Оборотні та необоротні процеси

В двигуні Карно відбуваються оборотні процеси; тому насамперед необхідно з'ясувати, що ми маємо на увазі під оборотними і необоротними процесами.

Оборотний процес – це такий процес, що протікає надзвичайно повільно, так що його можна розглядати як послідовний перехід від одного зрівноважного стану до іншого і т.д., причому весь цей процес можна провести в зворотному напрямку без зміни виконаної роботи і переданої кількості теплоти. Наприклад, газ, що знаходиться в циліндрі з щільно притиснутим до його стінок рухливим поршнем, (тертя зі стінками відсутнє), можна зтиснути ізотермічно зворотним шляхом, якщо проводити стиснення дуже і дуже повільно. Однак не всі навіть дуже повільні процеси є оборотними. Наприклад, якщо в процесі бере участь тертя (в описаному вище прикладі це може бути тертя між поршнем і стінками циліндра), то робота, зроблена під час руху в одному напрямку (наприклад, від стану А до стану В), не буде дорівнювати(із протилежним знаком) роботі, виконаної під час руху в зворотному напрямку (від стану В до стану А). Такий процес не можна було б розглядати як оборотний. Зрозуміло,що ідеальний оборотний процес у дійсності неможливий, оскільки для нього потрібно нескінченно великий час; однак оборотні процеси можна моделювати з високою точністю, і ці процеси мають дуже важливе значення для теорії.

Усі реальні процеси є необоротними і відбуваються з кінцевою швидкістю. У газі можуть виникати збурення (аж до турбулентності), може бути присутнім тертя, можуть бути й інші причини необоротності. При таких умовах жоден процес не може бути чітко оборотним, оскільки втрати теплоти на тертя вже самі по собі є необоротними, турбулентність стане іншою і т.д. Для будь-якого виділеного об’єму не буде існувати одного добре визначеного значення тиску Р і температури Т, оскільки система не завжди буде знаходитися в стані рівноваги. Таким чином, реальний необоротний процес не може бути зображений на PV-діаграмі (за винятком випадків, коли такий процес у деякому наближенні можна розглядати як ідеальний оборотний процес). Оборотний процес завжди можна зобразити на РV-діаграмі, причому , коли він протікає в зворотньому напрямку по тому ж шляху. Незважаючи на те що всі реальні процеси необоротні, поняття оборотного процесу відіграє важливе пізнавальне значення так само, як і поняття ідеального газу.

Повернемося тепер до розгляду ідеального двигуна Карно. Він заснований на представленні оборотного циклу. Оборотний цикл-це послідовність оборотних процесів, за допомогою яких дана речовина (робоче тіло) переводиться з початкового зрівноваженого стану через багато інших зрівноважених станів і повертається знову в той же початковий стан. Зокрема, у двигуні Карно використовується цикл Карно, причому як робоче тіло розглядається ідеальний газ. (Для реального газу PV-діаграма циклу трохи зміниться.) Виберемо крапку а як початковий стан.

PV- діаграма

Газ спочатку розширюється ізотермічно й оборотно по шляху аb при температурі Тн; для цього можна уявити собі, що газ приводиться в контакт із гарячим термостатом при температурі Tн, що повідомляє кількість теплоти | QH | робочому тілу. Потім газ розширюється адіабатично й оборотно по шляху bс; на цій ділянці передача теплоти (теплообміну) взагалі не відбувається і температура газу знижується до значення TL. На третій стадії циклу відбувається ізотермічний оборотний стиск газу по шляху cd тут необхідний контакт із холодним термостатом при температурі TL, якому робоче тіло передає кількість теплоти | QL |. Нарешті, газ адіабатично стискається по шляху da, повертаючи знову у вихідний стан. Таким чином, цикл Карно складається з двох ізотермічних і двох адіабатичних оборотних процесів.

Цикл Карно

Цикл Карно́ — ідеальний термодинамічний цикл.
Цикл складається з чотирьох стадій:

Робоча речовина нагрівається за сталої температури (ізотермічний процес).
Робоча речовина розширюється за сталої ентропії (адіабатичний процес).
Робоча речовина охолоджується за сталої температури (ізотермічний процес).
Робоча речовина стискається за сталої ентропії (адіабатичний процес).

Коефіцієнт корисної дії для двигуна, що працює за циклом Карно, залежить лише від різниці температур нагрівача $T_H$ і охолоджувача $T_C$ .

$\eta={T_H-T_C \over T_H}={ \Delta Q_H - \Delta Q_C \over \Delta Q_H }$

Для збільшення коефіцієнта корисної дії циклу Карно необхідно зробити температуру нагрівача якомога більшою, а температуру охолоджувача — якомога меншою.

Теплові машини

Теплові машини — машини призначені для перетворення внутрішньої енергії палива на механічну енергію. Механічна енергія згодом може перетворитись на електричну енергію й будь-які інші види енергії. У більшості сучасних теплових машин механічну роботу здійснює газ, що розширюється в процесі нагрівання. Цей газ називають робочим тілом. Найпоширенішими тепловими машинами є теплові двигуни.

Про коефіцієнт корисної дії теплових машин[ред. • ред. код]

Складним був шлях людства до першої теплової машини. Лише в середині XVIII століття здійснилась давня мрія людини про використання енергії пари для виконання роботи. Як виконується робота в паровій машині? У топці горить паливо. В результаті його згоряння звільняється певна кількість енергії. Вона передається воді, яка нагрівається до кипіння. Утворюється пара, її спрямовують у циліндр з поршнем. Пара діє на поршень з певною силою. Поршень рухається? долаючи опір, що його чинять зв'язані з ним механізми. Якщо, наприклад, з поршнем парової машини зв'язаний через передавальний механізм підіймальний пристрій, то енергія пари здійснює роботу, долаючи тертя в з'єднаннях машини і силу тяжіння вантажу, який піднімається.

Скільки роботи може виконати парова машина? Скільки завгодно. Якщо підтримувати вогонь у топці і своєчасно замінювати зношені внаслідок тертя деталі машини, то можна задовольнити в принципі будь-яку потребу в роботі. Але тут виникає принципово важливе запитання: скільки палива потрібно для виконання певної роботи? Адже паливо — річ відносно дорога. Його треба видобувати, підвезти, завантажити в топку. Крім того, паливо згоряє не повністю, утворюються відходи, які треба періодично прибирати. Усе це потребує затрат праці.

Очевидно, економічно вигідною є така машина, яка при мінімальних затратах праці дає максимально можливу кількість роботи. А яку максимальну роботу можна дістати, затративши певну кількість палива? Питання далеко непросте. Перші парові машини поглинали величезну кількість палива. Тому робота, яку вони виконували, обходилась дорого.

Скільки ж можна дістати роботи, спаливши дану кількість палива? Досвід показує, що в роботу перетворюється лише частина енергії, одержаної при спалюванні палива. Якщо позначити її Q, а кількість виконаної роботи А, то відношення А / Q дає величину, яка характеризує так званий коефіцієнт корисної дії машини. Коефіцієнт корисної дії сучасних парових машин і турбін становить 6-30 %, автомобільних і авіаційних двигунів внутрішнього згоряння – 30 - 40 %. Це означає, що з кожної тонни палива 600—700 кг витрачається даремно.

Коли врахувати, яка величезна армія теплових двигунів обслуговує людину і яка кількість палива спалюється ними щодня, то легко зрозуміти, наскільки важливою науковою і технічною проблемою є збільшення енергії, що перетворюється двигуном , у корисну роботу, або, іншими словами, підвищення ККД двигунів.

У двигуні відбувається ланцюжок перетворень різних видів енергії. Розглянемо, наприклад, перетворення енергії в автомобільному двигуні. Бензин — джерело енергії. Він вприскується в циліндр. Суміш бензину з повітрям (робоча суміш) запалюється електричною іскрою. Відбувається хімічна реакція-горіння. Вона супроводжується виділенням великої кількості енергії. Енергія хімічна переходить у внутрішню.. Діставши певну кількість енергії, газ у циліндрі розширюється і рухає поршень і зв'язану з ним систему важелів і шестерень, які передають зусилля на ведучі колеса автомобіля. Таким чином, внутрішня енергія перетворюється в кінетичну енергію поступального руху поршня, потім — у кінетичну енергію обертання вала, шестерень і коліс.

При згорянні 1 кг бензину виділяється понад 4,6 • 107 Дж енергії. Коли б уся енергія, що виділяється від згоряння бензину, перетворювалась у механічну енергію руху автомобіля!

Зробимо невеликий підрахунок. ККД автомобільних легкових двигунів становить приблизно 30%. Це означає, що коли залити в бензобак 10 л бензину, то на рух автомобіля витрачається енергія лише 3 л. бензину. Куди ж зникає енергія решти 7 л? Насамперед вона витрачається на подолання сил тертя, які. неминуче виникають між поршнем і стінками циліндра, між шестернями і в усіх з'єднаннях. Тертя веде, як відомо, до нагрівання двигуна.

Чи можна уникнути цих втрат? Ні, тому що тертя можна лише зменшити, удосконаливши систему змащення. Але це не головне. Велика частина енергії палива виділяється у повітря. Усі відчували гаряче дихання двигуна, який викидає через вихлопну трубу продукти згоряння робочої суміші. А чи можна запобігти цим втратам?

Щоб відповісти на це запитання, розглянемо ще один приклад. Понад 85% всієї електроенергії в нашій країні виробляється тепловими електростанціями, на яких енергія палива перетворюється в електричну енергію. Наскільки ефективним є це перетворення? Теплоелектроцентраль (ТЕЦ) дає нам світло й тепло. В її корпусах хімічна енергія палива перетворюється в енергію води й пари, а потім — у механічну енергію руху турбіни і, нарешті, в електричну енергію. За корпусами ТЕЦ стоять вічно оповиті парою башти. У них охолоджується вода. Не вся енергія палива перетворюється в електричну енергію.

Оскільки парові турбіни мають коефіцієнт корисної дії близько 40 %, то з кожної тонни палива 600 кг використовується для обігрівання навколишнього повітря і хмар, що пропливають над ТЕЦ. Правда, частина енергії йде на обігрівання житлових будинків, але все-таки багато внутрішньої енергії пари втрачається марно. Чи не можна зменшити ці втрати? Безперечно, можна. Частину енергії, що виділяється в результаті охолодження води, можна використовувати для обігрівання оранжереї чи засніжених тротуарів взимку. Але внутрішня енергія лишиться при цьому внутрішньою енергією, вона не перетвориться в інші види, а лише розсіється в навколишньому просторі.

Можна зробити й інакше. Прибудувати до ТЕЦ ще один корпус і розмістити в ньому так звані фреонові установки. Подібні електростанції вже працюють на внутрішній енергії природних джерел гарячої води з температурою 60—80°С. Леткий фреон, нагрітий за рахунок гарячої води, обертатиме додаткову турбіну, і ще частина енергії перетвориться в електричну енергію.ККД використання енергії палива стане трохи більшим. Правда, поки що такі фреонові установки не дуже економічно вигідні. Та як би ми не намагались, добитися повного перетворення енергії палива в корисну роботу не можна. Просто неможливо побудувати двигун, який би, образно кажучи, не викидав енергії на вітер. У фізиці цей факт формулюють так: не можна побудувати таку теплову машину, яка повністю перетворювала б енергію палива в роботу.