Закон термодинамики. Цикл карно. Максималний кпд тепловых машин. Третый закон термодинамики

Второй закон термодинамики. Цикл карно. Максималний КПД тепловых машин. Третый закон термодинамики.
В современной технике механическую энергию получают главным образом за счёт внутренней энергии топлива. Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии в механическую, называют тепловыми двигателями.

КПД тепловой машины

Работа, совершаемая тепловой машиной, не может быть больше: A=Q1−|Q2|, т.к. рабочее тело, получая некоторое количество теплоты (Q1) от нагревателя, часть этого количества теплоты (по модулю равную |Q2|) отдаёт холодильнику. Отношение этой работы к количеству теплоты, полученному расширяющимся газом от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия η тепловой машины.
оэффициент полезного действия любой тепловой машины считается по формуле:
η=AQ1=Q1−|Q2|Q1=1−|Q2|Q1
Для увеличения КПД, при расширении или сжатии газа должны быть использованы процессы, позволяющие исключить уменьшение энергии горячего тела, которое происходило бы без совершения работы. Такие процессы существуют — это изотермический и адиабатный процесс.

Цикл Карно

Сади Карно искал пути решения актуальной для его времени задачи — установить причину несовершенства тепловых машин, найти пути наиболее эффективного их использования. Именно он, впервые предложил наиболее совершенный технический процесс, состоящий из изотерм и адиабат.

Схема цикла Карно

Прямой цикл Карно. Исходным состоянием рабочего тела двигателя является состояние точки 4. На участке 4—1 цикла рабочее тело сжимается адиабатически, т. е. без потерь теплоты. В точке 1 к нему начинают изотермически подводить теплоту Q1 от высокотемпературного источника, в результате чего рабочее тело расширяется по линии 1—2. На участке 2—3 расширение рабочего тела продолжается уже без подвода теплоты, т. е. адиабатически. На участке 3—4 от рабочего тела с помощью источника низкой температуры отбирается теплота Q2. В двигателях, работающих по разомкнутому циклу, когда теплоноситель в каждом цикле работы обновляется, процесс охлаждения заменяется процессом обновления теплоносителя.

Линия	Состояние		Описание
1-2	Изотерма T=T1 dQ1 (нагревание) V⇑	От нагревателя поступает теплота dQ1 (или QH), газ под поршнем изотермически расширяется.	В начале процесса рабочее тело (газ) имеет температуру температуру нагревателя (TH или T1). Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты QH (или Q1). При этом объём рабочего тела увеличивается, оно совершает механическую работу, а его энтропия возрастает.
2-3	Адиабата dQ=0 V⇑	Газ изолирован от нагревателя и холодильника и адиабатически расширяется.	Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом температура тела уменьшается до температуры холодильника (TX или T2), тело совершает механическую работу, а энтропия остаётся постоянной.
3-4	Изотерма T=T2 dQ2 (охлаждение) V⇓	Газ изотермически (при T=T2) сжимается и отдает теплоту dQ2 холодильнику.	Рабочее тело, имеющее температуру холодильника (TX или T2), приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты QX (или Q2). Над телом совершается работа, его энтропия уменьшается.
4-1	Адиабата dQ=0 V⇓	Газ изолирован и адиабатически сжимается.	Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается под действием внешней силы без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя (TH или T1), над телом совершается работа, его энтропия остаётся постоянной.