Условия работы тепловых машин

Для того чтобы от тепловой машины можно было получить полезную работу, необходимо выполнить три условия.

• 1. Необходимо иметь рабочее тело, посредством которого осуществляется взаимное превращение теплоты и работы.
• 2. Необходимо наличие по меньшей мере двух источников теплоты с разными температурами — верхний (высший) источник теплоты (ВИТ), или нагреватель, и нижний (низший) источник теплоты (НИТ), или холодильник.
• 3. Работа тепловой машины должна быть цикличной, т. е. рабочее тело, совершая ряд процессов, должно возвращаться в исходное состояние.

Рассмотрим круговой цикл тепловой машины, изображенный на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Круговой цикл тепловой машины В процессе расширения (линия —а—2) от ВИТ с температурой Т_{ к рабочему телу подводится теплота в количестве q. При этом совершается положительная работа /_lf численно равная пл. (с— 1— а—2—d).

В процессе сжатия (линия 2—6—1) от рабочего тела отводится теплота q₂ к НИТ с температурой Т₂. В этом процессе затрачивается работа /₂ (работа отрицательная), равная ил. (c—l—b—2—d).

Уравнение первого закона термодинамики для процессов, изображаемых линиями 1—а—2 и 2—6—1, соответственно будет иметь вид.

Различные знаки изменения внутренней энергии и взяты потому, что внутренняя энергия за цикл не должна изменяться.

Сложив уравнения (2.1) и (2.2), получаем.

где /_ц — работа цикла, равная пл. (1— а—2—b— 1).

Чтобы получить полезную работу, работа, затраченная на сжатие в процессе, изображаемом линией 2—6—1, должна быть меньше работы расширения в процессе, изображаемом линией 1—я—2 (/₂ < 1). Чтобы этого достичь, необходимо одновременно со сжатием охлаждать рабочее тело, отнимая у него теплоту q₂. Если при сжатии не охлаждать рабочее тело, то процесс сжатия будет происходить по пути 2—а— 1 и на сжатие будет потрачена та же самая работа /_ь которая была получена в процессе расширения. В результате полезная работа цикла будет равна нулю.

Повторяя последовательно цикл, изображаемый фигурой 1— а—2—6—1, с подводом и отводом теплоты, можно получить непрерывно действующую тепловую машину.

Коэффициент полезного действия (КПД) цикла тепловой машины определяется по формуле.

Таким образом, коэффициентом полезного действия тепловой машины называется отношение полезной работы, полученной в цикле, ко всей затраченной теплоте. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (или 100%), так как нс вся теплота q_u подведенная к рабочему телу, превращается в работу. Часть этой теплоты в количестве q₂ отводится в окружающую среду.

Отсюда вытекает следующая формулировка второго закона термодинамики: «Стопроцентное превращение теплоты в работу посредством тепловой машины невозможно». Тепловой двигатель, который всю подведенную теплоту превращает в работу, называется вечным двигателем второго рода. Тепловая машина с КПД, равным единице, нс противоречит первому закону термодинамики, который констатирует лишь взаимонревращаемость энергий. Однако такая машина противоречит второму закону термодинамики, который обусловливает получение полезной работы некоторым компенсирующим процессом — передачей части теплоты (с/₂) к НИТ. Ниже (см. параграф 2.4) будет дана еще одна формулировка вечного двигателя второго рода, а также более подробно будут рассмотрены компенсирующие процессы.