25) Поняття колового процесу чи циклу виникло в тд у зв’язку з вивченням процесів,

які протікають в різних теплових двигунах.

Так, в тепловому двигуні за рахунок підведеної теплоти робоче тіло в процесі розширення здійснює корисну зовнішню роботу. Одначе, для того, щоб ця робота здійснювалася безперервно, необхідно, щоб робоче тіло після кожного процесу роз-ширення знову поверталося в початковий стан. В реальних теплових двигунах робо-че тіло, яке відпрацювало, звичайно видаляється з двигуна і в нього вводиться нова порція робочого тіла, котре має початковий стан. Та існують схеми, коли одна й та ж порція робочого тіла після процесу розширення стискається в двигуні до початково-го стану і знову використовується для отримання роботи. При цьому процес стис-нення повинен протікати таким чином, аби робота стиснення була менше роботи розширення.

Процеси, в яких робоче тіло, проходячи ряд різних станів, повертається в вихідне положення, називаються коловими процесами або циклами (рисунок 5). Цикли бувають прямі і зворотні. Прямі цикли здійснюються в теплових маши-нах, в яких теплота переходить в роботу, а зворотні – в холодильних установках, де робота переходить в теплоту.

Якщо процеси, котрі входять до складу циклу, рівноважні та оборотні, то цикл те ж оборотний. Якщо будь – який процес, що входить в цикл, нерівноважний, то і весь цикл буде нерівноважним і, отже, необоротним. Всі цикли протікають таким чином, що на деяких його ділянках теплота підводиться до робочого тіла, а на ін-ших, навпаки, робоче тіло віддає теплоту.

В прямих циклах джерела, від яких робоче тіло одержує теплоту, називаються гарячими джерелами або тепловіддатчиками, а джерела, яким робоче тіло віддає теплоту, називаються холодними джерелами або теплоприймачами. В зворотних циклах роль джерел міняється.

2 Розглянемо довільний прямий оборотний цикл , зображений на рисунку 5.

З графіка видно, що процеси розширення і розташовані вище процесів стиснення і і зміна стану робочого тіла відбувається за годинниковою стріл-кою. В цьому випадку позитивна робота розширення більше негативної роботи стиснення .

Корисна робота циклу дорівнює різниці робіт розширення і стиснення і зо-бражується площею , обмеженою замкненою лінією циклу, тобто .

В процесах розширення і до робочого тіла підводиться теплота від га-

Рисунок 5 – Довільний прямий Рисунок 6 – Довільний зворотний

коловий процес (цикл) коловий процес (цикл)

рячих джерел, а в процесах стиснення і робоче тіло віддає теплоту холод-ним джерелам або теплоприймачам.

Таким чином, корисно використана теплота за цикл буде дорівнювати:

.

В кругових процесах початковий і кінцевий стани робочого тіла співпадають, тому зміна його внутрішньої енергії дорівнює нулю. Отже, (38)

Степінь термодинамічної досконалості прямого циклу характеризується тер-мічним коефіцієнтом корисної дії (к.к.д.), який є відношенням роботи циклу до теплоти, котра підводиться , і позначається , тобто

. (39)

Через те, що в прямих циклах завжди більше , то термічний к.к.д. завжди менше одиниці. З розглядання прямого циклу витікає важливе правило: при пере-творенні теплоти в роботу частина підведеної теплоти обов’язково повинна бути передана тепловіддатчикам.

3 В зворотному циклу зміна стану робочого тіла відбувається в зворотній послідов-ності, тобто проти годинникової стрілки і процеси розширення і розташову- ються нижче процесів стиснення і (рисунок 6).

При розширенні газу здійснюється робота , яка буде менше роботи стиснення .

Робота циклу, яка дорівнює різниці робіт розширення і стиснення, зображу-ється площею циклу

, вона негативна.

В процесах розширення і до робочого тіла підводиться теплота в кіль-кості від холодних джерел, а в процесах стиснення і від робочого тіла відво-диться теплота до гарячих джерел, отже, .

В зворотних циклах, як і в прямих, , тому ,

тоді або . (40)

Таким чином, гарячим джерелам передається теплота холодильника і теплота, еквівалентна роботі циклу.

Показник ефективності зворотних циклів - так званий холодильний коефіці-єнт корисної дії (к.к.д.), який є відношенням віднятої від тепловіддатчика теплоти до витраченої для цього роботи , тобто

(41)

26) З позицій першого закону термодинаміки припустимі будь – які процеси взаємопе- ретворення теплоти і роботи, якщо вони відбуваються в еквівалентних кількостях. Частина таких процесів може протікати довільно, тобто без усякого зовнішнього впливу: наприклад, перетворення механічної роботи в теплоту тертя, перехід тепло-ти від гарячих тіл до холодних. Одначе здійснення деяких процесів можливо тільки при виконанні додаткових умов, тобто такі процеси не можуть протікати довільно: наприклад, перехід теплоти від холодних тіл до гарячих повинен супроводжуватися обов’язковою витратою додаткової зовнішньої роботи.

Якщо перший закон термодинаміки встановлює еквівалентність теплоти і роботи, то другий закон встановлює напрямок, в якому відбуваються реальні проце-си, і необхідні для їх здійснення умови. Обидва закони відкриті дослідним шляхом. На відміну від першого другий закон ТД суворо справедливий тільки для систем обмежених розмірів, наприклад Землі та її найближчого оточення. На весь Всесвіт другий закон ТД не може бути поширений.

Перш ніж сформулювати другий закон ТД, згадаємо особливості здійснення колових процесів (циклів). Раніше було встановлено, що в прямих циклах (циклах теплових двигунів) підведена від тепловіддатчика до робочого тіла теплота не може бути повністю перетворена в корисну роботу, бо частина теплоти в кількості обов’язково повинна бути передана від робочого тіла до теплоприймача з більш низькою температурою.

В зворотних циклах (циклах холодильних машин) відведення теплоти від менш нагрітих тіл (тепловіддатчиків) до більш нагрітих (теплоприймачів) відбува-ється тільки за умов обов’язкової витрати зовнішньої роботи, яка потім у формі теплоти також передається теплоприймачам.

Таким чином, не можна здійснити такий періодично діючий тепловий двигун, за допомогою котрого можна було б повністю перетворити в роботу всю тепло-ту, яка надана робочому тілу тепловіддатчиком. Це і є одне з формулювань друго-го закону термодинаміки, який початково був сформульований саме стосовно до за-кономірностей перетворення теплоти в роботу.

Якщо б вдалося побудувати тепловий двигун, що працює при наявності тільки одного джерела теплоти, тобто врахувати колосальні запаси енергії в навколишніх тілах (земна поверхня, вода в морях, океанах і ріках), такий двигун практично міг би працювати безмежно довго.

Тому одне з формулювань другого закону ТД стверджує, що неможливо здійс-нити вічний двигун другого роду, тобто двигун, який перетворює повністю в роботу теплоту, яка отримана від єдиного джерела теплоти.

В зворотних циклах, тобто в циклах холодильних машин, згідно другого за-кону ТД відведення теплоти від менш нагрітих тіл (тепловіддатчиків) до більш на-грітих (теплоприймачів) можна здійснити тільки за умови обов’язкової витрати зов-нішньої роботи, яка потім у вигляді теплоти передається теплоприймачам.

Існують також інші формулювання другого закону термодинаміки:

• в коловому процесі теплота, яка підводиться, не може бути повністю перетво-рена в роботу;

• для перетворення теплоти в роботу потрібно мати не тільки нагрівач, але й охолоджувач (холодильник) з більш низькою температурою, тобто темпера-турний перепад;

• теплота не може сама по собі переходити від тіл з більш низькою температу-рою до тіл з більш високою температурою.