УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ТРАНСФОРМАЦИЙ ТЕПЛОТЫ В ОБРАТИМЫХ КРУГОВЫХ ПРОЦЕССАХ

Диаграмма относится к учебным пособиям, используемым при изучении первого и второго законов термодинамики на основе равновесных газовых процессов.
Известен учебный стенд по термодинамике, моделирующий прямой и обратный циклы Карно путем изменения направления движения жидкости в гидравлическом контуре схемы кругового процесса [1].
Недостатком известного стенда является невозможность имитации энергетических превращений в цикле, которые важны для глубокого постижения законов термодинамики.
Известна также графическая интерпретация прямого и обратного произвольных циклов в виде двух отдельных изображений в координатной плоскости p,V, на которых особенности циклов отражены в виде стрелок, указывающих направления процесса и энергетических потоков [2].
Недостаток прототипа состоит в том, что двойное изображение цикла не отражает единства процессов трансформаций теплоты.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, и технический результат от использования заключается в создании совмещенного устройства, позволяющего динамично получать зрительный образ прямого и обратного цикла и демонстрировать обе трансформации теплоты -переход теплоты в работу в прямом цикле и перенос теплоты от холодного источника к более нагретому источнику в обратном цикле.
Технический результат достигается тем, что на диаграмме для демонстрации трансформаций теплоты в обратимых циклах, содержащей графическое отображение кругового процесса в координатах р, V и особенности
прямого и обратного циклов в виде стрелок, указывающих направление процесса, характер участия теплоты горячего и холодного источников и работы цикла, элементы ее расположены на двух наложенных друг на друга и соединенных осью вращения пластинах, одна из которых закреплена на корпусе и содержит график процесса, а другая несет наборы стрелок, характеризующих прямой и обратный циклы, с возможностью ее углового смещения.
На фиг.1 дан общий вид диаграммы в исходной позиции выбора варианта. На фиг.2 представлена диаграмма в положении демонстрации прямого цикла, на фиг.3 - диаграмма отражает обратный цикл.
Диаграмма состоит из трех пластин, собранных в пакет. Нижняя пластина 1 служит основанием устройства. На верхней пластине 2 дано изображение кругового процесса в координатах р, V, и имеются вырезы - окна 3 и 4 для вывода признаков, определяющих направление кругового процесса и его энергетику. Эти признаки несет средняя пластина 5 в виде двойного набора стрелок для последовательной демонстрации прямого и обратного циклов угловым смещением средней пластины относительно оси 6.
1
ц
2
ц
2
Для показа прямого цикла (фиг.2) свободный конец пластины 5 перемещают вниз. При этом с окнами 3 и 4 совмещают комбинацию стрелок, отвечающую особенностям этой версии цикла. Прямой цикл развивается по ходу часовой стрелки; рабочему телу от горячего источника сообщается теплота Q. Часть этой теплоты трансформируется в работу А, другая ее часть Q отдается холодному источнику. При этом работа цикла А является полезной энергией, а теплота Q - энергией компенсации, согласно второму закону термодинамики.
1
Поворотом свободного конца пластины 5 вверх (фиг.3) создают картину, соответствующую зрительному образу обратного цикла, который развивается против хода часовой стрелки. В этом случае теплота Q
2
ц
отдается горячему источнику. Полезной энергией будет теплота Q, сообщаемая рабочему телу холодным источником, а энергией компенсации становится работа А, поступающая из внешней среды.
1
2
ц
Уравнение первого закона термодинамики (уравнение энергетического баланса) для кругового процесса Q-Q=L легко преобразуется  в уравнение второго закона термодинамики где  - термические КПД прямой и обратной версий обратимого цикла:
Таким образом устанавливается и выделяется общая особенность процессов трансформаций теплоты - их затратность, составляющая смысл второго закона термодинамики. Усиливается наглядность процессов взаимопревращений теплоты и работы и их единая природа, что облегчает и углубляет познание первого и второго законов.
Отсутствие здесь явления необратимости, свойственного реальным процессам, позволяет не связывать его с энтропией и облегчает постижение второго закона на начальном этапе изучения термодинамики.
Диаграмма может быть использована и как средство для тестирования обучающихся.
Литература
1. Авторское свидетельство №1417031, кл G 09 В 23/16, 1987.
2. Техническая термодинамика. Учебник для вузов // Под редакцией В.И.Крутова. Изд. 2-е. М.: Высшая школа, 1981, рис. 11 на стр.44.
3. Барковский Ю.Б., Моос Е.Н., Табунов Н.И.
Эффективность обратных циклов // ЖТФ, 1999, том 69 вып.6, с.11-14.