ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Особенности протекания необратимых циклических процессов из "Основы теории тепловых процессов и машин Часть 2 Издание 3 " Как известно, С. Карно рассматривал только идеальные обратимые циклы тепловых машин. Такие циклы состоят из ряда равновесных процессов. Бели термодинамическая система находится в равновесии, то в ней не происходят никакие изменения. Любое нарушение равновесия в рассматриваемой термодинамической системе на бесконечно малую величину приводит к изменению параметров системы (давления, объема или температуры) в одном или другом направлении в зависимости от направления возмущающего воздействия. Например, газ, находящийся в цилиндре с подвижным поршнем, находится в состоянии равновесия с окружающей средой, т. е. его температура, давление и удельный объем во всех частях цилиндра одинаковы и неизменны с течением времени. Если газу сообщать бесконечно медленно энергию в тепловой форме (нагреть его), то это приведет к бесконечно медленному перемещению поршня. В этом случае давление системы (газа) по всему цилиндру будет восстанавливаться до прежнего значения. [c.76] Бели от газа бесконечно медленно отводить энергию в тепловой форме, то его температура и давление также будут бесконечно медленно понижаться. Поршень в этом случае будет бесконечно медленно опускаться. Давление газа по всему объему почти мгновенно будет восстанавливаться. [c.76] Если в какой то момент времени нагрузка на поршень увеличится или уменьшится на бесконечно малую величину, то поршень опустится или поднимется на бесконечно малую величину. В этом случае газ в цилиндре сожмется или расширится на бесконечно малую величину. При этом процессы расширения или сжатия происходят относительно медленно, Термин относительно означает следующее. Если поршень в цилиндре быстро переместить, то перед ним образуется волна давления, которая мгновенно распространяется по всему объему. Давление во всем объеме газа выровняется в течение примерно 10 секунды. Если поршень перемещать в течение 0,001 секунды, то этот отрезок времени по отношению к промежутку времени, в течение которого происходит выравнивание давления газа по всему объему цилиндра, будет бесконечно большим. Отрезок времени, в течение которого происходит восстановление давления газа по всему объему, называется временем релаксации. [c.77] Учитывая это обстоятельство, процесс сжатия газа можно осуществить таким образом, что процесс его расширения (обратный процесс) пройдет через те же самые состояния, т. е. линия расширения совпадет с линией сжатия. Но это можно сделать только в идеальном случае. В реальных условиях осуществить такие равновесные процессы с газом не представляется возможным. [c.77] При сжатии газа затрачивается энергия в механической форме не только на преодоление силы давления, но и на преодоление силы трения, возникающей между поршнем и стенками цилиндра. В результате сжатия газа происходит передача и преобразование энергии. Энергия в механической форме частично накапливается газом в форме упругой деформации (потенциальной энергии давления), а частично преобразуется во внутреннюю энергию (тепловую форму). Вместе с тем, из-за трения часть механической энергии будет преобразована в тепловую форму (цилиндр и поршень нагреются). От цилиндра энергия в тепловой с рме может быть рассеяна в окружающую среду. Следовательно, если газу предоставить возможность расширяться, то его потенциальная энергия упругой деформации и часть внутренней энергии будут возвращены обратно в механической форме. Но количество отдаваемой газом энергии в механической форме в этом случае будет меньше количества энергии, затраченной на его сжатие. Как при сжатии, так и при расширении из-за трения поршня о стенки цилиндра происходит диссипация механической энергии. Следовательно, процесс расширения не совпадет с процесс сжатия. В этом случае, процессы сжатия и расширения не будут взаимно обратимыми. [c.77] Таким образом, все реально происходящие в природе процессы являются неравновесньши необратимыми). Необратимость процессов, прежде всего, связана с преобразованием энергии из механической формы в тепловую с последующим ее частичным или полным рассеиванием в окружающую среду. [c.77] Выражение (8.138) показывает, что энтропия в результате теплообмена возрастает. [c.78] Аналогичная ситуация имеет место при работе тепловой машины по обратному циклу (холодильник, тепловой насос). [c.79] Практика осуществления реальных необратимых процессов показала, что они ведут к возрастанию энтропии системы. [c.79] Все тепловые двигатели, установленные на транспортных средствах любого назначения (включая ракетно-космические) неизбежно ведут к росту энтропии, так как в них осуществляются неравновесные циклические процессы. Огромное количество энергии в тепловой форме выделяется в результате торможения наземных транспортных средств, в которых эффект торможения базируется на силе трения. В результате трения происходит преобразование энергии из механической формы в тепловую форму. Чем больше возрастание энтропии, тем больше степень необратимости процесса. [c.79] Энтропия — основная величина, определяющая возможность (или невозможность) протекания процессов в любых системах преобразования вещества и энергии с позиций второго начала термодинамики. Если суммарная энтропия участвующих в процессе тел не изменяется (идеальный процесс) или увеличивается (реальный процесс), то процесс возможен, если уменьшается — процесс невозможен. [c.79] Уменьшение энтропии в изолированных системах второй закон термодинамики запрещает. [c.79] Клаузиус отметил, что возрастание энтропии является характерным признаком естественных процессов и соответствует запасанию энергии при более низких температурах. Это указывает на то, что естественные процессы в природе направлены на понижение качества энергии. [c.80] Такое истолкование связи энергии и энтропии, при котором энтропия характеризует условия запасания и хранения энергии, имеет большое практическое значение. [c.80] Сжигая уголь, дрова, бензин, дизельное топливо, мазут, газ и др. виды сырья, мы полагаем, что уменьшаем количество энергии. В действительности, первый закон термодинамики утверждает, что энергия постоянна т. е. количество энергии не изменяется. Она лишь переходит из одной формы в другую. В этом смысле энергетический кризис невозможен (количество энергии не изменяется). Но сжигая топливо, мы увеличиваем энтропию окружающей среды, так как энергия переходит к менее нагретым телам. Качество энергии тем самым понижается. Энергия становится высокоэнтропийной, т. е. менее работоспособной . [c.80] Таким образом, человечество должно заботиться в первую очередь о качестве энергии, а не ее количестве. Экономное расходование энергии означает контроль за использованием высококачественной (низкоэнтропийной) энергии. [c.80] Вернуться к основной статье