Методические указания. 1. Теплота и работа представляют собой формы передачи энергии и могут переходить друг в друга

1. Теплота и работа представляют собой формы передачи энергии и могут переходить друг в друга. Работа (механическая энергия) полностью превращается в теплоту. Теплоту же полностью превратить в механическую энергию нельзя. На вопрос, «какую часть теплоты можно превратить в работу?», дает ответ второй закон термодинамики. Этот закон также определяет направление естественных процессов (формулировки Клазиуса, Больцмана) и характеризует качественную сторону процессов преобразования теплоты в работу. Показателем качества тепла является эксергия.

В отличие от первого закона термодинамики, являющегося абсолютным законом природы, справедливым как для макромира, так и для микромира, второй закон термодинамики получен на основании опыта для макросистем в условиях Земли и не может произвольно распространяться как на бесконечную Вселенную, так и на микромир.

2. Обратите внимание: для обратимого цикла Карно температура горячего источника (T_ги) и температура подвода теплоты к рабочему телу (T₁) совпадают - T_ги = T₁; температура холодного источника (T_хи) и температура отвода теплоты от рабочего тела (T₂) совпадают - T_хи = T₂. Следовательно, процессы теплообмена между рабочим телом и источниками тепла – внешне обратимые.

Адиабатные процессы сжатия и расширения рабочего тела – внутренне обратимые (без трения).

В реальных циклах все эти процессы необратимы.

Вопросы и задачи

1. В чем суть известной в философии концепции “тепловой смерти Вселенной” с позиций второго закона термодинамики?

2. Назовите известные Вам формулировки второго закона термодинамики и запишите его математическое выражение для обратимых и необратимых процессов.

3. Что такое эксергия? Можно ли утверждать, что потеря эксергии определяет уменьшение работоспособности термодинамической системы?

4. Дайте понятия термического и эксергетического КПД. Могут ли эти КПД быть равными единице, и при каких условиях?

5. Чтобы испарить 1 кг кипящей воды при давлении 760 мм рт. ст., необходимо подвести 2257 кДж/кг теплоты. Рассчитайте изменение энтропии в этом процессе. Какова эксергия подводимой теплоты, если температура окружающей среды равна 20 ⁰С?

6. В паровом котле теплота в количестве 1000 МВт передается от дымовых газов с температурой 2000 ⁰С к воде и водяному пару со средней температурой 350 ⁰С. Рассчитайте потерю эксергии, если температура окружающей среды равна 0 ⁰С.

7. Для цикла Карно известны: температура подвода тепла 500 ⁰С, температура отвода тепла 20 ⁰С, работа цикла l = 820 кДж/кг. Рассчитайте подводимую теплоту (q ₁)и изменение энтропии в цикле (Ds).

Ответы

4. Термический КПД - характеристика обратимых циклов. Он не может быть равным 1, т.к. невозможно всю подводимую теплоту превратить в работу.

Эксергетический КПД характеризует степень необратимости реальных процессов и циклов, и он может быть равен 1 для обратимых процессов и циклов.

5. Ds = 6, 05 кДж/(кг^.К), ex_q = 484, 1 кДж/кг. 6. Dex_пот = 318, 1 кДж/кг.

7. q₁ = 1320 кДж/кг, Ds = 1, 708 кДж/(кг^.К).

4. ПАРАМЕТРЫ И ПРОЦЕССЫ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ
И ИХ СМЕСЕЙ