Располагаемая работа и способы ее сохранения. Располагаемая работа обратимых процессов.

Энергию можно использовать в двух видах: в виде тепла и ра­боты. Работа является высшей формой энергии, поскольку ее можно полностью превратить в тепло, тогда как обратное невозможно. Только часть тепловой энергии, можно превратить в работу в замкнутом круговом процессе, что зависит от следующих факторов:

а) начального и конечного состояний жидкости;

б) термодинамического к.п.д. процесса.

Из заданной массы очень горячей жидкости (например, водяного пара) можно извлечь больше работы, чем из более холодной жид­кости, даже если масса последней такова, что в ней содержится достаточное количество энергии по отношению к энергии окружаю­щей среды. Горючий газ можно использовать для приведения в дей­ствие турбины или для обогрева помещения; в то же время воздух при 50° С может обогревать помещение, но его температура недостаточ­на для работы турбины. Следовательно, не нужно использовать горю­чий газ для обогрева помещений, а нужно сохранять его для таких про­цессов, в которых можно наилучшим образом использовать его располагаемую работу. Наоборот, можно обогревать помещения, используя жидкости, располагаемая работа которых невелика, на­пример нагретой солнцем водой или отработавшим паром турбины.

Поэтому жидкости с высокой температурой или топлива, продук­ты сгорания которых имеют высокую температуру, имеют большую ценность по сравнению с той, которая определяется только их эн­тальпией. Хорошей мерой их ценности является заключенная в них располагаемая работа, с помощью которой их можно сравнить с электрической или механической энергией, способной непосредствен­но превращаться в работу.

Процессы, в которых используется или преобразуется энергия, также можно оценить, исходя из того, насколько эффективно в них сохраняется работа. Все процессы подчинены физическим ограни нениям, например наличию трения. Но некоторые процессы теорети­чески весьма эффективны, тогда как другие неэффективны. Если физические ограничения можно лишь свести к минимуму путем тща­тельного изготовления узлов системы и т.п., то процессов, которые неэффективны по своей сущности, можно в известной степени из­бегать. Действительно, многие процессы специально делают неэффек­тивными, чтобы с их помощью можно было управлять; например, тормоза используются для управления автомобилем. Некоторой части таких потерь можно избежать целиком, а очень многие из них можно уменьшить. Но постановке задачи должно предшествовать изучение понятия термодинамической неэффективности.

Располагаемая работа и обратимые процессы.

Процесс, в котором состояние жидкости изменяется благодаря приложенной работе и в котором жидкость, возвращаясь в исходное состояние, может произвести такое же количество работы, называ­ется обратимым. Примером обратимого процесса является процесс в идеальном компрессоре, работающем на идеальном газе. Работа, приложенная к компрессору, может повысить давление и темпера­туру газа. Если система совершенна, т.е. в ней нет трения или потерь тепла, расширение газа может произвести в точности такое же количество работы, которое было затрачено на его сжатие. Хотя потери на трение и тепловые потери, а также неидеальность жидкости, приведут на практике к тому, что восстановится меньшее количество работы, чем было приложено, процесс сжатия — расши­рения по крайней мере теоретически является обратимым. Но если сжатый газ расширяется при истечении через отверстие и охлаждается до своего исходного состояния, работа не восстанавли­вается. Процесс расширения при истечении через отверстие и процесс теплопередачи теоретически необратимы. После введения термодинамических понятий тепла и работы можно определить такие процессы, которые необратимы по самой своей природе.

Рассмотрим тепловой двигатель, показанный на рис. 1.1. Тео­ретически невозможно преобразовать в работу всю энергию, содер­жащуюся в нагретой жидкости. Но максимальное преобразование энергии в работу для любого заданного состояния достигается в обратимом процессе. Количество тепла, отводимое в обратимом процессе, обозначается Q_R, а максимальная работа К_а: W_a = Q_R - M

Заметим, что энтальпия жидкости уменьшается, поэтому величина - Мна самом деле положительна. Обычно считают, что работа, совершаемая жидкостью, положительна, а выделяемое ею тепло от­рицательно.

Рис 1.1.

 Только часть энергии, заключенной в нагретой жидкости, может быть превращена в работу - остальную часть приходится отводить в окру­жающую среду в виде тепла. Минимальное количество энергии, которое отводится в виде теп­ла, связано с изменением энтропии жидкости соотношением dQ_R = TdS_{R .}

Это соотношение записано в дифференциальной форме, так как абсо­лютная температура жидкости Т изменяется непрерывно. В полностью обратимом процессе энтропия системы, состоящей из рабочего тела и окружающей его среды, постоянна. Поэтому ее суммарное изме­нение равно нулю:∆S_R + ∆S₀ =П

Поскольку предполагается, что абсолютная температура окружающей среды Г₀ постоянна, возрастание ее энтропии прямо пропорцио­нально количеству поглощенного тепла Q ₀: ∆ S ₀ = Q ₀ / T ₀ = - Q_R / T ₀

Подставляя (1.3) и (1.4) в (1.1), получаем зависимость распо­лагаемой работы от изменения энтропии жидкости: Va = T 0 ∆ S_R - M

Отметим, что эта кривая определяет максимальную р аботу, которую можно получить от идеального газа при постоянном дав­лении применительно к тепловому двигателю с обратимым рабочим процессом. Все реальные жидкости и реальные процессы производят меньшую работу. Полезнее было бы оценить располагаемую работу, содержащуюся в продуктах сгорания, используемых для приведения в действие турбины, нагревания парового котла и т.д. Если рас­сматривается реальное рабочее тело, например водяной пар или пропан, можно сделать более точные оценки располагаемой работы. Максимальная эффективность машинного обору­дования может быть достигнута лишь в случае, когда энергия рас­пределена таким образом, что это отвечает ее использованию в соответствии с потребностями рабочего процесса.