Определение термического взаимодействия термодинамики на основе измерённих физических величин

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАНА

Ташкентский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АБУ РАЙХAНА БЕРУНИ

Соискательная дипломная работа

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ (ТЕПЛОВОЕ) ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕРМОДИНАМИКА НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЁННИХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

КАЛАНДАРОВ СУРАТ ПАРМАНОВИЧ

Под руководство Григорьев Юрий Александрович

Ташкент 2012

ВВЕДЕНИЕ

Теплосиловые установки делятся на три основные группы: двигатели внутреннего сгорания (ДВС), в которых процесс подвода теплоты (сжигания топлива) и процесс превращения ее в работу происходят внутри цилиндра двигателя; газотурбинные установки (ГТУ) и реактивные двигатели, в которых процесс сжигания топлива также является составной частью рабочего процесса; паросиловые установки, где сообщение теплоты рабочему телу происходит в отдельном агрегате - паровом котле (парогенераторе), а превращение теплоты в работу - в паровой турбине.

Общим для циклов тепловых двигателей первых двух групп является использование в качестве рабочего тела газообразных продуктов сгорания топлива, которые на протяжении всего цикла находятся в одном и том же агрегатном состоянии, и при относительно высоких температурах их можно считать идеальным газом.

Характерной чертой третьей группы теплосиловых установок является использование таких рабочих тел, которые в цикле претерпевают агрегатные изменения - жидкость, насыщенный пар, перегретый пар, и подчиняются законам реального газа.

В реальных тепловых двигателях преобразование теплоты в работу связано с протеканием сложных необратимых процессов, учет которых делает термодинамический анализ циклов невозможным. В связи с этим для выявления основных факторов, влияющих на эффективность работы установок, действительные процессы заменяют обратимыми термодинамическими процессами, допускающими применение для их анализа термодинамических методов. Такие циклы называют теоретическими.

В соответствии с этим анализ циклов тепловых двигателей проводится в два этапа: сначала анализируется теоретический (обратимый) цикл, а затем реальный (необратимый) с учетом источников необратимости.

СВОЙСТВА ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ И ИХ СМЕСЕЙ. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Термодинамической системой называется система материальных тел (одно тело рабочее), находящихся во взаимодействии друг с другом и с окружающей ее средой.

Наиболее простым примером термодинамической системы может служить идеальный газ, находящийся в цилиндре под поршнем. Окружающую среду задают источниками тепла и объектом работы.

Взаимодействуя, система и окружающая среда обменивается энергией. Различают два взаимодействия - механическое и тепловое.

Механическое взаимодействие заключается в том, что система (над системой) совершает работу.

Работа - мера той энергии, которой обмениваются тела при их механическом взаимодействии. Работу обозначают через L и считают положительной, если она совершается самой системой и отрицательной, если она совершается над системой.

Термическая (тепловое) взаимодействие заключается в том, что система получит теплоту путем теплообмена. При теплообмене газ нагревается, энергия его увеличивается.

Теплота - мера той энергии, которой обмениваются тела при их тепловом взаимодействии. Теплоту обозначают через Q и считают положительной, если она подводится к системе и отрицательной, если отводится от системы.

Взаимодействие разного рода могут выполняться одновременно. Примером может служить термодинамическая система, показанная на рис.3.

СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ. ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ

Под состоянием системы понимают совокупность всех физических свойств системы.

Параметрами состояния называют признаки, характеризующие систему (рабочее тело, например идеальный газ), как целое. К ним относятся температура, давление, уд. объем и т.д.

Для определения состояния системы надо указать численные значения всех параметров. Последнее возможно, если будут установлены единицы и способы измерения этих физических величин.

Твердое знание размерности параметров имеет большое значение при решении теоретических и практических задач.

Температура - некоторая энергетическая характеристика теплового состояния системы (рабочего тела).

Повседневный опыт учит, что Q всегда переходит от тела с большей температуры к телу с меньшей температурой.

Так если Т1>T2, то тепло будет переходить от тела 1 к телу 2. Если Т1=Т2 то Q=0 и тела будут находится в тепловом равновесии.

Температура тела, измеряемая посредством термометрического устройства с реальным термометрическим веществом (например, ртуть) называется опытной (эмпирической) и обозначается t. В технике измерений температуры пользуются международной практической шкалой Цельсия (С). В этой шкале отрезок между температурой кипения воды 100С и таяние льда при нормальном атмосферном давлении разбит на 100 равных частей (градусов).

Согласно выводам молекулярно- кинетической теории абсолютная температура является мерой средней кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа. При уменьшении скорости движения молекул температура падает, при увеличении - повышается.

Математическая зависимость между скоростью движения и температурой определяется формулой:

Здесь m- масса молекул;

w- средняя квадратичная скорости поступательного движения молекул

К - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.

Вывод из формулы (1):

1. Абсолютная температура, величина положительная (T>0).

2. При Т=0 прекращается тепловое движение молекул (w=0).

3. Абсолютная температура Т - величина статическая, характеризующая свойства совокупности очень большого числа частиц (молекул).

Для отдельных частиц или небольшого их числа температура смысла не имеет.

Параметром состояния является абсолютная температура Т, измеряется по шкале Кельвина (Т К). В шкале Кельвина точка таяния льда соответствует 273,15 К. Между абсолютной температурой и температурой по международной практической Цельсия существуют следующие соотношения:

приближенно

Давление - численно равно силе, приходящейся на единицу поверхности.

Единица давления 1Н/м=1Па, т.к. эта единица очень мала то часто пользуются более крупной внесистемной величиной, называемой «бар».

Давление, оказываемое газом на стенки сосуда, называется абсолютным и обозначается Р. Давление окружающего воздуха измеряется барометром и называется барометрическим (В) (рис.5).

При изменении давления могут быть 2 случая.

1. Абсолютное давление газа выше барометрического (Р>B).

В этом случае манометром измеряют разность между абсолютным Р и барометрическим В давлениями, которые называют избыточным (манометрическим) давлением Ризб.

Тогда Р=Ризб+В (рис.6).

2. Абсолютное давление газа в сосуде ниже атмосферного (P<B).

В этом случае вакуумметром измеряют разность между барометрическим В и абсолютным Р давлениями, которую называют вакуумом (разрежением).

Следовательно, Р=В-h (рис.7).

Параметром состояния является абсолютное давление Р. (рис.5). Молекуляно-кинетическая теория материи рассматривает давление газа как средний результат большого числа ударов молекул о стенки сосуда, в котором находится газ.

Здесь n=N/V - концентрация молекул, т.е. число молекул в одном м куб. идеального газа;

V- объем занимаемый газом; N- общее число молекул данной массы газа.

Формула (2) показывает, что давление численно равно средней кинетической энергии поступательного движения молекул, заключенных в единице объема. Давление - величина статическая, характеризующая свойства совокупности большого числа частиц. Давление, как и температура Т, не имеет смысла для одной молекулы или небольшого числа.

Удельный объем - объем в единице массы вещества (газа).

Здесь V - объем вещества;

m - масса вещества кг.

Т.к. в одном метре куб. газа могут содержаться, в зависимости от параметров состояния, разные количества газа, принято относить к 1 м куб. газа с так называемым нормальным условиям, при которых рабочее тело находится под давлением Р=760 мм рт.ст. и t=0C, т.е. Р=101325 Па и Т=273,15К.

Плотность- масса единицы объема вещества (газа).

ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ. ЗАКОН ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ

При соударениях молекулы ведут себя как абсолютно упругие шары.

Молекулы идеального газа находятся в непрерывном хаотическом движении, при котором не одно направление не оказывается преимущественным. Следствием этого являются следующие свойства газа: Газ оказывает равномерное давление на стенки сосуда.

Газ равномерно заполняет весь занимаемый им объем.

На основания уравнения 1 и 2 имеем:

или

Уравнение (3) является основным уравнением молекулярно кинетической теории идеальных газов и позволяет сделать следующие выводы:

1. При постоянной температуре (Т=const): PV=NkT=const, т.к. К=const, для данной массы газа N=const.

Для единицы массы газа PV=const (4).

При неизменной температуре газа произведение давления на удельный объем - величина постоянная (закон Бойля-Мариотта).

2. При постоянном давлении (Р=const): V/T=Nk/P=const

Для единицы массы газа V/T=const;

V=constT (5).

Если изменение состояния газа происходит при постоянном давлении, то удельные объемы прямопропорциональны абсолютным температурам (закон Гей-Люссака).

3. При постоянном объеме (V=const): P/T=Nk/T=const.

Следовательно, Р/Т=const;

P=constT (6).

Если изменение состояния газа происходит при постоянном объеме, то давление газа прямопропорционально абсолютной температуре (закон Шарля).

4. Возьмем разные газы при условии V1=V2, T1=T2, P1=P2. Тогда из уравнения (3) находим: N1=N2.

Следовательно, в равных объемах разных газов взятых при одинаковых температуре и давлении, содержится одно и тоже число молекул (закон Авогадро).

При принятых условиях массы газов будут равны M1=N1m1, M2=N2m2 . Разделив по членно эти равенства получим

- молекулярные массы газов

,

Откуда

(7).

Т.е. произведение молекулярной массы газа на удельный объем при одинаковых давлениях и температурах для всех идеальных газов - величина постоянная.

Произведение

Представляет собой объем одного кмоль точка под кмолем понимают количество вещества, масса которого в кг численно равно его молекулярной массе.

Числовое значение объема одного киломоля для всех газов при нормальных условиях равно:

(8).

Из равенства (8) находят удельный объем и плотность газа при нормальных условиях:

, (9)

Запишем уравнение (3) для 1 кмоль газа:

=

Здесь объем моля, Nм-общее число молекул в 1 кмоль газа.

Следовательно,

Т.к. при нормальных условиях Р=Р₀=101325 [Н/м], Т=Т0=273,15 К и

,

то, подставляя эти данные в последнее уравнение получим:

(10)

Тогда

, (11)

Уравнение (11) связывает между собой основные термодинамические параметры Т,Р и V, характеризуя тем самым состояние идеального газа. Поэтому его называют характеристическим уравнением (уравнением состояния) 1 кмоль идеального газа.

Разделив (11) на м, находим:

 , (12)

уравнение состояния для единицы массы идеального газа.

Здесь

(13)

называется газовой постоянной. Зависимость (13) позволяет найти газовую постоянную для любого идеального газа, если известна его молекулярная масса.

КАЛОРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ (ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ, ЭНТАЛЬПИЯ И ЭНТРОПИЯ)

Как уже отмечалось, кроме термических параметров состояния (P, V, T) существуют так называемые калорические параметры состояния, которые ранее измерялись в калориях и отсюда получили свое название.

К калорическим параметрам состояния относятся внутренняя энергия U, энтальпия I, энтропия S.

Внутренняя энергия. Любая термодинамическая система (тело) в каждом состоянии обладает запасом полной энергии Е, которая состоит из внутренней энергии U, зависящей от внутреннего состояния тела, и внешней энергии Евнеш, связанной с движением тела как целого и положением его в каком либо внешнем поле сил (например, в поле сил тяжести), т.е. Е=U+E_внеш

Если тело не движется, а влияние внешнего поля сил можно пренебречь, то полная энергия будет представлять собой только внутреннюю энергию. Поскольку величина внутренней энергии тела зависит от его массы, то обычно рассматривают удельную величину внутренней энергии, отнесенной к 1кг: u=U/m.

С молекулярной точки зрения внутренняя энергия состоит из энергии хаотического (теплового) движения молекул, определяемой параметрами теплового состояния Р,V,T, химическая энергия, внутриядерной и др. Т.к. в технической термодинамике изучаются физические процессы то здесь будут рассматриваться только те составляющие внутренней энергии, которые претерпевают изменения термодинамических процессов, т.е. энергия теплового движения молекул.

В общем случае энергия теплового движения состоит из кинетической энергии поступательного, вращательного и колебательного движения молекул uкин, зависящей только от температуры газа, и потенциальной энергии uпот взаимодействия молекул между собой, зависящих от расстояния между молекулами, т.е. U=Uкин+Uпот

Т.к. расстояние между молекулами определяется объемом, который занимает газ, то в общем случае внутренняя энергия зависит от температуры Т и объема V, т.е. u=f(T,V).

Таким образом, важнейшим свойством внутренней энергии является то, что она представляет собой однозначную функцию состояния тела, определяемого любой парой параметров из Р, V, T, поэтому сама может служить параметром состояния. Из этого свойства внутренней энергии следует, что ее изменения не зависят от характера процесса, а зависит лишь от начального и конечного состояний газа. В идеальном газе силы взаимодействия между молекулами отсутствуют потенциальная энергия равна 0. Таким образом, при постоянной температуре внутренняя энергия идеального газа не зависит от объема и давления:

,

Совершенно очевидно. Что для замкнутого (кругового) процесса, в котором начальная и конечная состояние совпадают, изменения внутренней энергии будет равно 0, т.е.

Внутренняя энергия обладает свойством аддитивности, согласно которому внутренняя энергия системы, состоящей из различных частей, будет равна сумме внутренней энергии отдельных частей:

Энтальпия. Рассмотрим полную энергию газа. Находящегося под давлением Р и выталкиваемого из цилиндра грузом G.

В этом случае полная энергия Е будет состоять из внутренней энергии газа U и потенциальной энергии груза, равной Gh=Pfh=PV, т.е. Е=U+PV.

Величина PV, зависящая от сил действующих на поршень, получила название потенциальной энергии давления.

Таким образом, если газ находится во внешней среде с давлением Р, то с любым состоянием его связана некоторая энергия U+PV=I, получавшая название энтальпии газа в данном состоянии. Выражение энтальпии для 1кг газа (т.е. уд. энтальпия) имеет вид: i=u+pv.

Изменение /\i ,как и изменение /\u, не зависит от характера процесса, а зависит только от начального и конечного состояния т.е.

+)

Энтальпия идеального газа, как и внутренняя энергия, является функцией только температуры.

т.е. для идеального газа оба слагаемые зависят только от температуры, следовательно, i=f(T).

Т.к. в технической термодинамике не требуются знания абсолютного значения энтальпии, то она обычно отсчитывается от некоторого условного нуля (для газов i=0 при t=0C).

Энтропия. Кроме уже рассмотренных параметров u,i, в термодинамике широко используется еще один калорический параметр состояния - энтропия s.

Энтропия - это такой параметр состояния, дифференциал которого равен отношению бесконечности малого количества теплоты dQ в элементарном обратимом процессе к абсолютной температуре Т, которая на бесконечно малом участке процесса является постоянной величиной, т.е.

Если количество теплоты отнести к 1кг вещества (dq), то получим выражение для уд. энтропии:

Т.к. в технической термодинамике интересуются только изменением энтропии в процессах, то условно приписывают некоторому определенному состоянию значение энтропии, равное нулю.

Тогда изменение энтропии в каком-либо процессе

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ВЫРАЖЕНИЕ ПЕРВОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ

Пусть термомеханическая система (газ в цилиндре под поршнем) имеет массу М [кг], объем V и температуру Т [К].

Сообщаем системе бесконечно малое количество тепла dQ. Тогда ее температура изменится на dT, объем на dV.

Изменение температуры на dT вызовет изменение кинетической энергии поступательного движения молекул. Произойдет приращение внутренней кинетической энергии системы на dK [Дж].

На основании закона сохранения и превращения энергии находим формулу:

dQ=dK+dP+dL'=(dK+dP)+dL'

Сумму внутренних кинетической и потенциальной энергии называют внутренней энергии системы U. Тогда dK+dP=dU.

Теперь окончательно можем записать

(24)

Уравнение (24) представляет собой аналитическое выражение первого закона термодинамики. Оно показывает, что подводимое к телу теплота расходуется на изменение внутренней энергии тела и на работу против внешних сил.

Принцип эквивалентности выполняется когда

Для 1кг газа уравнение (24) записывается в виде

(25)

; ;

РАБОТА РАСШИРЕНИЯ СИСТЕМЫ

При подводе dQ единиц тепла система расширяется и займет объем V+dV. Работа расширения системы по правилам механики равна:

(28)

Здесь:

- это сила, действующая на поршень.

Уравнение (28) показывает, что работа неразрывно связана с изменением объема. Поскольку давление Р величина положительная (Р>0), то знаки dL и dV всегда одинаковые.

Если dV>0, то и dL>0 - система, расширяясь, сама производит работу.

Если dV<0, то и dL<0 - при сжатии работа системы отрицательна.

Величина работы зависит от изменения объема. Поэтому рабочее тело должно допускать увеличение своего объема. Таким качеством обладают газы, пары жидкостей; сами же жидкости и твердые тела изменяют свой объем очень незначительно и, следовательно, в качестве рабочих тел тепловых машин использоваться не могут.

Для 1кг системы уравнение (28) получает вид:

Dl=PdV (29)

При конечном изменении объема:

ФОРМУЛИРОВКИ ПЕРВОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ

1. Вечный двигатель первого рода не возможен. Вечным двигателем первого рода называют двигатель, который производит работу не получая энергию, и поэтому противоречит принципу эквивалентности тепла и работы Q=1. При Q=0 и L=0 .

2. Энергия изолированной системы при любых, происходящих в ней процессах не меняется; энергия не уничтожается и не создается вновь.

ТЕПЛОЕМКОСТЬ ГАЗОВ И ИХ СМЕСЕЙ

Массовая теплоемкость - количество тепла, которое нужно подвести к 1кг массы газа, чтобы повысить его температуру на 1С.

C=dq/dt [кДж/кг градус].

Следовательно, dq=Cdt [кДж]

На основании первого закона термодинамики dq=dU+PdV.

Откуда

(30)

Из (30) видно, что теплоемкость - сложная величина, которая зависит от физической природы и состояния газа через величины P, (dU/dT)v; (dU/dV)T и от характера нагревания через величину dV/dT.

Для теплотехники имеет важное значение 2 случая нагрева газа: при V=const и при Р=const.

Нагревание газа при V=const; dV=0;C=Cv.

Из (30) находим: Cv=(dU/dT)v. В этом случае dq=dU+PdV=dU. Следовательно, Cv=(dU/dT)v=(dq/dT)v. Тогда в общем случае

(31)

Последнее уравнение показывает, что для определения С надо знать величину (dU/dV)T, которая зависит от физических свойств газа и находится из опыта. Для идеального газа Джоуль экспериментальным путем установил, что его внутренняя энергия не зависит от объема, давления и является функцией лишь абсолютной температуры:

U=f(T); (dU/dV)T=0; (dU/dP)T=0.

Поэтому для идеального газа уравнение (31) должно записываться так:

C=Cv+PdV/dT,

а формула Cv=(dU/dT)v в виде Cv=dU/dT.

Следовательно, изменение внутренней энергии идеального газа в любом случае должна определяться выражением:

(33)

Тогда из (32) находим C=Cv+h.

Нагревание газа при Р=const; C=Cp.

В последнем случае Cp=Cv+hp. Т.к. PV=RT, то PdV=RdT (P=const) и поэтому hp=R. Полученное равенство устанавливает физический смысл газовой постоянной. Газовая постоянная - есть удельная работа газа в изобарном процессе. Следовательно,

Cp=Cv+R; Cp-Cv=R (35).

Величина R- существенно положительна и поэтому Cp>Cv.

Контрольные вопросы

1 Дайте определение теплоёмкости вещества?

2 Какие ее виды существуют?

3. От чего завесит теплоёмкость?

ПРОЦЕССЫ ИЗМЕНЕНИЯ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ

Уравнение PV=RT является уравнением равновесного состояния, т.е. такого. При котором каждый из параметров Р, T, V сохраняет неизменным свое значение во времени и в любой точке пространства, занимаемого газом. Состояние называют равновесным, потому что без внешнего воздействия газ из него не выходит.

Если же давления и температуры в различных точках системы неодинаково и система будет предоставлена самой себе (изолирована от внешних воздействий), то по истечении некоторого времени произойдет выравнивание, как температур, так и давления. Одинаковость давлений обуславливает механическое равновесие, одинаковость температур - термическое равновесие. Поэтому говорят уравнение PV=RT справедливо для идеального газа в условиях механического и термического равновесия.

Процесс - последовательная смена состояний, представляющая собой непрерывное единое движение.

Процесс должен состоять из непрерывного ряда равновесных состояний, чтобы для его исследования можно было бы применить уравнение PV=RT.

Подобный (равновесный) процесс должен протекать бесконечно медленно при наличии бесконечно малых перепадов давлений и температур между рабочим телом и окружающей средой и между отдельными точками в массе газа.

Изохорный процесс - процесс, при протекании которого объем системы не изменяется.

1. Уравнение процесса: V=const

2. Линия процесса - изохора; в диаграмме PV изображается вертикальной прямой 12.

3. Соотношение между параметрами. Из уравнения PV=RT при `V=const находим: P/T=R/V=const; P1/T1=P2/T2 тогда P2/P1=T2/T1

4. Работа процесса. В элементарном процессе dl=PdV=0 т.к. dV=0

5. Изменение внутренней энергии. На общем основании dU=Cvdt .Интегрируем:

(53)

Изобарный процесс - процесс, при протекании которого давление системы не изменяется рис.18.

1. Уравнение процесса: Р=const

2. Линия процесса - изобара; на диаграмме PV изображается горизонтальной прямой12 .

3. Соотношение между параметрами. Из уравнения PV=RT при р=const находим

; ; (55)

4. Работа процесса. Интегрируя уравнения dl=PdV при Р=const находим

(56)

(56а)

Последнее уравнение позволяет установить физический смысл газовой постоянной R:

Как видим, газовая постоянная R- удельная работа газа в изобарном процессе.

5. Изменение внутренней энергии системы. Интегрируя выражение dU=Cvdt получаем:

(57)

Изотермический процесс - процесс при протекании которого температура системы не изменяется (рис.19).

1. Уравнение процесса: Т=const или PV=const.

2. Линия процесса - изотерма; в диаграмме PV изображается равнобокой гиперболой 12. Кривую строят по точкам (точкаМ); задаваясь давлениями Р и расчетом определения соответствующего им значения удельных объемов V: PV=P1V1; V=P1V1/P

3. Соотношение между параметрами. Из уравнения PV=RT при T=const находим P1V1=P2V2; P2/P1=V1/V2

4. работа процесса. Подставим Р=RT/P в уравнение dl=PdV=RTdV/V. Интегрируем:

Окончательно находим

(61)

5. Изменение внутренней энергии. При Т=const, dU=Cvdt=0 следовательно, U1=U2=const - внутренняя энергия идеального газа в изотермическом процессе не изменяется.

Адиабатический процесс - процесс при протекании, которого теплообмен системы с окружающей средой отсутствует.

1. Уравнение процесса dq=0 , q=0 следовательно

dq=dU+dl=CvdT+PdV=0

Здесь Сv=R/k-1 поэтому (R/k-1) dT+PdV=0; RdT+(k-1)PdV=0. Продифференцируем уравнение состояния PV=RT: PdV+VdP=RdT.

Интегрируя это уравнение находим:

lnV=ln( (63)

2. Линия процесса - адиабата; в диаграмме PV изображается неравнобокой гиперболой 12. Кривую строят по точкам задаваясь уд. объемами V и расчетом определяя соответствующие им значения давления Р. (рис20).

3. Соотношение между параметрами. При протекании адиабатного процесса изменяются все три параметра Р,V, Т.

Из уравнения

имеем

(64)

Из уравнения PV=RT находим Р=RT/V и подставим в (63). Тогда

Откуда

Для двух состояний

Из уравнения состояния V=RT/P подставляем эту величину V в уравнение (63) получим:

4. Работа процесса. Обычным порядком находим:

Интегрируем:

Окончательно будем иметь:

(67)

5. Изменение внутренней энергии. На общем основании интегрируем выражение dU=Cvdt и находим

(68)

На основании первого закона термодинамики:

;

таким образом, работа газа в адиабатном процессе расширение осуществляет за счет уменьшения его внутренней энергии. Температура газа в процессе понижается.

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Круговой процесс (цикл)

Наш земной опыт показывает, что наблюдаемые в природе процессы подразделяются на 2 группы: естественные и неестественные.

Естественные (положительные) превращения энергии - процессы, которые могут протекать сами собой, самопроизвольно:

1. Переход тепла от тела горячего к телу холодному.

2. Преобразование работы в тепло.

Неестественные (отрицательные) превращения энергии -процессы, которые сами собой (самопроизвольно0 протекать не могут и осуществление, которого возможно только при наличии сопровождения их естественными процессами (так называемая компенсация).

1. Переход Q от тела холодного к телу горячему.

2. Преобразование тепла в работу.

Указанные особенности протекания различных процессов позволили Клазиусу (1850г.) выразить их сущность общим законом, который получил название второго закона термодинамики. Клаузиус формулировал его так: ,,Теплота не может переходить от холодного тела к более нагретому само собой, даровым процессом (без компенсации),,. (Постулат Клаузиуса).

Рассмотрим такой пример. На рис.22 показана установка, в которой осуществляется процесс преобразования тепла в работу.

Установка не противоречит первому закону термодинамики. Однако процесс преобразования не может длиться неограниченно долго (цилиндр нельзя сделать бесконечно длинным). Дело в том, что установка на рис.22 не удовлетворяет требованиям второго закона термодинамики. Отрицательное превращение энергии (преобразование тепла в работу) не сопровождается здесь положительным превращением энергии (нет компенсации).

Переделаем установку так, чтобы она удовлетворяла требованиям и второго закона термодинамики (рис.23). Для этого дополним ее теплоприемником (холодное тело), с которым система будет термически взаимодействовать, и передавать ему теплоту q2 в виде компенсации. Последнее возможно, если рабочее тело будет осуществлять не один, а определенную совокупность процессов, в состав которых войдут и процессы сжатия.

При помощи шатунно-кривошипного механизма возвратно-поступательные движения поршня преобразуются во вращательное движение вала, на оси которого закреплено тяжелое колесо - маховик (регенератор работы). Критическую энергию вращающегося маховика частично используем для выполнения процессов сжатия.

В рассматриваемом случае рабочее тело будет осуществлять определенную совокупность процессов (диаграмма PV). На участке АМВ система, взаимодействуя с теплоотдатчиком, получает теплоту

и расширяясь, производит работу (рис.24).

На участке ВNА рабочее тело подвергается сжатию, на которую затрачивается работа:

и отводится в теплоприемник теплота

Полезная работа системы:

При выполнении процессов АМ, МВ, ВN, NA система изменяет свое состояние по замкнутой кривой АМВ. NA попеременно расширяясь и сжимаясь и периодически возвращаясь в исходное состояние точки А. Совокупность процессов в результате осуществления, которых система возвращается в свое исходное состояние, называется круговым процессом (циклом).

Отношение работы, полученной объектом работы затраченной теплоте называется термическим коэффициентом полезного действия:

Термический КПД показывает, какая часть тепла теплоотдатчика полезно используется для получения работы при осуществлении системы кругового процесса. КПД определяет своей величиной степень совершенства процесса и образования теплоты в механическую работу и является важнейшей характеристикой цикла.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ И ЦИКЛОВ

Вопрос о том, в каком именно направлении может развиваться то или иное явление природы, - является главным для второго закона термодинамики. Поэтому наша классификация процессов (равновесные, неравновесные) должна быть расширена. Различают:

Прямой процесс - процесс, при протекании которого система непрерывно увеличивает свой объем (dV>0).

Обратный процесс - процесс, при протекании которого система непрерывна, уменьшает свой объем (dV<0).

Обратимый процесс -процесс, который может протекать в противоположных направлениях, причем как сама система, так и внешняя среда, участвующая в процессе, проходит в обоих направлениях через те же состояния. Но только в обратной последовательности.

В прямом процессе 1АВСД2 система получает тепло и производит работу. Если процесс обратим, то его можно провести в обратном направлении 2ДСВА1.

В результате прямого и обратного процессов никаких неизгладимых изменений в самой системе в окружающей среде не происходит.

Необходимые условия обратимости процесса: механическая и термическая равновесия; отсутствие трения. При наличии трения работа трения переходит в тепло, в каком бы направлении не протекал процесс.

Необратимый процесс - процесс оставляющий в системе или в окружающей среде неизгладимые изменения.

Все действительные процесс - необратимы. Подвод и отвод тепла совершается при конечной разности температур; механическое равновесие почти никогда не соблюдается, наконец, всякое изменение объема неизбежно связано с трением.

В термодинамике изучаются главным образом обратимые процессы.

Прямой цикл - цикл, в котором теплота превращается в работу. Прямыми циклами работают все тепловые двигатели и ТСУ.

Обратный цикл - цикл на осуществление, которого расходуется работа. Обратными циклами работают холодильные и теплонасосные установки.

Обратимый цикл - цикл, который состоит только из обратимых процессов.

Необратимый цикл - цикл, в совокупность процессов которого входит хотя бы один необратимый процесс.

ПРЯМОЙ ОБРАТИМЫЙ ЦИКЛ КАРНО ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА

Компонуется из двух изотермических и двух адиабатных процессов. Окружающая среда задана одним теплоотдатчиком пост. температуры Т1, одним теплоприемником пост. температуры Т2 и объектом работы (рис.27).

АМ - изотермический процесс расширения газа. Система получает от теплоотдатчика теплоту и совершает работу

МВ - адиабатный процесс расширения, в котором газ за счет уменьшения своей внутренней энергии совершает работу

Работа расширения системы

ВN - изотермический процесс сжатия газа. Система отдает теплоприемнику теплоту и получает энергию в форме работы

NA - адиабатный процесс сжатия, в результате осуществления которого газ возвращается в свое исходное состояние точки А.

На сжатие расходуется работа

Работа, затрачиваемая на сжатие системы

Полезная работа цикла

ТЕОРЕМА КАРНО

Термический КПД цикла Карно не зависит от природы рабочего тела и является функцией лишь температур теплоотдатчика (Т1) и теплоприемника (Т2). Тем самым устанавливается что



одинаково справедливо для любого тела природы. Теорему Карно принимаем без доказательств.

Вечный двигатель это -	Цикл состоящий из 2-х изотерм и 2-х адиабат
Определение всеобщего закона сохранения и превращения энергии	Теплота переходит сама по себе от более нагретого тела к менее нагретому телу и никогда наоборот
Первый закон термодинамики	Отношение работы производимой двигателем за цикл к количеству теплы подведенной за этот цикл от горячего источника
Второй закон термодинамики	Энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одной формы в другую
Термический КПД цикла	Теплота сообщаемая системе идет на приращение ее внутренней энергии и совершение работы
Прямой цикл Карно	Двигатель, который позволял бы получить работу без энергетических затрат

СВОЙСТВА РЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ. УРАВНЕНИЕ ВАН-ДЕР-ВААЛЬСА

Из физики известно, что реальные газы путем охлаждения ниже критической температуры и одновременного сжатия переходит в жидкое состояние. Реальный газ - перегретый пар определенной жидкости.

В жидкостях молекулярные силы сцепления очень значительные; поэтому, чем ближе газ переходу в жидкое состояние, тем больше он отклоняется от свойств идеального газа PV=RT; удаление от жидкой фазы приближает его к идеальному газу.

А) Влияние объема молекул на величину Р конечный объем молекул уменьшая свободное пространство, в котором перемещаются молекулы реального газа, увеличивает число ударов их о стенки сосуда, т.е. повышает давление Р так как если бы объем газа уменьшался на некоторую величину 6:

;

если ;

Тогда 6 - тот минимальный объем, до которого можно сжать реальный газ.

Б) Влияние сил сцепления между молекулами на величину Р.

Если молекула, находящаяся в толще газа, то равнодействующая сила сцепления между молекулами равна 0.

Если молекула В находится у стенки сосуда в момент удара, то равнодействующая сил сцепления не равна 0. Называют эту равнодействующую внутренним давлением. Оно уменьшает давление газа Р на стенку, потому что, испытывая притяжение соседних молекул, каждая молекула приближается к стенке сосуда с замедленной скоростью

\Р пропорциональна числу притягивающих n и числу притягиваемых n молекул:

Тогда

P = (RT/v-b) - б/v² или (P+( б/v² )) * (V-b) = RT (99)

Это и есть уравнение реального газа Ван-дер-Ваальса. Постоянные а и 6 находятся опытным или теоретическим путем и имеют для каждого газа свои особые значения. Уравнение (99) позволяет правильно оценить физические особенности реальных газов с качественной стороны, но не дает точных количественных соотношений между параметрами Т, Р и V.

PV - диаграмма водяного пара. Основные определения.

Пусть в цилиндре под поршнем (рис.37) находится единица массы воды при давлении Р и t=0C. Удельный объем воды равен V0'.

Отметим это состояние воды в диаграмме PV (рис.38) точкой /\(Р,t=0C,V0').

Начнем теперь нагревать воду при Р=const; как показывает опыт ее температура будет повышаться пока не достигнет температуры кипения tн. Точка b (Р,tн; V') определяет на диаграмме PV состояние воды, доведенной до кипения.

Между точками b и c изобары (Р=const; tн=const) имеется смесь сухого насыщенного пара и жидкости, которую называют влажным насыщенным паром. Примером может служить точка m (Р; tн; Vx).

Если к сухому насыщенному пару состояния точки с подводить тепло при Р=const, то его уд. объем V и температура t будут увеличиваться и пар из насыщенного перейдет в перегретый, температура которого, выше температуры насыщенного.

Состояние перегретого пара на диаграмме PV определяет точка d (Р, tн, Vн). При рассмотрении процесса перехода жидкости в пар мы встретились с целым рядом новых понятий. Дадим им соответствующие определения.

Пар - реальный газ, близкий состоянию насыщения и имеющий сравнительно высокую критическую температуру.

Парообразование - процесс перехода жидкости в пар.

Испарение - парообразование, происходящее только со свободной поверхности жидкости и при любой температуре.

Кипение - парообразование, которое происходит во всей массе жидкости при некотором вполне определенной температуре (температуре кипения), зависящей от физической природы жидкости и давление, под которым она находится.

При нагревании жидкости кипению всегда предшествует испарение, усиливающееся с повышением температуры.

Насыщенный пар - пар, который соприкасается со своей жидкостью и находится с ней в термическом равновесии.

Сухой насыщенный пар - насыщенный пар, который получатся при испарении все жидкости. Сухой насыщенный пар - тело весьма неустойчивого состояния; при самом незначительном теплообмене он переходит во влажный или перегретый пар. Поэтому найти опытным путем его удельный объем V'' очень трудно.

Влажный насыщенный пар - смесь сухого насыщенного пара с мельчайшими капельками жидкости, распределенными равномерно во всей его массе и находящимися в нем во взвешенном состоянии.

Массовая доля сухого насыщенного пара в смеси (влажный насыщенный пар) обозначается через Х и называется степенью сухости.

Х=M''/M'+M''

Здесь M' - масса жидкости в смеси;

М''- масса сухого насыщенного пара в смеси.

Массовая доля жидкости в смеси называется степенью влажности. Очевидно, что для сухого насыщенного пара =1, для жидкости =0. В процессе парообразования степень сухости пара постепенно увеличивается от 0 до 1,0.

Перегретый пар - пар, температура которого выше температуры насыщенного пара при том же давлении.

Перегретый пар по своим физическим свойствам приближается к газу и тем в большей мере, чем выше степень его перегрева. Под степенью перегрева понимают разность между температурами перегретого и насыщенного пара того же давления.

Конденсация - процесс превращения пара в жидкость. Конденсация пара протекает при постоянных значениях температуры и давления и связана с отводом от пара тепла.

Теплота жидкости - количество теплоты, израсходованной на подогрев 1кг жидкости от )С до температуры кипения при постоянном давлении.

Теплота парообразования - количество теплоты, необходимое для перевода единицы массы кипящей жидкости в сухой насыщенный пар при постоянном давлении.

Теплота перегрева - количество теплоты, необходимое для перевода единицы массы сухого насыщенного пара в перегретый при постоянном давлении.

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

В технике часто используются смеси газов с парами, которые при определенных условиях легко конденсируются. Наиболее характерным примером парогазовых смесей является атмосферный воздух, в котором всегда находятся пары воды.

Смесь сухого воздуха с водяным паром называется влажным воздухом. Знание свойств влажного воздуха имеет особенно большое значение для проектирования и эксплуатации сушильных и вентиляционно-увлажнительных установок.

В атмосферном воздухе, как правило, пар находится под небольшим парциальным давлением и в перегретом состоянии. Поэтому влажный воздух можно рассматривать как смесь идеальных газов за исключением того, что при определенных условиях в ней происходит конденсация водяного пара (фазовое превращение).

Согласно закону Дальтона, давление влажного воздуха, которое равно барометрическому, представляет собой сумму парциальных давлений сухого воздуха и водяного пара,т.е.

Рбар=Рс.в.+Рп

Состояние перегретого пара в смеси характеризуется на PV диаграмме точкой А.

Смесь сухого воздуха и перегретого пара называется ненасыщенным влажным воздухом. Если при неизменной температуре увеличивать количество водяного пара, то его парциальное давление будет возрастать до давления насыщения (процесс А-В) и пар станет сухим насыщенным. Смесь сухого воздуха с сухим насыщенным паром называется насыщенным влажным воздухом.

Процесс дальнейшего увеличения количества водяного пара при t=const (процесс В-Е) будет сопровождаться частичной конденсацией и количество водяного пара во влажном воздухе останется неизменным.

Таким образом, точка В соответствует максимально возможному количеству водяного пара во влажном воздухе при данной температуре и является пределом насыщения.

Процесс насыщения может происходить и при неизменном количестве водяного пара, если охлаждать ненасыщенный влажный воздух при постоянном парциальном давлении пара (процесс А-С). В точке С пар становится насыщенным и при дальнейшем незначительном снижении его температуры образуется туман (выпадение росы). Температура, до которой необходимо охладить влажный воздух при постоянном давлении, чтобы он стал насыщенным, называется температурой точки росы. Температура точки росы в каком-либо состоянии влажного воздуха равна температуре насыщения, соответствующей данному парциальному давлению пара и определяется из таблиц насыщенного пара.

Абсолютной влажностью воздуха называется количество водяного пара, приходящегося на 1 м влажного воздуха, т.е.

(132)

Отношение абсолютной влажности максимально возможной абсолютной влажности, характеризует степень насыщения и называется относительной влажностью воздуха, т.е.

(133)

Относительная влажность может изменяться в пределах от 0 до 100% (влажный насыщенный воздух).

Пар, находящийся в воздухе, рассматривается как идеальный газ, отношение плотностей на изотерме АВ можно заменить отношением давлений

(134)

Масса водяного пара, приходящегося на 1кг сухого воздуха, называется влагосодержанием.

(135)

При принятом допущении об идеальности водяного пара и воздуха можно записать:

;

(136)

(137)

Плотность влажного воздуха можно определить как сумму плотностей пара и сухого воздуха при их парциональных давлениях. Очевидно, что

(138)

Энтальпию влажного воздуха относят к 1кг сухого воздуха или к (1+d)кг влажного воздуха и определяют как сумму энтальпий 1кг сухого воздуха и d кг водяного пара:

Для температуры и давлений, применяемых в сушильной технике, приблизительно можно считать теплоемкость сухого воздуха 1,0 кДж/(кг К), а для водяного перегретого пара (2500+1,9t) кДж/кг

(139)

СХЕМЫ И ЦИКЛА ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

В развитии конструкций газотурбинных установок достаточно четко обозначаются два направления:

К первому из них могут быть отнесены конструкции стационарных (промышленных) газовых турбин, формировавшиеся в значительной мере под непосредственным влиянием уже освоенных конструкций стационарных паровых турбин, поскольку эти газовые турбины в начале проектировались для аналогичных областей применения, т. е. базовой или всережимной нагрузки, и изготавливались на тех же заводах, что и паровые турбины, т. е. в условиях индивидуального или мелкосерийного производства.

По иному направлению шло развитие конструкций авиационных и транспортных ГТУ, формировавшихся под влиянием уже освоенного производства двигателей внутреннего сгорания. Здесь, в частности, с самого начала было характерным использование блочно-агрегатного принципа проектирования, а также применение ряда прогрессивных технологических процессов, характерных для крупносерийного производства.

Основные элементы ГТУ:

1. Турбоагрегат, включающий в себя компрессорную и газотурбинную группу, монтируется на общей фундаментной раме, которая обычно одновременно используется в качестве масляного бака. В указанный блок входят все трубопроводы (коммуникации) для подачи масла, охлаждающего воздуха, а также провода контрольной измерительной аппаратуры. Иногда в него включаются всасывающий патрубок компрессора и выхлопной патрубок силовой газовой турбины.

2. Камера сгорания, если она выполняется выносной, например для работы на тяжелом жидком топливе. В большинстве случаев камера сгорания выполняется блочно-секционной или кольцевой и включается' в состав блока турбоагрегатов.

3. Пусковое устройство совместно с зубчатой ускорительной передачей и соединительной муфтой монтируются обычно на общей с блоком турбоагрегатов фундаментной раме.

4. Блок полезной нагрузки (электрогенератор, центробежный нагнетатель, насос и т. д.), устанавливаемый или на общей с турбокомпрессорным блоком, или на отдельной фундаментной раме.

5. Воздухоочистительное устройство, объединяемое обычно с устройствами для шумоглушения на всасывании и охлаждения или подогрева засасываемого в компрессор воздуха.

6. Блок выхлопа из газовой турбины, объединяемый с устройством для шумоглушения, а иногда с регенератором.

7. Системы автоматического управления агрегатом (САУ).

8. Наружная обшивка.

9. Вспомогательное оборудование: масло- и воздухоохладители, топливные и масляные фильтры предварительной очистки и т. д.

2. На рис. 1.1 изображен идеальный цикл замкнутой ГТУ. В этой установке (схема-- на рис. 1.2) теплота от горячего источника подводится к рабочему телу, в поверхностном теплообменнике 1, а отвод теплоты в окружающую среду происходит в поверхностном теплообменнике 2. Рабочим телом в замкнутой ГТУ может быть не только воздух, но и другие газы (например, гелий, углекислый газ, азот и др.). Давление рабочего тела, поступающего в компрессор, может быть более высоким, чем давление окружающей среды (атмосферное давление). При неизменной степени повышения давления в цикле, характеризуемой отношением p₂/p₁, возрастает давление газа и перед турбиной. Вследствие повышения плотности рабочего тела габариты компрессора и газовой турбины при одной и той же полезной мощности будут снижаться по мере увеличения р₁.

Большинство современных ГТУ выполняется по открытой схеме непрерывного горения (рис. 1.3). В такой ГТУ рабочее тело (воздух) сжимается в компрессоре и через камеру сгорания нагнетается в газовую турбину. В камеру сгорания непрерывно вводится топливо, при окислении которого кислородом воздуха выделяется теплота, обеспечивающая повышение температуры рабочего тела до необходимого уровня. Отработавший в газовой турбине газ выбрасывается в окружающую среду. Если принять, что процесс рассеивания теплоты в окружающую среду эквивалентен процессу теплообмена в поверхностном теплообменнике 2 (см. рис. 1.2) замкнутой установки, и пренебречь изменением теплофизических,свойств рабочего тела в камере сгорания, то идеальный цикл открытой ГТУ непрерывного горения в диаграммах состояния будет иметь такой же вид, как идеальный цикл замкнутой ГТУ.

Рис.1.1. Идеальный цикл ГТУ непрерывного горения: а -

в Т - s-диаграмме; б - в р-v - диаграмме

Для ГТУ, используемых в качестве энергетических агрегатов для покрытия пиковых энергетических нагрузок, основополагающими требованиями являются хорошие маневренные свойства, низкая стоимость установленного киловатта при обеспечении высокой эксплуатационной надежности. Поэтому для них наиболее предпочтительными являются схемы 1 и или За. Быстрое развитие атомных энергетических установок, в том числе с высокотемпературными реакторами, охлаждаемыми гелием, открывает перспективу применения, в них одноконтурных ГТУ, работающих по замкнутому циклу. Эти установки проектируются, как правило, по схеме 2, одновальными, с промежуточным охлаждением и регенерацией.

Специфическую группу энергетических ГТУ составляют установки, работающие в технологических схемах химических, нефтеперерабатывающих, металлургических и других комбинатов (энерготехнологические). Для ГТУ, используемых в качестве аварийного резерва, т. е. когда число часов использования мало, но требуется весьма высокая степень надежности при малых удельных затратах на изготовление, монтаж и эксплуатацию, наиболее целесообразными следует считать типовые конструктивные схемы За и Зг, которые допускают использование в качестве газогенератора авиационного ГТД.

Для стационарных ГТУ, работающих в базовом режиме, близком к номинальному, экономически оправданным является использование схем 2, Зв, 4.

Типовая схема 5 находит широкое применение в энерготехнологических ГТУ, используемых в химической, нефтеперерабатывающей и металлургической отраслям промышленности.

Транспортные ГТУ выполняются обычно по конструктивным схемам Зв и Зг, обеспечивающим хорошую приспосабливаемость газотурбинного агрегата к условиям внешней нагрузки и высокие его маневренные качества.

3. В соответствии с международным стандартом 150 рекомендуется использовать при проектировании следующие, пять типовых конструктивных схем ГТУ.

Схема 1. Одновальная ГТУ простого цикла с возможной разбивкой компрессорной группы на две-три ступени сжатия и включением соответственно одного-двух промежуточных охладителей.

Схема 2. Одновальная ГТУ с регенерацией тепла уходящих газов.

В схеме 3а газогенератор выполняется по простейшей конструктивной схеме, которая состоит из компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, приводящей во вращение компрессор.

В схеме 3б рабочее тело подогревается в специальном теплообменнике -- нагревательном устройстве (НУ) за счет передачи теплоты от внешнего источника.

В схеме Зв газогенератор кроме перечисленных элементов включает регенератор, в котором избыточная теплота уходящих из силовой турбины газов используется для подогрева циклового воздуха, выходящего из компрессора.

В схеме Зг газогенератор выполняется в виде двухвального турбокомпрессорного блока, в котором каждый из компрессоров приводится во вращение самостоятельной турбиной.

Схема 4. Двухвальная ГТУ с блокированной силовой турбиной и свободным турбокомпрессорным валом .

Разновидностью ее является схема, в которой компрессор (КВД. или КНД) разбивается на две ступени сжатия с включением промежуточного охладителя и регенератора.

Схема 5. Одновальный газотурбокомпрессор с использованием энергетического потенциала отбираемого рабочего тела (воздуха или горячего газа) для промышленных или бытовых нужд.

.

ГТУ, типовая конструктивная схема 1

ГТУ, типовая конструктивная схема 2

ГТУ типовые конструктивные схемы За--Зг

ГТУ, типовая конструктивная схема 4

ГТУ, типовая конструктивная схема 5

АНАЛИЗ ЦИКЛОВ ТЕПЛОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВЫХ УСТАНОВОК

Степень совершенства теоретических циклов полностью характеризуется величиной термического КПД, который учитывает только неизбежную термодинамическую потерю.

(57)

В реальном цикле большинство процессов, составляющих цикл, является необратимыми. Так, процессы расширения и сжатия в двигателе сопровождаются трением, завихрением и потерей части полезной работы.

Эффективность реального необратимого цикла оценивается так называемым внутренним КПД.

(58)

Для установления степени необратимости цикла используют понятие относительного внутреннего КПД, представляющее собой отношение действительной работы к теоретической:

и показывающее, насколько реальный цикл менее совершен, чем теоретический. Легко показать, что

(59)

Кроме необратимых потерь, учитываемых внутренним КПД, в теплосиловой установке имеется ряд других потерь (потери теплоты в камерах сгорания и паропроводах, потери на трение в подшипниках, потери в генераторе и т.д.). Поэтому работа, переданная внешнему потребителю, меньше работы, полученной в цикле. Отношение действительной (полезной работы), отданной потребителю, к количеству затраченной теплоты называется эффективным КПД установки, т.е.

(60)

Таким образом, эффективный КПД характеризует долю полезно используемой теплоты с учетом всех потерь и, следовательно, экономичность установки в целом.

С термодинамической точки зрения необходимо всячески стремиться к повышению термического КПД цикла (следовательно, эффективного КПД установки). Однако в ряде случаев это связано со значительным усложнением и удорожанием установки и экономия средств, обусловленная экономией топлива, будет сопряжена с увеличением расходов на сооружение установки. Поэтому решение о целесообразности сооружения установки с более высоким КПД может быть принято только на основании технико-экономических расчетов.