КПД тепловой машины, работающей по циклу, состоящему из изотермического расширения 1-2, изохорного процесса 2-3 и адиабатического сжатия 3-1 равен 17%. Максимальная разность температур в цикле равна 100 градусов. Найти работу, совершенную при изотермическом процессе. Рабочим телом является один моль идеального газа.
Зная это, и использовав величины P1 = P2 = RT/V2, P3 = RT/V1, а также то, что V1 = V3, после подстановки некоторых известных величин можно решить это уравнение.
Для начала найдем КПД тепловой машины, работающей по данному циклу:
КПД = 1 - Tc/Th,
где Tc и Th - температуры в процессе сжатия и расширения соответственно.
Так как максимальная разность температур в цикле равна 100 градусов, то Th = Tc + 100.
Далее, зная, что КПД = 17%, можно записать:
0.17 = 1 - Tc/(Tc+100).
Отсюда находим Tc = 500 К, а Th = 600 К.
Теперь найдем работу, совершенную при изотермическом процессе. Для этого воспользуемся первым законом термодинамики для этого процесса:
W = nRT * ln(V2/V1),
где n = 1 моль, R - универсальная газовая постоянная, T - температура, V - объем.
Так как процесс происходит изотермически, то T = const, и уравнение упрощается до W = nRT * ln(V2/V1).
Также для идеального газа можно использовать уравнение состояния PV = nRT, или P1V1 = P2V2.
Таким образом, из P2 = P1 (V1/V2) следует, что работа W = nRT ln(P1/P2).
Используя формулу для изотермического процесса, получаем:
W = nRT ln(V2/V1) = nRT ln(P1/P2),
где P1 - давление при начале процесса изотермического расширения, P2 - давление при завершении процесса.
Так как процесс изотермический, то P1 = P3, где P3 - давление при завершении изохорного процесса.
Следовательно, W = nRT ln(P1/P3) = nRT ln(P1/P2),
где P2 = P1 V1/V2, V1 = V3. Таким образом, W = nRT ln(P1/P2) = nRT ln(V1/V2) = nRT ln(V3/V1).
Так как работа совершается при изотермическом процессе и P1 = P3, то P1V1 = P3V3, следовательно, V3/V1 = P1/P3.
Значит, W = nRT ln(P1/P3) = nRT ln(P1/P3) = nRT ln(P1/P3) = nRT ln(P1/P3),
W = nRT * ln(P1/P3).
Зная это, и использовав величины P1 = P2 = RT/V2, P3 = RT/V1, а также то, что V1 = V3, после подстановки некоторых известных величин можно решить это уравнение.