Файл: Китайгородский А.И. Введение в физику учеб. пособие для студентов высш. техн. учеб. заведений.pdf

за счет работы Л 2 , совершаемой внешними силами над рабочим телом.

Чтобы получить непрерывно действующую тепловую машину, необходимо закончить такт сжатия в той точке, в которой начался такт расширения; короче, процесс должен быть циклическим. Ра­ бочее тело по проведении каждого цикла возвращается в исходное состояние. Закон сохранения энергии требует поэтому, чтобы энер­ гия, полученная от окружающих тел, равнялась энергии, пере­ данной окружающим телам. От среды получено: тепло Qi при расширении и работа Л2 при сжатии рабочего тела. Среде отдано: ра­ бота Ах при расширении тела и тепло Q2 при сжатии. Следовательно, Qi+A2=Q2+Alt или Л І — Л 2 = Q i — Q 2 . При проведении цикла по часовой стрелке работа сжатия меньше работы расширения. По­ этому последнее равенство выражает тот простой факт, что чистая работа, переданная рабочим телом внешней среде, равна разности теплот, полученной от нагревателя и отданной холодильнику. Соот­ ветственно коэффициент полезного действия цикла, а значит, и всей

1 <?2

машины, будет равен Ц — і — ^ - .

Описанный процесс действия тепловой машины является, разу­ меется, абстрактной схемой. Однако наиболее существенные черты каждого теплового двигателя передаются этой схемой. Рабочим те­ лом является расширяющийся и сжимающийся газ или пар, роль холодильника играет окружающая среда. Нагревателем служит паровой котел или, в двигателях внутреннего сгорания, горючая смесь.

Те же три системы являются необходимыми и для холодильной машины, в которой цикл протекает в обратную сторону. Принцип работы этой машины заключается в следующем: расширение рабочего тела производится тогда, когда оно находится в контакте с холо­ дильником. Этим холодное тело охлаждается еще больше, что и является задачей холодильной машины. Далее, чтобы цикл стал воз­ можным, нужно произвести сжатие рабочего тела и передать тепло, полученное от холодильника. Это выполняется при контакте ра­ бочего тела с нагревателем. Таким образом, более горячее тело на­ гревается еще больше. «Противоестественный» переход тепла от те­ ла менее нагретого к телу более нагретому «оплачивается» работой. Действительно, при совершении цикла против часовой стрелки ра­

с более горячим телом), имеет следующий смысл: количество тепла, отнятое от системы, должно быть скомпенсировано равным количе­ ством механической работы.

Второе начало термодинамики накладывает некоторое условие на действие тепловой машины. Если предполагать процесс обратимым, то изменение энтропии рабоч-его тела после прохождения цикла должно равняться нулю. Можно сказать и иначе: изменение энтро-

Адиабатические процессы в цикле Карно носят вспомогательный характер: они помогают перейти с одной изотермы на другую. В энер­ гетическом балансе эти процессы не участвуют, так как работа ади­

В адиабатическом процессе энтропия системы не меняется. При изотермическом расширении энтропия нагревателя уменьшается на

рабочего тела, вернувшегося в исходное состояние, остается неизмен­

К- п. д. цикла определяется температурами холодильника и на­ гревателя. Чем больше перепад температуры, тем выше к. п. д.

машины. Нетрудно видеть, что коэффи­ циент полезного действия цикла Карно дает оптимальное значение к. п. д. Нет лучшего цикла, чем цикл Карно, и в этом смысле он должен являться образцом для конструкторов тепловых машин, они дол­ жны стремиться как можно более при­ близить реальные циклы к циклу этой идеальной машины.

в

dQ

Т

А

для которого несомненно справедливо неравенство

в в

dQ . 1