Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
Q = AU + A=A,
где Q — общее количество теплоты, сообщенной газу в круговом процессе, А — работа газа в таком процессе.
В прямом цикле (п. 3°) Q > 0 и А > 0 — газ совершает работу ! за счет сообщенной ему теплоты. В обратном цикле (п. 4°) над газом совершается работа А' = -А > 0, и от газа отводится эк- J вивалентное этой работе количество теплоты.
«
6°. Циклом Карно называется круговой процесс, изобра- j женный на рис. II.4.2. Прямой цикл Карно состоит из четырех j последовательных обратимых процессов: изотермического рас-ширения 1—1' при температуре T1 (T1' = T1), адиабатического \ расширения 1'—2, изотермического сжатия 2—2' при темпера- |
туре T2 (T2' = T2) и адиабатического сжатия 2'—I. j
1
7 . Практически прямой цикл Карно осуществляется га- j
зом, заключенным в сосуде с подвижным поршнем. В процессе I
1—1' газ находится в тепловом контакте и равновесии с нагре-1
вателем (теплоотдатчиком), имеющим постоянную темпе-1
ратуру T11. От нагревателя газ получает некоторое количество |
теплоты Q1 > 0. Считается, что температура нагревателя при |
3
ЭТОМ не изменяется, ЧТО, строго говоря, ВОЗМОЖНО при беско- I нечной теплоемкости нагревателя. В процессе 1'—2 газ тепло- J изолируется и расширение его происходит адиабатически21 (11.2.5.10°). На участке 2—2' газ приводится в тепловой кон-J такт с холодильником (теплоприемником), имеющим посто- ] янную температуру T2 < T1. При этом газ изотермически ежи-1 мается и передает холодильнику некоторое количество тепло-1 ты -Q2 (если считать, что Q2 < 0 — количество теплоты, полу-1 чаемой газом от холодильника). Теплоемкость холодильника |
считается бесконечно большой. В состоянии 2' газ вновь тепло- S
і
изолируется и адиабатически сжимается до первоначального і состояния 1. 1
1 Например, большим резервуаром с водой.
2 Например, цилиндр с газом покрывают толстым слоем войлока.
§ II.4.1. КРУГОВЫЕ ПРОЦЕССЫ (ЦИКЛЫ). ЦИКЛ КАРНО
163
8°. Работа, которую совершает газ в прямом цикле Карно,
A = Q = Q1 + Q2 = Qj — Iq2I-
Из формулы видно, что А < Q1, т. е. работа, совершаемая рабочим телом (п. 1°) в цикле Карно, меньше энергии, полученной от нагревателя на величину энергии, переданной холодильнику в форме теплоты. Это справедливо для произвольного процесса: работаА, совершаемая за цикл, всегда меньше суммы Qn0flii всех количеств теплоты, переданных рабочему телу нагревателями.
9°. Термическим коэффициентом полезного действия (КПД) г\ называется отношение работы А, совершенной рабочим телом в прямом круговом процессе, к сумме Qtt^ti всех количеств теплоты, сообщенных в этом процессе рабочему телу нагревателями:
А
Tl
Q
ПОД В
Величина г] характеризует степень экономичности теплового двигателя.
10°. Термический КПД прямого цикла Карно, совершаемого идеальным газом,
Qi + Q2 _ Tx - T2 T2
к Qi T1 T1'
Величина Т]к зависит только от отношения температур холодильника T2 и нагревателя T1.
11°. Обратный цикл Карно изображен на рис. П.4.3. При изотермическом сжатии, происходящем в процессе I'—1, от газа отводится количество теплоты Q1 при температуре T1, которая остается постоянной. В процессе 2'—2 изотермического расширения при температуре T2 < T1 к газу подводится количество теплоты Q2. В обратном Цикле Карно Q1 < О, Q2 > 0 и работа
А, совершаемая газом за один цикл, отрицательна: А = (Q1 + Q2) < 0.
Этот вывод справедлив для любого Рис. II.4.3
164
ГЛ. II.4. ВТОРОЙ ЗАКОН (НАЧАЛО) ТЕРМОДИНАМИКИ
обратного цикла. Если рабочее тело совершает обратный цикл, то при этом можно переносить энергию в форме теплоты (11.2.2.1°) от холодного тела к горячему за счет совершения внешними силами соответствующей работы. Это лежит в основе работы холодильных устройств. Экономичность холодильной машины тем больше, чем меньше работа А' = -А, затрачиваемая внешними силами на отвод от холодного тела количества теплоты Q2. Для холодильной машины Карно
Q2=A-Q1= A-- = 1
Л Л j
где г\ — термический КПД прямого цикла между теми же тем-] пературами T1 и T2 (пп. 3°, 4°). |
І
I
§ П.4.2. Обратимые и необратимые процессы J
II
1°. Термодинамический процесс называется обратимыл*| (обратимый процесс), если при совершении его термодинами-« ческой системой (11.1.3.1°) сначала в прямом, а затем в обрат-| ном направлении как сама система, так и все внешние тела, Cjj которыми система взаимодействовала, возвращаются в исход-:! ные состояния. Другими словами, при обратимом процессе] термодинамическая система может возвратиться в исходное! состояние так, что в окружающей ее среде не. останется ника-| ких изменений. Необходимым условием обратимости термоди-'і намического процесса является равновесность (11.1.3.7°) всех! последовательных состояний в процессе. Однако равновес-] ность процесса еще не обязательно означает его обратимость. :-Пример 1. Обратимым процессом является механическое! движение тела в вакууме при полном отсутствии сил трения.* Пусть, например, тело в этих условиях брошено с некоторой! начальной скоростью в поле силы тяжести (1.6.2.1°) под опре-5 деленным углом к горизонту. Оно, описав параболическую^ траекторию, упадет на Землю в некотором месте. Если теперь; бросить тело из этого места под тем же углом, с той же началь-1 ной скоростью, но противоположно направленной, то тело опи-' шет ту же траекторию в обратном направлении и упадет в пер-, воначальном месте. Любые промежуточные состояния движу-, щегося тела в прямом и обратном движениях будут совершен-] но тождественны. Обратимость механических движений;