Цикл Карно с протеканием процессов против часовой стрелки называется обратным. Это цикл холодильных машин и тепловых насосов.
В отличие от цикла двигателя (рис.9.9,а), где окружающая среда выступает в качестве холодного источника теплоты, в цикле Карно холодильной машины (рис.9.9,б) окружающая среда является горячим источником теплоты.
В холодильной установке осуществляется обратный цикл Карно, в котором рабочее тело забирает теплоту q2 от охлаждаемого тела с температурой ТХ и отдает теплоту q1 в окружающую среду с температурой ТОС > TХ. Для осуществления передачи теплоты от холодного тела к теплому затрачивается работа lt, которая преобразуясь в теплоту q1=lt+q2, вместе с q2 передается окружающей среде. При заданных температурах охлаждаемого тела и окружающей среды обратный цикл Карно будет самым экономичным. Его холодильный коэффициент определяется только температурами TОС и Tх, и рассчитывается как
В тепловом насосе тоже осуществляется обратный цикл Карно (рис.9.9,в), но в этом цикле окружающая среда выступает в роли холодного источника теплоты. При работе теплового насоса даровая теплота внешней среды (т.е. отсутствует сжигание топлива и т.п.) q2 за счет совершения работы lt передается потребителю теплоты с температурой ТТП>ТОС, при этом работа lt преобразуется в теплоту и общее количество теплоты, полученное потребителем, будет представлено величиной q1=lt+q2. Коэффициент преобразования теплоты, характеризующий эффективность цикла Карно теплового насоса, определяется только температурами ТОС и ТТП, и расчитывается как
Холодильный коэффициент (9.10) и коэффициент преобразования теплоты (9.11) в циклах Карно при заданной температуре окружающей среды ТОС возрастают при увеличении ТХ и уменьшении ТТП.
Обратимые циклы Карно холодильной машины и теплового насоса при постоянных температурах источников теплоты ТОС и TХ или ТОС и ТТП имеют наибольшую экономичность по сравнению с другими циклами, имеющими такие же источники теплоты.
Анализируя обратный цикл Карно, можно привести следующие формулировки второго закона термодинамики:
Передать теплоту от холодного тела к горячему возможно только при затрате работы или другого компенсационного процесса ;
Самопроизвольный переход теплоты от холодного тела к горячему невозможен.
Осуществить на практике обратимый цикл Карно невозможно, поскольку в природе не существует обратимых процессов, но он является эталоном экономичности, к которому должны стремиться реальные циклы с изотермическими источниками теплоты. Поскольку большинство реальных циклов имеют источники теплоты с переменной температурой, то для получения эталонного цикла Карно при таких источниках теплоты пользуются понятием среднетермодинамической температуры, используя его можно представить любой процесс подвода и отвода теплоты в виде изотерм (см. раздел 9.1.2).
Состояние рабочего тела определяется его параметрами. Под воздействием внешних сил рабочее тело изменяет свое состояние, связанное с изменением его параметров, т.е, протекает термодинамический процесс.
Последовательный ряд термодинамических процессов, в которых рабочее тело претерпевает изменение и в результате возвращается в первоначальное состояние, называется круговым процессом или циклом.
Циклы подразделяются на прямые и обратные. Прямыми называют циклы, в которых теплота преобразуется в работу, обратными – в которых теплота передается от более холодного тела к более нагретому.
Прямые циклы изображаются в диаграммах линиями, идущими по часовой стрелке (по таким циклам работают тепловые двигатели), обратные циклы – линиями, идущими против часовой стрелки (по таким циклам работают холодильные машины и тепловые насосы).
Рассмотрим систему, состоящую из двух источников теплоты и рабочего тела. При изучении идеальных циклов процесс подвода теплоты рассматривается без изменения химического состава рабочего тела. В большинстве реально существующих двигателей теплота подводится в процессе сгорания топлива. Процесс отвода теплоты рассматривается как передача теплоты к источнику с низкой температурой. В реальных двигателях теплота может отводиться вместе с выпуском отработавшего рабочего тела (пара или газа) в атмосферу. В pv-диаграмме прямой цикл изображается так, как показано на рис. 9.1.
Рис. 9.1. Прямой цикл
Если от более нагретого источника теплоты к рабочему телу подвести теплоту q1, то состояние рабочего тела меняется, происходит расширение по линии 1–с–2. Полезную работу, совершенную в процессе расширения 1–с–2 можно определить площадью 1–с–2–b–а–1.
В процессе 2–d–1 рабочее тело взаимодействует с источником низких температур. При этом происходит отвод теплоты q2от рабочего тела и его сжатие. В процессе сжатия затрачивается работа, величина которой равна площади a–1–d–2–b–a. Из диаграммы видно, что работа расширения больше работы сжатия. Полезная работа равна разности работ расширения и сжатия:
В результате совершения такого цикла получается полезная работа, которую затем можно использовать для различных целей.
Для оценки степени совершенства прямых циклов используется термический коэффициент полезного действия ( ), под которым понимается отношение работы, полученной в цикле, к затраченной теплоте:
Пусть имеется два источника теплоты и рабочее тело, над которым совершается работа.
Рабочее тело переносит теплоту q2 от источника с низкой температурой к источнику с более высокой температурой. На совершение такого несамопроизвольного процесса затрачивается работа lц.
Процесс расширения рабочего тела осуществляется с подводом теплоты q2 по линии 1–d–2 (рис. 9.2). В этом процессе полезная работа равна площади 1–d–2–b–a–1. В процессе сжатия 2–с–1 рабочее тело взаимодействует с источником с более высокой температурой, передавая ему теплоту q1. В процессе сжатия затрачивается работа, равная площади 2–c–1–a–b–2.
Рис. 9.2. Обратный цикл
Из диаграммы видно, что работа сжатия больше работы расширения. Работа цикла получается отрицательной. В результате совершения обратного цикла теплота отбирается от источника с низкой температурой и передается к источнику с высокой температурой.
Для оценки работы холодильных машин применяется холодильный коэффициент, равный отношению полезного количества теплоты (q2), отнятого от холодного источника, к затраченной работе:
В холодильной машине количество теплоты q1 выбрасывается в окружающую среду, т.е. в источник неограниченных размеров.
Машины, предназначенные для дальнейшего использования теплоты q1 и передачи ее в источник ограниченных размеров, называют тепловыми насосами. Эффективность работы тепловых насосов оценивается отопительным коэффициентом, представляющим собой отношение количества теплоты (q1), переданного потребителю, к затраченной работе:
В термодинамических исследованиях практическое применение получило не только прямое, но и обратное направление цикла Карно. Отличие обратного цикла заключается в том, что теплота отводится от источника с низкой температурой и отдается источнику с высокой температурой. Такой цикл является идеальным для холодильных агрегатов.
Рабочее тело, участвующее в обратном цикле, называется холодильным агентом. При адиабатическом расширении температура снижается от значения 71 до величины Т т После этого при получении теплоты Я2 от холодного источника (Т2) газ изотермически сжимается. В следующем процессе происходит адиабатическое сжатие, и температура рабочего тела повышается от значения Т 2 до величины Т 1. При изотермическом сжатии теплота q 1 отнимается от рабочего вещества и переходит к горячему источнику.
Холодильная машина работает по обратному циклу, на создание которого тратится удельное количество работы (I). В этом случае от холодного к горячему источнику передается q 2 (количество теплоты), а горячий источник еще получает теплоту, численно равную произведенной работе I. Таким образом, полное количество теплоты, отведенное к горячему источнику, равно:
Работа в процессе расширения положительна, а работа в процессе сжатия отрицательна. Полная работа, необходимая для передачи теплоты от холодного к горячему источнику, равна:
Холодильный коэффициентe характеризует производительность работы холодильных устройств и определяется отношением:
где q 2 – количество теплоты, отведенной от холодного источника и полученной горячим источником;
I – совершенная работа.
Для обратного и обратимого цикла Карно холодильный коэффициент вычисляется с помощью соотношения:
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
Читайте также
9.8. Обратный ход модели
9.8. Обратный ход модели Фаза исследования только что созданной теории включает деятельность по двум направлениям. Первое — это всесторонняя проверка теории, сравнение ее с опытом, поиск изъянов. Но допустим, теория хороша. Тогда на первый план выступает второе
3.2. Петля качества. Цикл Деминга
3.2. Петля качества. Цикл Деминга Объектами управления качества продукции являются все элементы, образующие петлю качества. Под петлей качества в соответствии с международными стандартами ИСО понимают замкнутый в виде кольца (рис. 3.4) жизненный цикл продукции, включающий
37. Теорема Карно
37. Теорема Карно Проведем краткий анализ формулы для термине-ского КПД обратимого прямого цикла Карно: Из данного равенства следует:1) термический КПД зависит только от значений температур горячего и холодного источников;2) ht(для цикла Карно) тем больше, чем выше
4.1 Жизненный цикл ПО
4.1 Жизненный цикл ПО 4.1.1 Процессы жизненного цикла ПО В настоящем стандарте рассмотрены следующие процессы жизненного цикла ПО:Процесс планирования, который определяет и координирует действия процессов разработки и интегральных процессов для данного проекта (раздел
Смотреть что такое «обратный цикл» в других словарях:
обратный цикл — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN reverse cycle … Справочник технического переводчика
обратный цикл — atvirkštinis ciklas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. inverse cycle vok. reziproker Kreisprozeß, m; umgekehrter Kreislauf, m rus. обратный цикл, m pranc. cycle inverse, m … Fizikos terminų žodynas
обратный цикл Брайтона — (напр. для ТЭЦ с использованием дымовых газов) [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN inverted Bryton cycle … Справочник технического переводчика
Цикл Ренкина — Термодинамические циклы … Википедия
Цикл Брайтона — Термодинамические циклы … Википедия
обратный термодинамический цикл теплосиловой установки — обратный термодинамический цикл Термодинамический цикл, теплосиловой установки, в котором за счет затраты работы осуществляется передача тепла от менее нагретого тела к более нагретому. [ГОСТ 26691 85] Тематики теплоэнергетика в целом Синонимы… … Справочник технического переводчика
обратный термодинамический цикл — Термодинамический цикл, в котором к рабочему телу подводится меньшее количество теплоты и при меньшей температуре, а отводится большее количество теплоты и при более высокой температуре, разность же этих теплот равна затраченной работе. [Сборник… … Справочник технического переводчика
ЦИКЛ — (1) совокупность взаимосвязанных последовательных процессов, работ, явлений, образующих законченный круг развития чего либо, напр. повторяющиеся процессы внутри цилиндра работающего двигателя или Карно (см.); (2) Ц. двигателя (поршневого или др.… … Большая политехническая энциклопедия
Цикл стеклоочистителя — один прямой и обратный ход щетки стеклоочистителя;. Источник: Постановление Правительства РФ от 10.09.2009 N 720 (ред. от 06.10.2011) Об утверждении технического регламента о безопасности колесных транспортных средств … Официальная терминология
цикл стеклоочистителя — Один прямой и обратный ход щетки стеклоочистителя. [Технический регламент о безопасности колесных транспортных средств] Тематики автотранспортная техника … Справочник технического переводчика
Протекаетв обратном направленииследующим образом (рис. 1.10). Рабочее тело с начальными параметрами точки «а» расширяется адиабатно по «ab», совершая работу за счет внутренней энергии и охлаждается от температуры до в точках. Затем расширение идет по изотерме (bc) и рабочее тело отбирает от холодного источника при температуре теплоту .
Далее рабочее тело сжимается по адиабате «cd» и его температура повышается от до , а затем сжимается по изотерме «da» (— const). При этом рабочее тело отдает горячему источнику с температурой количество теплоты . В результате получается, что работа сжатия будет больше работы расширения на величину площади «abcd», ограниченной контуром цикла. Эта работа превращается в теплоту и вместе с передается горячему источнику. При этом холодный источник отдает теплоту , а горячий получит
Обратный цикл Карно называется идеальным циклом холодильных установок и так называемых тепловых насосов. При этом рабочим телом являются пары легкокипящих жидкостей – фенол, аммиак и т.п. Процесс перекачки теплоты от тел, помещенных в холодильную камеру, в окружающую среду происходит за счет затрат электроэнергии. Эффективность холодильной установки оценивается холодильным коэффициентом
, (1.79)
где q2— отведенная от охлаждаемого объекта теплота;
lц— работа, затраченная на это.
Используя Ts-диаграмму для описания этого процесса, последней формуле можно придать следующий вид
, (1.80)
При этом чем меньше разность температур между холодильной камерой и окружающей средой, тем меньше нужно затратить энергии для передачи теплоты от холодного тела к горячему и тем выше холодильный коэффициент εхол.
Анализ обратного цикла Карно показывает, что передача теплоты от тела менее нагретого телу более нагретому возможна, но этот процесс требует соответствующей энергетической компенсации в системе, в виде затраченной работы или теплоты более высокого потенциала, способного совершить работу при переходе на более низкий потенциал.
В основе действия теплового насоса также лежит обратный цикл Карно. В отличие от холодильной машины, тепловой насос должен отдавать как можно больше теплоты горячему телу (например, системе отопления).
Эффективность теплового насоса оценивается так называемым отопительным коэффициентом
, (1.81)
Аналогично выводу формулы (1.80) для eотоп можно получить следующую формулу:
, (1.82)
где Т1— температура нагреваемого тела;
1.3.4. Второй закон термодинамики
В основе II закона лежит гипотеза С. Карно о том, что необходимым условием получения работы с помощью тепловых двигателей является наличие горячего и холодного источников теплоты.
Таким образом, устанавливается, что теплота, полученная рабочим телом от горячего источника, не может быть полностью превращена в механическую работу, часть ее должна быть отдана холодному источнику теплоты.
В тепловых двигателях горячим источником служат химические реакции сжигания топлива (или ядерные реакции), а холодным источником является окружающая среда (т.е. атмосфера).
Таким образом, II закон термодинамики можно сформулировать следующими словами: «двигатель, полностью превращающий в работу всю полученную от горячего источника теплоту, невозможен».
В аналитической форме второй закон термодинамики может быть представлен в виде соотношения
,
Первый закон термодинамики представляет собой всеобщий закон природы. В отличие от него второй закон нельзя считать универсальным. Экстраполяция закономерностей, установленных в определенных условиях существования материи, на все области Вселенной не является правомерной, так как в некоторых из них эти условия могут быть совершенно иными, чем на Земле. Кроме того, необходимо дополнительно учитывать некоторые существенные физические факторы и прежде всего гравитацию. С учетом сил тяготения однородное изотермическое распределение не является наиболее вероятным состоянием Вселенной. В условиях нестатичной, расширяющейся Вселенной может происходить распад однородного вещества на отдельные объекты (например, галактики).
до 
в точках. Затем расширение идет по изотерме 
.
. В результате получается, что работа сжатия будет больше работы расширения на величину площади «abcd», ограниченной контуром цикла. Эта работа превращается в теплоту и вместе с 
, (1.79)
, (1.80)
, (1.81)
, (1.82)
,