Второй закон термодинамики

Дата добавления: 2014-05-20 | Просмотров: 1605

Второй закон термодинамики, утверждает, что любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым. Это означает, что теплота не может сама собой переходить от более холодного тела к более нагретому. Аналитическое выражение второго закона: или . Эти соотношения справедливы и для обратимых (знак равенства) и для необратимых (знак >) процессов в любой системе.

Цикл (круговой процесс), замкнутый термодинамический процесс, в результате которого рабочее тело возвращается в исходное состояние.

Прямой цикл, цикл, полезным энергетическим результатом которого является преобразование части подведенной извне теплоты в работу. Эти циклы реализуют в тепловых двигателях.

Обратный цикл, цикл, полезным энергетическим результатом которого является перенос теплоты от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой. Эти циклы реализуют в холодильных машинах и тепловых насосах.

Обратимый цикл, цикл, состоящий из обратимых процессов.

Необратимый цикл, цикл, в котором хотя бы один процесс является необратимым.

Термический коэффициент полезного действия (КПД), отношение работы(l_ц), полученной в результате осуществления прямого цикла, к теплоте, подведенной к рабочему телу (q₁). Обозначают: , где q₂ – теплота, отводимая в цикле. Величина КПД всегда меньше единицы. Для увеличения КПД следует увеличивать q₁ и уменьшать q₂.

Холодильный коэффициент, отношение теплоты (q₂), отведенной в обратном цикле от охлаждаемого объекта, к затраченной в цикле работе (l_ц). Обозначают: , где q₁ – теплота, отводимая в окружающую среду. Величина холодильного коэффициента больше единицы.

Цикл Карно, цикл, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов. На рисунке изображен прямой обратимый цикл Карно 1-2-3-4-1. Процессы: 1-2 - адиабатное расширение рабочего тела; 2-3 - изотермический отвод теплоты; 3-4 - адиабатное сжатие; 4-1 - изотермический подвод теплоты. Величина термического КПД цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела, а определяется только температурой подвода и отвода теплоты: . Цикл Карно имеет наибольший КПД по сравнению с любым другим циклом, осуществляемым в том же интервале температур. Цикл служит эталоном при оценке совершенства любых циклов тепловых машин.

Если рассматривать указанный цикл в обратном направлении (1-4-3-2-1), то это обратимый обратный цикл Карно. Показателем эффективности такого цикла может служить холодильный коэффициент: .

Свойства обратимых циклов, для любого обратимого цикла интеграл (интеграл Клаузиуса) равен нулю: . Для обратимого процесса . Если последнее выражение записать в виде , то получим уравнение второго закона термодинамики для обратимых процессов.

Свойства необратимых циклов, для любого необратимого цикла интеграл (интеграл Клаузиуса) меньше нуля: . Для необратимого процесса . Это означает, что в необратимых процессах энтропия рабочего тела увеличивается по сравнению с обратимым процессом при одинаковом значении dq. Выражение является уравнением второго закона термодинамики для необратимых процессов.

Принцип возрастания энтропии, в изолированной системе (dq = 0) ds ³ 0. Знак равенства относится к обратимым процессам, а знак неравенства к необратимым процессам. Поскольку все реальные процессы необратимы, то энтропия изолированной системы всегда возрастает, стремясь к максимуму. Максимум энтропии соответствует состоянию равновесия, когда в системе не остается разностей температур, и становятся невозможными самопроизвольные процессы.

Обобщенный (регенеративный) цикл Карно, цикл, состоящий из двух изотерм и двух эквидистантных (равноудаленных) кривых. Характерен тем, что, не являясь циклом Карно, имеет такой же термический КПД. Регенерация – метод повышения эффективности реальных циклов тепловых машин.

Эксергия, максимально возможная работа, которая может быть произведена телом в результате его взаимодействия с окружающей средой. Обозначают: полная эксергия Е, Дж, удельная эксергия е, Дж/кг.

Эксергия рабочего тела, максимальная работа, которую может совершить тело с внутренней энергией и в системе с окружающей средой: . Индексом «0» отмечены параметры рабочего тела при условиях окружающей среды, а u, s, v – параметры рабочего тела в рассматриваемом состоянии.

Эксергия потока рабочего тела, максимальная работа, которая может быть получена от потока вещества с энтальпией h при его взаимодействии с окружающей средой: .

Эксергия теплоты, максимальная работа, которая может быть получена за счет источника теплоты q со средней температурой Т при условии, что холодным источником является окружающая среда с температурой Т₀: .

Эксергетический КПД, отношение полезно используемой эксергии (е_полезн), к затрачиваемой эксергии (е_затр): h_е = е_полезн/ е_затр.