TS- диаграмма для водяного пара

Процесс нагрева воды до температуры кипения происходит по изобаре, точка b соответствует температуре кипения, её положение на изобаре зависит от температуры кипения. В точке b возрастание температуры прекращается и начинается кипение, т.е. процесс парообразования при постоянной температуре и давлении, который изображается горизонтальным отрезком bс. В точке с конец парообразования и степени сухости Х=1 т.е. сухой насыщенный пар. При дальнейшем подводе тепла происходит процесс перегрева пара при постоянном давлении Сd, но с увеличением температуры. В указанных трех точках b,c,d давление одинаково. На диаграмме площадь 0, а, b, А,0 изображает энтропию жидкости воды, А b,c,В,А – теплоту парообразования, В,c,d, D,В – теплоту перегрева, 0, а,b,c,В,D – энтальпию сухого насыщенного пара, 0,а, b,c,d, D,0- энтальпию перегретого пара.

Цикл Карно.

Рассмотрим принцип работы теплового двигателя. Для превращения теплоты в работу в непрерывнодействующей машине необходим горячий источник теплоты.

Цикл Карно pV- диаграмма. ТS- диаграмма.

От горячего источника рабочее тело может получать теплоту, а для охлаждения рабочего тела необходим холодный источник (В существующих тепловых двигателях горячий источник - химическая реакция сжигания топлива, а холодная- окружающая среда.)

Цикл состоит из двух адиабат 2-3, 4-1 и двух изотерм 1-2, 3-4. Газ (рабочее тело) в точке 1 характеризуется начальными параметрами P1,V1,T1, он помещен в цилиндр под поршнем с изоляцией от окружающей среды, т.е. создаем условия для адиабатного процесса. При соприкосновении с горячим источником подведенным к цилиндру, происходит процесс расширения при температуре Т1 до объема V1. Рабочее тело (газ) забирает от горячего источника теплоты

q1 =Т(S1-S2), которая соответствует площади на диаграмме ТS 1-2-5-6. В точке 2 подвод теплоты прекращается, так как цилиндр теплоизолируется и дальнейшее расширение газа происходит без теплообмена dq=0, т.е. адиабатно. В этом случае работа расширения совершается за счет внутренней энергии, температура повышается до Т2 точка 3. поместив цилиндр на холодный источник с температуры Т2 начнем сжимать рабочее тело по изотерме 3-4, совершив работу сжатия, при этом теплота q2 =Т(S2-S1) отводится к холодному источнику 4-3-5-6. Снова изолировав цилиндр, сжатие закончится без теплообмена 4-1, т.е. в адиабатных условиях. На этом заключительном этапе цикла за счет сжатия dq=0, температура снова увеличится до Т1, за указанный цикл рабочее тело получает от горячего источника теплоту q1 и отдает холодному источнику теплоту q2, при этом совершается работа за цикл (lц). Такой цикл получил название цикла Карно.

Отношение работы, производимой двигателем за цикл к количеству теплоты, подведенной за этот цикл от горячего источника, называется термическим коэффициентом полезного действия КПД цикла.

КПД оценивает степень совершенства цикла теплового двигателя, т.е. чем больше КПД, тем больше часть подведенной теплоты превращается в работу:

h=1-Т2/Т1;

Отметим, что КПД цикла Карно зависит только от значения температур горячего и холодного источника (т.е. холодный источник необходим.)

Тепловой двигатель, который полностью бы превращал в работу всю полученную теплоту, называется вечным двигателем II- рода.

Второй закон термодинамики

Закон определяет направление, в котором протекают процессы и устанавливаются условия преобразования тепловой энергии в механическую.

Все без исключения тепловые двигатели должны иметь горячий источник теплоты, рабочее тело, совершающее замкнутый процесс- цикл и холодный источник теплоты:

Где dS-полный дифференциал энтропии системы.

dQ- количество теплоты, полученной системой от источника тепла, при бесконечно малом процессе.

Т- абсолютная температура источника теплоты.

При бесконечно малом изменении состояния термодинамической системы, изменение энтропии системы определяется вышеназванной формулой, где знак равенства относится к обратимым процессам, знак больше к необратимым.