Systems. Methods. Technologies 2 (38) 2018

Системы Методы Технологии. В.С. Степанов и др. Методы определения … 2018 № 2 (38) с. 63-69 67 В этом случае равновесие в системе будет дости- гаться за счет теплоты окружающей среды, поскольку ее температура выше температуры теплоты, подводи- мой технической системой, которая будет выполнять функцию приемника теплоты (холодильника). При пе- реходе изолированной системы в равновесное состоя- ние в этом случае может быть получена положительная внешняя работа, равная: * * q T T T Q E 0 1 0 ос − ⋅ = . (4) Количество теплоты, поступающее из окружающей среды, очевидно, не может быть больше количества тепла, подводимого технической системой, т. е. тс ос Q Q = . Отсюда следует, что при понижении температуры тепла, генерируемого технической системой, от * T T 0 1 = до абсолютного нуля величина работы, полу- чаемой от совокупной системы, возрастает. Возрастает при этом и коэффициент работоспособности тепла, достигая максимального значения, равного 1 =τ e . Сказанное выше позволяет сделать следующий вы- вод. Процесс установления термодинамического рав- новесия в изолированной системе, включающей техни- ческую систему, позволяющую генерировать теплоту с температурой, изменяемой в диапазоне от 1 T до абсо- лютного нуля, и окружающую среду с условно задан- ными постоянными параметрами ( const, 0 = * p const 0 = * T ), разбивается на два этапа. На первом из них, когда от технической в сово- купную систему поступает тепло с температурой * T T 0 1 > , с помощью тепловой машины С. Карно мо- жет быть получена положительная внешняя работа (эксергия). Теплота, поступающая от технической системы на этом этапе, характеризуется положитель- ным значением коэффициента работоспособности 0 >τ e . Если от технической в совокупную систему поступает теплота с температурой * T T 0 1 = , равновесие в ней не нарушается, и, следовательно, внешняя рабо- та при этом будет равна нулю, как и коэффициент работоспособности этой теплоты. На втором этапе от технической системы в сово- купную поступает теплота с температурой * T T 0 1 < . Следовательно, равновесие в совокупной изолирован- ной системе в этом случае может достигаться только за счет тепла окружающей среды ос Q . В процессе уста- новления равновесия в ней также может быть получена положительная внешняя работа q E . Однако важно подчеркнуть, что положительное значение коэффици- ента e τ в этом случае характеризует работоспособ- ность тепла окружающей среды, а не теплоты, посту- пающей в совокупную изолированную систему от тех- нической системы. Отсюда как будто напрашивается вывод о том, что величина эксергии, получаемая на этом этапе, никак не характеризует теплоту, подводимую технической сис- темой. На самом деле это не так, если принять во вни- мание понятия максимальной ( max A ) и минимальной ( min A ) работы, используемые в термодинамике. Мак- симальная работа характеризует предельное значение работы, которую можно получить от системы в резуль- тате совершения ею обратимого прямого процесса при переходе из состояния 0 T в состояние 1 T . Минималь- ная работа, в свою очередь, показывает предельные затраты внешней работы, которые необходимы для того, чтобы совершить обратный процесс, т. е. перевес- ти систему из состояния 1 T в состояние 0 T . Известно, что если прямой и обратный процесс осуществить обратимо, то величины max A и min A бу- дут равны. Это обстоятельство является чрезвычайно важным, поскольку позволяет определять значения эксергии для тепла, подводимого в некую изолирован- ную систему с температурой ниже температуры окру- жающей среды. При этом следует пояснить, что коэф- фициент работоспособности e τ , найденный на этом этапе в соответствии с (4), характеризует не теплоту, подведенную технической системой тс Q , а эксергию, которую можно получить в этом случае от совокупной системы при установлении в ней термодинамического равновесия. Характер изменения коэффициента e τ в совокуп- ной изолированной системе при изменении температу- ры теплоты, поступающей от технической системы, при заданных параметрах окружающей среды показан на рис. 5. Нетрудно заметить, что он существенно от- личается от тех, которые приведены на рис. 2 и 3. Первое отличие заключается в том, что значения коэффициента работоспособности на всем диапазоне температур имеют положительный знак. При этом за- висимость изменения коэффициента работоспособно- сти от температуры теплоты, генерируемой техниче- ской системой, делится на два участка: первый — от произвольного 1 T до * T T 0 1 = , второй — от температу- ры * T 0 до 0 К. При снижении температуры теплоты, поступающей от технической системы, на первом уча- стке e τ уменьшается от значения, равного 1 * 0 1 T TT е − =τ , до нуля. Снижение температуры 1 T ниже * T 0 приводит к возрастанию коэффициента работоспо- собности, который при приближении 1 T к 0 К стремит- ся к величине 1 =τ e . Важно подчеркнуть, что на первом участке коэф- фициент e τ показывает работоспособность теплоты, генерируемой технической системой тc Q , а на втором участке он характеризует работоспособность теплоты окружающей среды ос Q .