Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. На этой лекции мы поговорим о том, что вообщем-то было целью термодинамики. Т.е это было основанием почему термодинамика появилась. Как мы помним термодинамика появилась благодаря стремлению людей создать наиболее эффективное устройство по преобразованию внутренней энергии топлива, например, в механическую работу. Раньше были ветряные или водяные мельницы. Они преобразовывали механическую энергию, кинетическую энергию ветра, потенциальную энергию воды в механическую работу. А начиная с 1712 года появились машины, которые преобразуют внутреннюю энергию топлива, угля, нефти, газа в механическую работу. Эти устройства называются тепловыми машинами, точнее тепловыми двигателями. Тепловая машина - это более общее понятие и мы об этом еще поговорим. И это и есть тема нашего сегодняшнего разговора. И так что такое тепловой двигатель?
Тепловой двигатель - это устройство для преобразования внутренней энергии тела в механическую работу.
Из каких составных частей складывается тепловой двигатель?
Второй закон термодинамики - в циклическом тепловом двигателе невозможно всю энергию полученную рабочим телом от нагревателя преобразовать в механическую работу.
И так мы сформулировали второй закон термодинамики для теплового двигателя. И тут же могут найтись хитроумные инженеры и ученые, которые скажут, а давайте создадим устройства которые, то количество теплоты, которое выбрасывается в охладитель перенесло бы обратно в нагреватель. Т.е взять какое-то количество теплоты и доставить его обратно, т.е зациклить и тогда пожалуйста можно будет всю энергию или все количество теплоты преобразовывать в тепловую энергию. Но при этом стоит помнить, что охладитель имеет более низкую температуру, чем нагреватель. Значит, нам необходимо, чтобы от более холодного тела количество теплоты переходило к более горячему телу. Само это не происходит в природе. Не существует никогда такой ситуации, чтобы количество теплоты самопроизвольно без каких-то дополнительных процессов переходило от более холодного тела к более горячему телу. И, кстати, это утверждение тоже называют вторым законом термодинамики, который существует в двух формулировках и мы не будем его записывать. И при этом второй закон термодинамики возможно сформулировать так, что невозможно создать циклическую тепловую машину, которая бы все количество теплоты, полученное от нагревателя преобразовывало бы в работу и оно логически эквивалентно другой формулировке. Что невозможно создать такой процесс при котором количество теплоты от менее нагретого тела переходило бы к более нагретому телу без каких-либо других дополнительных процессов. С дополнительными процессами пожалуйста...давайте возьмем тот же бытовой холодильник. Он берет количество теплоты от менее нагретого тела из морозилки и выбрасывает его на заднюю стенку холодильника, если вы замечали, то задняя стенка холодильника теплая, но там есть компрессор, который приводится в движение двигателем и этот двигатель совершает работу и об этом еще подробнее мы будем говорить. Поэтому это безнадежная затея попытаться получить тепловой двигатель со стопроцентным коэффициентом полезного действия. Но давайте попробуем хоть что-то все-таки получить...
И для этого давайте начнем с того, посмотрим как вычисляется коэффициент полезного действия теплового двигателя.
И так мы выяснили, что
коэффициент полезного действия теплового двигателя не может быть больше единицы и это незыблемое правило продиктовано вторым законом термодинамики.
Но давайте все-таки попробуем хоть чуть-чуть приблизиться к единице...
И для того чтобы это сделать необходимо уяснить какие процессы не желательны в работе теплового двигателя. Давайте представим себе следующий "тепловой двигатель" с нулевым коэффициентом полезного действия. Допустим у нас есть медный или железный стержень с хорошей теплопроводностью. Левый конец стержня мы подключаем к нагревателю, а правый конец стержня подключим к охладителю. Какое-то количество теплоты забирается от нагревателя и такое же количество теплоты передается холодильнику. Работа при этом не совершается. А как называется процесс переноса энергии? Такой процесс называется теплопередачей. Изменение внутренней энергии без совершения работы по передаче. Значит, передача тепла наш главный враг. И, соответсвенно, нам необходимо придумать такой процесс, который был бы, во-первых циклическим и во-вторых на всех стадиях этого процесса теплопередача бы не происходила. И оказывается есть два способа избежать теплопередачи.
Во-первых можно избежать теплопередачи с помощью теплоизоляции. Т.е отделить рабочее тело от всех окружающих тел и дать возможность ему выполнять работу. Давайте теперь вспомним процесс где у нас происходит без теплообмена с окружающей средой. И так адиабат...значит, наш цикл должен включать в себя адиабатный процесс, но на самом деле их будет два...
во-вторых теплопередача, если теплоизоляции нет не будет происходить, если нет разницы температур между рабочим телом и нагревателем. Если нет разницы температур, то, значит, нет и теплопередачи. И в таком случае рабочее тело должно иметь такую же температуру, как нагреватель. Как тогда будет называться процесс, происходящий с рабочим телом, если оно все время имеет температуру нагревателя? Изотермический...И точно так же, если тело имеет температуру тело равную температуре охладителя, то теплопередача снова будет отсутствовать и процесс опять-таки будет изотермическим.
Впервые Цикл Карно был описан в одной из книг с названием "О движущей силе огня и машинах способных развивать эту силу". Чуствуется, что стилистика языка того времени обладает чертами некоторой архаики. О движущей силе огня...так вот оказывается, если движущую силу огня использовать в машине, работающей по движущемуся циклу Карно, то коэффициент полезного действия этой машины будет самым высоким. Никакая другая тепловая машина не будет иметь коэффициент полезного действия больше, чем этого коэффициента. И мы, пока, этого не можем сделать, так как нам пока немного на этом этапе не хватает знаний, но можно показать...
Мы в ролике озвучили идеальная тепловая машина...а тема наша звучит, как тепловой двигатель...Тепловая машина - это более общее понятие, оказывается, что цикл Карно можно осуществлять и в противоположном направлении. Допустим у нас рабочее тело от нагревателя получает у нас какое-то количество теплоты в изотермическом процессе. И, кстати, для того, чтобы это произошло этот процесс должен протекать очень медленно, потому что если очень быстро расширять, то возникает большая разница температур. Поэтому такой цикл на практике нельзя осуществить. Очень медленно можно расширять тело, так что его температура все время будет совпадать с температурой нагревателя и при этом будет совершаться работа. А тепло будет переходить от нагревателя к рабочему телу. А теперь давайте сделаем наоборот...давайте наше рабочее тело будем медленно сжимать, разность температур при этом между рабочим телом и нагревателем по прежнему будет нулевой, но направление перемещения энергии будет противоположным. И продолжая рассуждать в том же духе мы можем этот цикл осуществить в обратную сторону, который так и называется обратный Цикл Карно. При этом мы будем совершать работу над рабочим телом, а не оно будет совершать работу. Мы, так сказать, должны этот цикл "крутить"...но что будет результатом? Вместо того, чтобы тепло выбрасывалось более холодному охладителю, оно должно забираться от холодного тела и передаваться более горячему телу. Т.е за счет совершения работы мы можем отбирать тепло у более холодного тела и передавать его более горячему телу. Само это невозможно, так как это запрещено вторым законом термодинамики. Но за счет совершения работы - это можно делать. И таким образом работают холодильные машины. Т.е холодильная машина может работать по циклу Карно при этом она будет иметь наибольшую эффективность и об этом мы с вами еще чуть позже будет говорить...Поэтому данная формула может быть использована и для прямого и для обратного цикла Карно. Каков же порядок величины максимального коэффициента полезного действия теплового двигателя?
На этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, подпишись на канал и поддержи автора.