можно не принимать во внимание. [c.47] Баланс теплоты и работы в тепловом двигателе. Тепловой двигатель, совершающий обратимый круговой процесс превращения теплоты в работу между двумя источниками теплоты с температурами и Го Г , называется обратимым тепловым двигателем (или идеальным двигателем) Карно. [c.48] Тепловой двигатель, или, говоря более обще, тепловую машину, удобно схематически изображать, как показано на рис. 2.13. [c.49] Выше было показано, что и Q2 имеют всегда противоположные знакщ поэтому Ь = Ql + Q2 (Зг и, следовательно, г ( 1, т. е. термический к. п. д. всегда меньше единицы. [c.49] Докажем, что термический к. п. д. цикла любого обратимого двигателя, работающего в заданном интервале температур (т. е. с источниками теплоты температуры н Тг равняется термическому к. п. д. цикла Карно в том же интервале температур (теорема Карно). [c.49] Чтобы доказать теорему, рассмотрим два обратимых двигателя,работающих в интервале температур Т — Т , из которых первый есть стандартный двигатель, работающий по циклу Карно, а второй — произвольный двигатель, отличающийся от стандартного либо устройством, либо природой рабочего тела, и т. п. (на рис. 2.14 последний обозначен квадратом). [c.50] Предположим, что за Ыц циклов первого двигателя от теплоотдатчика отбирается такое же количество теплоты, как и за Ып циклов второго двигателя, т. е. [c.50] С другой стороны, общая полезная внешняя работа должна на основании первого начала термодинамики равняться Ql + Q2, т. е. = Q2. [c.50] Величина Q2 не может быть положительной, так как это означало бы, что производится положительная полезная работа за счет охлаждения только одного — именно нижнего — источника теплоты без всякой компенсации, что согласно второму началу термодинамики невозможно. Следовательно, величина Q2 либо отрицательна, либо равна нулю. Но отрицательной она также быть не может, потому что, приведя в действие двигатель Карно в прямом направлении, а произвольный двигатель — в обратном направлении (что всегда возможно, поскольку рассматриваемые двигатели по предположению обратимы), мы снова пришли бы к противоречию со вторым законом термодинамики. [c.50] Таким образом, остается лишь одна возможность Qn = О, т. е. [c.50] По условию сравнения двигателей аналогичное соотношение имеется и для (2] и и Ql т. е. [c.51] Действительно, если 0, то это означало бы, что L 0, а это противоречит второму началу термодинамики при Q2 0, приведя в действие все двигатели в обратном направлении, мы снова пришли бы к тому же положению. Полученный общий результат может быть сформулирован следующим образом несколько последовательно действующих обратимых тепловых двигателей эквивалентны одному двигателю, работающему в полном интервале температур и отбирающему от теплоотдатчика то же количество теплоты. [c.51] При изложении теории циклов удобнее пользоваться абсолютными значениями Q и L. Для упрощения записи значки, указывающие, что берется модуль величины, часто опускаются. [c.52] Вернуться к основной статье