Тепловой двигатель и его термический КПД. Цикл Карно и теорема Карно.

 

Тепловой двигатель - устройство, в котором осуществляется преобразование внутренней энергии топлива в механическую энергию. Тепловой двигатель содержит три основные части: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Общая блок-схема теплового двигателя представлена на рис. 32.

Чаще всего рабочими телами, совершающими работу в тепловых

двигателях, являются газ или пар. За один цикл работы рабочее тело получает от

нагревателя количество теплоты Q₁. Расширяясь, оно совершает работу А` и часть количества теплоты Q<sub>2</sub> передает холодильнику: Q<sub>1</sub> = А` + Q₂. Охладителем у

большинства тепловых двигателей является окружающая среда (атмосфера). Тепло, полученное от нагревателя, рабочее тело не может полностью превратить в механическую энергию путем совершения работы. Если бы Q₁ = А`, то тогда температура рабочего тела упала до О К, а это невозможно. Если бы температура рабочего тела оказалась ниже температуры окружающей среды, то давление газа (пара) было бы меньше атмосферного и двигатель не смог бы совершать работу. Коэффициент полезного действия теплового двигателя равен отношению работы А`, совершенной двигателем за один цикл, к количеству теплоты Q₁, полученной от нагревателя: Максимальный КПД имеет тепловой двигатель, работающий по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

В 1824 г. С. Карно (1796-1832) доказал теорему: любая реальная тепловая машина,

работающая с нагревателем, имеющим температуру Т₁, и холодильником, имеющим температуру Т₂, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины, определяемый соотношением:

Из этой формулы следует, что чем больше разность температур нагревателя и холодильника (т. е. чем дальше в координатах Р-V отстоят друг от друга изотермы), тем больше η_max.

Но КПД всегда меньше 1 (η_max < 1), так как Т₂ > О.

 

Полезная работа двигателя за цикл равна разности работ расширения и сжатия.

 

Цикл Карно

Цикл Карно представляет собой замкнутый процесс (2 изотермы и 2 адиабаты) и состоит из четырёх стадий:

 

1) Изотермическое расширение, ;

2) Адиабатическое расширение, ;

3) Изотермическое сжатие, ;

4) Адиабатическое сжатие, .

1)КПД двигателя Карно не зависит от свойств рабочего тела, а только от температур

нагревателя(T₁) и холодильника(T₂)

2) КПД двигателя Карно обладает максимальным значением по сравнению с другими, протекающими в том же диапазоне температур.

Причины не использования

1) сложнейшая конструкция, невозможность выполнения.

2) малость работы (из-за затрат на осуществление цикла)

Цикл Карно является показателем совершенства двигателя.

 

Понятие энтропии.

 

– энтропия. С микрофизической точки зрения энтропия является количественной мерой хаотичности, беспорядочности теплового движения. Увеличение энтропии соответствует уменьшения упорядоченности в расположении микрочастиц и в распределении энергии между ними

Для обратимых процессов и , а для необратимых и .

Энтропия адиабатно замкнутой системы в обратимых процессах остается без изменений, а в необратимых увеличивается. Таким образом, энтропия такой системы никогда не может уменьшаться.

Следует иметь в виду, что энтропия отдельных тел в системе может и уменьшаться, и увеличиваться, и оставаться без изменения под влиянием процессов, происходящих в системе, но общая энтропия замкнутой системы в необратимых процессах может только увеличиваться.