Основные термодинамические процессы водяного пара.

Термодинамические циклы.

Термодинами́ческие ци́клы — круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление, объём, температура, энтропия) совпадают. Термодинамические циклы являются моделями процессов, происходящих в реальных тепловых машинах для превращения тепла в механическую работу, а также для отъема тепла от более холодного тела и передачи его более горячему (охлаждения) под действием механической работы.

Компонентами любой тепловой машины являются рабочее тело, нагреватель и холодильник (с помощью которых меняется состояние рабочего тела). Обратимым называют цикл, который можно провести как в прямом, так и в обратном направлении в замкнутой системе. Суммарная энтропия системы при прохождении такого цикла не меняется. Единственным обратимым циклом для машины, в которой передача тепла осуществляется только между рабочим телом, нагревателем и холодильником, является Цикл Карно. Существуют также другие циклы (например, циклы Стирлинга и Эрикссона), в которых обратимость достигается путём введения дополнительного теплового резервуара — регенератора. Можно показать, что обратимые циклы обладают наибольшей эффективностью. Основные принципы. Прямое преобразование тепловой энергии в работу запрещается постулатом Томсона (см. Второе начало термодинамики). Поэтому для этой цели используются термодинамические циклы. Для того, чтобы управлять состоянием рабочего тела, в тепловую машину входят нагреватель и холодильник. В каждом цикле рабочее тело забирает некоторое количество теплоты (Q₁) у нагревателя и отдаёт количество теплоты Q₂ холодильнику. Работа, совершённая тепловой машиной в цикле, равна, таким образом: ; так как изменение внутренней энергии U в круговом процессе равно нулю (это функция состояния). Напомним, что работа не является функцией состояния, иначе суммарная работа за цикл также была бы равна нулю. При этом нагреватель потратил энергию Q₁. Поэтому тепловой, или, как его ещё называют, термический или термодинамический коэффициент полезного действия тепловой машины (отношение полезной работы к затраченной тепловой энергии) равен .

1.8. Изохорный процесс. (V=const)

1.9. Изобарный процесс. (Р=const)

1.10 Изотермический процесс. (T=const)

1.11 Изоэнтропийный процесс (Q=const)

Основные термодинамические процессы водяного пара.

Основные процессы с водяным паром в рабочей части sh—диаграммы схема­тично показаны

Изобарный процесс 1_р2_р является процессом расширения и протекает с подводом теплоты. В области влажного пара его степень сухости X постепенно увеличивается, достигая на верхней пограничной кривой значения х=1. При дальнейшем подводе теплоты вплоть до точки 2_Р пар перегревается. Во всех состояниях, Отображаемых точками, расположенными ниже верхней пограничной кривой, температура пара одинакова и равна температуре насыщения T_s при давлении, при котором осуществляется процесс. Выше погра­ничной кривой температура пара повышается. Разность Т_2р - T_s ха­рактеризует степень перегрева пара. При протекании процесса в обратном направлении удельный объ­ем пара уменьшается, т.е. происходит его сжатие. В результате отво­да теплоты пар, сначала перегретый, становится сухим насыщенным, а затем и влажным. При расчете этого процесса теплоту определяют по выражению q=h₂—hi. Изотермный процесс 1_Т2_Т также является процессом расшире­ния и идет с подводом теплоты. В области влажного пара он сов­падает с изобарным. На рис. 2.14 его начальная точка совмещена с начальной точкой изобарного процесса. Она обозначена 1рд\ На верхней пограничной кривой изотерма круто уходит вправо в об­ласть меньших давлений. В состоянии 2_Т пар является перегретым, но находится при меньшем давлении, чем то, которое отвечает точке 2р. При изотермическом сжатии 2_Т1_Х все изменения состоя­ния проходят в обратном порядке, т.е. перегретый пар становится сперва сухим насыщенным, а затем влажным; Теплота процесса подсчитывается по уравнению q=T(s₂-s,).В изотермическом процессе с водяным паром его внутренняя энергия не остается постоянной. Изохорный процесс 1_у2_у идет с подводом теплоты и повыше­нием давления и температуры пара. В точке l_v пар является влаж­ным, а в точке 2_у — перегретым. Обратный процесс 2_у1_у требует отвода теплоты, и изменение состояния пара происходит в обратном порядке. В изохорном процессе работа расширения не совершается и q = Ли, которое подсчитывают, как обычно, т.е. по уравнению u₂-u₁=h₂-h₁-v(p₂-p₁). Второе слагаемое правой части этого равенства дает величину располагаемой работы 1₀. Изоэнтропный процесс 1,2_S представляет собой адиабатное сжа­тие. Из рисунка видно, что в этом процессе энтальпия и температура пара растут. Удельный объем пара в состоянии точки 2_S меньше, чем в состоя­нии точки l_s, a p_2s > pi_s. Так как процесс идет без теплообмена с окружающей средой, то затраченная на сжатие работа идет на изме­нение внутренней энергии пара, которое по-прежнему определяется по (2.40). В соответствии с (2.42) и (2.41) для этого процесса справед­ливы равенства l = -Δu и l₀ = -Δh. На практике часто приходится рассчитывать процесс адиабатного расширения 2_S1_S, в ходе которого перегретый пар становится вначале сухим насыщенным, а затем и влажным. При адиабатном расширении энтальпия, температура и давление пара уменьшаются, а его удель­ный объем увеличивается. Хотя при переходе через пограничную кривую показатель адиа­баты к изменяется скачком, а в области влажного пара зависит не только от температуры, но и от степени сухости (в области 0,7<х<1,0 к_х= 1,03 5+0,1х (формула Цейнера)), в sh—диаграмме обратимая адиа­бата всегда представляет собой прямую линию, параллельную оси ординат.

8 иделаьные циклы карно, термический кпд

. Идеальные циклы Карно, термодинамический КПД цикла.

Цикл Карно́ — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропия адиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.

Цикл Карно состоит из четырёх стадий:

Изотермическое расширение (на рисунке — процесс 1→2). В начале процесса рабочее тело имеет температуру TH, то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты QH. При этом объём рабочего тела увеличивается. Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение (на рисунке — процесс 2→3). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника. Изотермическое сжатие (на рисунке — процесс 3→4). Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру TX, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты QX. Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие (на рисунке — процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя. При изотермических процессах температура остаётся постоянной, при адиабатических отсутствует теплообмен, а значит, сохраняется энтропия (поскольку , при δQ = 0).

Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T и S (температура и энтропия). КПД тепловой машины Карно

Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно Аналогично, при изотермическом сжатии рабочее тело отдало холодильнику . Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен . Из последнего выражения видно, что КПД тепловой машины Карно зависит только от температур нагревателя и холодильника. Кроме того, из него следует, что КПД может составлять 100 % только в том случае, если температура холодильника равна абсолютному нулю. Это невозможно, но не из-за недостижимости абсолютного нуля (этот вопрос решается только третьим началом термодинамики, учитывать которое здесь нет необходимости), а из-за того, что такой цикл или нельзя замкнуть, или он вырождается в совокупность двух совпадающих адиабат и изотерм. Можно показать, что КПД любой тепловой машины, работающей по циклу, отличному от цикла Карно, будет меньше КПД тепловой машины Карно, работающей при тех же температурах нагревателя и холодильника.

10 свойства воды и водяного пара