Работа сжатия.

«Работа и теплота представляют собой две принципиально различные формы обмена энергией между телами. Работой называется передача энергии в результате макроскопического упорядоченного, направленного движения. Такое же наименование «работа» получило и количество передаваемой при этом энергии.

Теплотой (теплообменом) называется передача энергии при обмене хаотическим, ненаправленным движением микрочастиц, составляющих тела; меру энергии, передаваемой в этой форме, называют количеством теплоты. Из сказанного должно быть ясно, что под «источниками» теплоты и работы подразумеваются системы, передающие (или воспринимающие) энергию». (Подчеркнуто мной. «Теплотехника», стр. 24.)

«Внутренняя энергия термодинамической системы однозначно определяется параметрами состояния системы, т.е. является функцией состояния». («Теплотехника», стр. 34.)

«В отличие от внутренней энергии теплота и работа являются функциями процесса». («Теплотехника», стр. 35.)

При анализе содержания приведенных цитат возникает несколько вопросов, которые попытаемся решить:

1. Термодинамика рассматривает два типа внешних воздействий на систему: а) воздействия, связанные с изменением внутренних параметров или температуры и не связанные с изменением внешних параметров; б) воздействия, связанные с изменением внешних параметров системы.

Условия и последствия указанных видов воздействий следующие: 1) первый тип воздействия (не связанный с изменением внешних параметров) происходит в полном соответствии с законом сохранения энергии. При таком типе воздействия подвод и отвод энергии может осуществляться только в форме теплоты. Компенсация при этом типе воздействия не происходит. Теоретический КПД такой системы может быть равен 100%; 2) второй тип воздействия, связанный с изменением внешних параметров, происходит в полном соответствии со вторым законом термодинамики. Передача энергии системе может осуществляться, как в форме теплоты, так и в форме работы, или обоими способами вместе. Так, в ДВС энергия рабочему телу передается и работой сжатия и подводом теплоты. Но отвод энергии от рабочего тела обязательно осуществляется в обеих формах: в виде работы передаваемой потребителю и в виде отводимой холодному источнику теплоты компенсации. То есть, без компенсации теплоты осуществить этот тип воздействия не возможно. КПД такой системы всегда меньше 100% (или 1)

2. Чтобы термодинамическая система совершила работу, требуется два источника теплоты: горячий источник (ГИ), холодный источник (ХИ) и рабочее тело. Горячий источник посредством функции процесса передает теплоту рабочему телу. Теплота в результате этого превращается во внутреннюю энергию рабочего тела, т.е. в функцию состояния. Далее, рабочее тело изменяет свое состояние и посредством функций процесса передает: потребителю- работу, холодному источнику- теплоту.

3. В практическом плане суть изложенного в предыдущих пунктах сводится к следующему: какой бы сложной и длинной не была цепь термодинамических преобразований функция процесса → функция состояния → функция процесса, если она осуществляется без изменения внешних параметров то: а) завершающий этап преобразования возможен только в форме передачи теплоты; б) теоретический КПД такой системы на основе первого закона термодинамики будет равен 1; в) если же преобразования связаны с изменением внешних параметров, то КПД системы будет меньше 1.

В виду этого все явления связанные с использованием внутренней энергии рабочего тела в теоретических расчетных циклах ДВС можно разделить на две группы. 1. Явления объективные- принципиально неустранимые (потери теплоты на компенсацию). 2. Явления субъективные (назовем их так)- устранимые, связанные с несовершенством данной системы (например, потери части свободной энергии в стенки цилиндра, с выхлопными газами, механические потери на трение). Причем, если первая группа потерь образуется по причине изменения состояния рабочего тела и связана с функциями процесса, то вторая группа потерь- с функцией состояния. Это означает, что теоретически вторую группу потерь можно устранить полностью.

«…при преобразовании работы в теплоту возможно ограничиться только двумя телами, из которых первое (при изменении его внешних параметров) передает при тепловом контакте энергию другому телу (без изменения его внешних параметров); при превращении же теплоты в работу необходимо иметь по меньшей мере три тела: первое- отдает энергию в форме тепла (теплоисточник), второе получает энергию в форме тепла и отдает энергию в форме работы (оно называется рабочим телом), третье- получает энергию в форме работы от рабочего тела». (И.П.Базаров, стр. 23-24).

В качестве примера того, что при преобразовании работы в теплоту можно ограничиться только двумя телами И.П. Базаров на стр. 49 утверждает: «не представляет никаких затруднений построить машину, вся деятельность которой сводилась бы к затрате работы и нагреванию резервуара».

И утверждение о том, что при преобразовании работы в теплоту можно ограничиться только двумя телами и приведенный пример являются неправильными. Нагревание резервуара путем совершения работы не есть превращение работы в теплоту. Нагревание резервуара путем совершения работы есть процесс преобразования функции процесса (работы) в функцию состояния (увеличение внутренней энергии рабочего тела, находящегося в резервуаре). Чтобы процесс превращения работы в теплоту стал законченным, цепь преобразований необходимо продолжить, добавив туда еще одну функцию процесса в виде отвода от резервуара теплоты или работы и теплоты.

Если передача энергии рабочему телу произошла, «теплоты» или «работы» как функций процесса уже нет. Есть внутренняя энергия рабочего тела, которая есть функция состояния. Для функции состояния не имеет значения, каким способом или способами передачи энергии она была изменена.

«Внутренняя энергия термодинамической системы однозначно определяется параметрами состояния системы, т.е. является функцией состояния. Поэтому ее изменение не зависит от вида совершаемого процесса и определяется только начальным и конечным состоянием системы». (Теплотехника, стр. 34).

«Работа W и количество теплоты Q имеют размерность энергии, но работа и теплота не являются видами энергии: они представляют собой два различных способа передачи энергии и характеризуют процесс. Работа W и количество теплоты Q отличны от нуля только при процессе, который испытывает система; состоянию же системы не соответствует какое-либо значение W или Q». (И.П. Базаров, стр. 24).

«Это означает, что Q и W не являются функциями состояния, а характеризуют процесс, и если процесса нет, то ни Q, ни W у системы также нет, а внутренняя энергия всегда существует». (И.П. Базаров, стр. 34).

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что, минуя функцию состояния, работа не может быть преобразована в теплоту. Один вид работы может быть преобразован в другой вид работы, минуя функцию состояния.

 

В термодинамических разомкнутых циклах принято допущение о том, что работа адиабатного сжатия совершается без теплообмена с окружающей средой (в том числе и без трения) и компенсируется работой адиабатного расширения. Т.е. и в этих циклах работа системы основывается на процессах идеального газа. Соответственно этому энергия работы сжатия (при ε=const) на результаты цикла не может влиять.

При составлении теплового баланса теоретических циклов энергия работы сжатия исключается из расчета путем Тz-Тс =∆ Т и Рz-Рс =∆ Р, то есть, тем самым мы показываем, что количество работы сжатия на КПД цикла не влияет.

В то же время выше мы утверждали, что именно степень сжатия (то есть количественный показатель работы сжатия) определяет в цикле пропорции между количествами свободной энергии, преобразуемой в работу и отводимой холодному источнику, то есть определяет величину термического КПД цикла. Проанализируем причину такого противоречия.

В действительных циклах работа сжатия и расширения фактически является не адиабатной, а политропной. При этом процессы не являются термодинамическими процессами идеального газа. Часть работы сжатия в виду совершения работы трения (работа трения→увеличение внутренней энергии деталей→отвод теплоты от деталей в систему охлаждения) превращается в теплоту механических потерь, а вторая часть превращается во внутреннюю энергию рабочего тела (работа сжатия→внутренняя энергия рабочего тела). По завершении сжатия и после подвода теплоты, внутренняя энергия рабочего тела, как функция состояния, является суммарной энергией, образовавшейся в результате сложения двух функций процесса (работа сжатия + подведенная теплота). Далее происходит процесс расширения. При этом часть внутренней энергии рабочего тела преобразуется в работу. Вторая часть отводится в стенки камеры сгорания. Третья часть через работу трения превращается в механические потери. Четвертая часть внутренней энергии, которая по своему количеству превышает энергию работы сжатия, вместе с рабочим телом удаляется в окружающую среду. Таким образом, в отличие от идеальных и теоретических циклов в действительных циклах, работа сжатия и расширения: 1. одной своей частью участвует в компенсации теплоты и совершении работы. 2. вторая ее часть удаляется в окружающую среду.

При анализе действительного цикла за исключением тепловых потерь такта сжатия у нас нет возможности отделить энергию работы сжатия от свободной энергии цикла. Поэтому через показатели Тz-Тс =∆ Т и Рz-Рс =∆ Р мы полностью исключаем работу сжатия из теплового баланса. То есть, признаем, что использованная в цикле работа сжатия не имеет отношения к КПД.

При анализе механизма процесса преобразования теплоты в работу возникают вопросы: почему после завершения процесса преобразования от рабочего тела необходимо отвести теплоту? Чем теплота компенсации, отводимая от рабочего, тела хуже теплоты, подводимой к рабочему телу? Тем более, когда мы знаем, что внутренней энергии рабочего тела, как фукнции состояния нет разницы, каким способом она изменяется.

«у каждой термодинамической системы существует однозначная функция состояния S, называемая энтропией, изменение которой в равновесных процессах происходит только при обмене энергией в форме теплоты». («Теплотехника», стр.38).

«внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры»

«Внутренняя энергия и энтальпия являются функциями состояния, зависящими для идеального газа только от температуры» («Теплотехника», стр. 41).

В процессах отвода и подвода теплоты мы изменяем температуру рабочего тела и соответственно его энтропию. И в связи с этим можно поставить вопрос иным образом: чем температура, отводимая от рабочего тела, хуже температуры подводимой к рабочему телу?

Для ответа на этот вопрос вернемся к рис. 1 «цикла» Карно. Энтропия рабочего тела при положении поршня в точке с равна внутренней энергии рабочего тела при температуре Т₂. При этом оно имеет давление Р₃. На участке сd совершается процесс сжатия. К рабочему телу подводится энергия в количестве работы L₁. От рабочего тела отводится теплота в количестве Q₂. При этом количество отводимой теплоты Q₂ эквивалентно количеству подводимой работы L₁. При положении поршня в точке d энтропия рабочего тела остается равной энтропии в точке с, так как температура не изменилась. Но при этом объем рабочего тела уменьшился на величину предварительной степени сжатия и, соответственно, во столько же раз (поскольку n =1) увеличилось давление. С позиций закона сохранения энергии в результате сжатия с отводом теплоты состояние рабочего тела (энтропия) не изменилось. Но с позиций второго закона термодинамики термодинамическое состояние рабочего тела изменилось. Если в точке с рабочее тело не было способно совершать работу, то в точке d, оно приобрело такую способность. То есть, в результате совершения процесса сжатия рабочее тело освободилось от некоторой части энергии в виде температуры и получило равнозначное количество энергии в виде работы. Если выразить суть процесса «отвода теплоты» иными словами, то данное явление можно назвать процессом обмена рабочим телом одной функции процесса (теплоты) на другую функцию процесса (работу). Сказанное можно подытожить следующим определением процесса отвода теплоты:

Отвод теплоты является процессом по изменению соотношения интенсивных величин (внутренних параметров) состояния рабочего тела, при котором за счет увеличения составляющей давления и уменьшения составляющей температуры увеличивается его термодинамический потенциал.

До теоретических расчетных циклов мы не анализируем изменение молекулярной структуры рабочего тела и не учитываем, в какой степени изменение теплоемкости газов влияет на КПД цикла. То есть, мы считаем рабочее тело нейтральным участником процесса, который на КПД цикла не влияет, но без которого цикл не возможен.

Если цикл составлен правильно, процесс преобразования теплоты в работу может быть совершен и без предварительного сжатия рабочего тела. Но при этом: 1. цикл не возможен, если после подвода теплоты не увеличится давление и не произойдет процесс расширения. 2. в цикле, происходящем без предварительного сжатия рабочего тела, в работу будет преобразована теоретически минимальная часть свободной энергии. Вся остальная часть свободной энергии будет отведена холодному источнику. В циклах со сжатием работа сжатия выполняет такую же нейтральную функцию, что и рабочее тело. То есть, работа сжатия становится таким участником процесса, без которого данный вид процесса с данным КПД не может произойти. Причина в том, что, превратившись во внутреннюю энергию рабочего тела в виде давления, работа сжатия наделяет рабочее тело способностью к дополнительному расширению. Количество же работы цикла зависит от количественной способности рабочего тела к расширению. С точки зрения второго закона термодинамики идеальным можно назвать тот цикл, в котором работа сжатия наделяет рабочее тело способностью к такому расширению, которая обеспечит возможность полного преобразования подведенной свободной энергии в работу и теплоту компенсации. То есть, для процесса реализации второго закона термодинамики работа сжатия превращается в характеристическую функцию, определяющую результат процесса преобразования теплоты в работу.

Из этого вытекает следующий постулат термодинамики:

 

В замкнутом идеальном и разомкнутых термодинамических циклах по преобразованию теплоты в работу работа сжатия является характеристической функцией, определяющей термический КПД циклов.

 

Что предопределяет выдвижение аксиомы термодинамики: