УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ТРАНСФОРМАЦИЙ ТЕПЛОТЫ В ОБРАТИМЫХ КРУГОВЫХ ПРОЦЕССАХ

Устройство относится к учебным пособиям, используемым при изучении законов термодинамики на основе абстрактных квазистатических обратимых газовых процессов, в том числе круговых процессов (циклов).
Известен учебный стенд по термодинамике, моделирующий обратимый цикл Карно путем изменения направления движения жидкости в гидравлическом контуре стенда [1].
Недостатком стенда является чрезмерная условность гидравлической аналогии применительно к тепловым явлениям, что в сочетании со сложностью устройства стенда затрудняет понимание сути тепломеханических процессов, которые происходят в циклах тепловых машин.
Известно также устройство, позволяющее графически интерпретировать обратимый цикл в виде его прямой и обратной версий в координатной плоскости p,V (рабочей диаграмме) [2].
Недостаток прототипа состоит в одностороннем представлении превращений теплоты, когда на графике отражается только механическая (деформационная) степень свободы.
Для исчерпывающей иллюстрации взаимных превращений теплоты и работы в циклах требуется графически отобразить еще и тепловую (термическую) степень свободы, с помощью системы координат Т, S (тепловой диаграммы).
Задача состоит в создании устройства, позволяющего обобщить графический образ тепловых и механических явлений, сопровождающих трансформации теплоты в круговых термодинамических процессах (циклах тепловых машин) для использования в образовательном процессе.
Технический результат заключается в обеспечении ясного и глубокого понимания смысла и содержания законов термодинамики, в особенности второго начала, на основе изучения идеализированных равновесных
(обратимых) круговых процессов, не отягощенных реальным явлением необратимости, представленных в координатных плоскостях «давление - объем» (p,V) и «температура - энтропия» (T,S) [3].
Технический результат реализуется в устройстве для демонстрации трансформаций теплоты в обратимых круговых процессах, содержащем пакет пластин с изображением цикла в координатах p,V на верхней из них и набора стрелок для моделирования прямого и обратного цикла, указывающих направление процесса, подвод и отвод теплоты, работу расширения и сжатия  на другой пластине, выполненной с возможностью ее углового смещения, снабженном дополнительной пластиной с изображением графика цикла в координатах Т, S и жестко связанной с верхней пластиной, причем контуры циклов на наружных поверхностях пластин в пакете снабжены разделительными точками a, b, с, d для выделения участков расширения a-b и сжатия b-a рабочего тела, участков с подводом теплоты с-d с отводом теплоты d-с, а подвижная пластина несет набор стрелок с обеих сторон и помещена между жестко связанными пластинами.
На фиг.1 показано устройство в исходной позиции и с двух сторон: слева - со стороны расположения рабочей диаграммы, справа - со стороны тепловой диаграммы.
На фиг.2 устройство отображает прямой цикл, на фиг.3 - обратный цикл.
Устройство состоит из трех пластин. Наружные пластины 1 и 2 жестко связаны друг с другом. Средняя пластина 3 размещена между ними на оси 4 и имеет возможность углового смещения относительно наружных пластин.
1
2
ц
ц
На внешних поверхностях пластин 1 и 2 нанесены графики цикла в одной из координатных плоскостей - р, V и Т, S и буквенные обозначения энергий, сопровождающих цикл - теплоты горячего Q и холодного Q источников, работы L и теплоты Q цикла. Эти пластины имеют вырезы (окна) для выведения в них стрелок, направление которых отражает особенности протекания прямой и обратной версий цикла. Стрелки
расположены на обеих поверхностях средней пластины 3 в определенном порядке, обеспечивающем нужную их комбинацию.
1
2
ц
Для создания графической схемы прямого цикла (см. фиг.2) среднюю пластину смещают так, чтобы стрелки в окнах наружных пластин указали на: развитие кругового процесса по ходу часовой стрелки, подвод теплоты Q к рабочему телу цикла от горячего источника, отвод теплоты Q холодному источнику и производство избыточной положительной работы L.
ц
2
ц
Для получения схемы обратного цикла среднюю пластину поворачивают относительно оси 4 в противоположном направлении (см. фиг.3). При этом положение стрелок меняется на обратное и соответствует развитию цикла против хода часовой стрелки, отрицательной работе цикла L и за счет этого переносу теплоты Q от холодного источника к горячему источнику вместе с теплотой Q.
На графиках контур цикла снабжен разделительными точками a, b, с, d для выделения участков расширения и сжатия рабочего тела (отрезки a-b и b-a и участков с отводом и подводом теплоты (отрезки (с-d и d-с). Точки используются для образования фигур проведением ординат через них. Площади фигур зрительно выражают работу расширения, работу сжатия и работу цикла на диаграмме р, V, сообщаемую теплоту, отводимую теплоту и теплоту цикла на диаграмме Т, S. При этом разность работ цикла равна разности теплот:
ц
ц
1
2
L=Q=Q-Q.
t
1
2
1
ц
2
Нахождение термических коэффициентов полезного действия η(обратимого цикла приобретает наглядный характер и сводится к вычислению отношения величин площадей фигур на диаграмме Т, S, соответствующих теплотам Q и Q по формулам , , где Q=Q+Q, [4].
Использование устройства в образовательных целях позволяет наглядно представить полезные эффекты трансформаций теплоты, которые реализуются на практике в тепловых двигателях и тепловых насосах, и повысить доступность изложения начал термодинамики.
Литература
1. Учебный лабораторный стенд по термодинамике. Авт. свид. СССР №1417031, кл.G09В 23/16, 1987.
2. Устройство для демонстрации трансформаций теплоты в обратимых круговых процессах. Патент на полезн. модель №38989, кл. G09В 23/16, 2004.
3. Афанасьева-Эренфест Т.А. Необратимость, односторонность и второе начало термодинамики // Журн. прикладной физики, 1928, том V, вып 3-4.
4. Барковский Ю.Б, Моос Е.Н. Табунов Н.И. Эффективность обратных циклов // ЖТФ, 1999, том 69, вып.6, с.11-14.