Меню

Энергетическая схема тепловой машины

Энергетическая схема тепловой машины

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом . В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами .

Как следует из первого закона термодинамики, полученное газом количество теплоты полностью превращается в работу при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной ():

.

Но такой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически . Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл , при котором периодически восстанавливается исходное состояние. Круговые процессы изображаются на диаграмме () газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис. 3.11.1). При расширении газ совершает положительную работу , равную площади под кривой , при сжатии газ совершает отрицательную работу , равную по модулю площади под кривой . Полная работа за цикл на диаграмме () равна площади цикла. Работа положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.

Рисунок 3.11.1.

Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем , а с более низкой – холодильником . Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты и отдает холодильнику количество теплоты . Полное количество теплоты , полученное рабочим телом за цикл, равно

.

При обходе цикла рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, следовательно, изменение его внутренней энергии равно нулю (). Согласно первому закону термодинамики,

.

Отсюда следует:

.

Работа , совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты . Отношение работы к количеству теплоты , полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия тепловой машины:

Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть () была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (). Энергетическая схема тепловой машины изображена на рис. 3.11.2.

Рисунок 3.11.2.

В двигателях, применяемых в технике, используются различные круговые процессы. На рис. 3.11.3 изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном и в дизельном двигателях. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (, ) и двух адиабат (, ). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (, ), одной изобары () и одной изохоры (). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30 %, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Рисунок 3.11.3.

В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, который сыграл важную роль в развитии учения о тепловых процессах. Он называется циклом Карно (рис. 3.11.4).

Рисунок 3.11.4.

Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке () газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру . Газ изотермически расширяется, совершая работу , при этом к газу подводится некоторое количество теплоты . Далее на адиабатическом участке () газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работу . Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения . На следующем изотермическом участке () газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре . Происходит процесс изотермического сжатия. Газ совершает работу и отдает тепло , равное произведенной работе . Внутренняя энергия газа не изменяется. Наконец, на последнем участке адиабатического сжатия газ вновь помещается в адиабатическую оболочку. При сжатии температура газа повышается до значения , газ совершает работу . Полная работа , совершаемая газом за цикл, равна сумме работ на отдельных участках:

.

На диаграмме () эта работа равна площади цикла.

Процессы на всех участках цикла Карно предполагаются квазистатическими. В частности, оба изотермических участка (1–2 и 3–4) проводятся при бесконечно малой разности температур между рабочим телом (газом) и тепловым резервуаром (нагревателем или холодильником).

Как следует из первого закона термодинамики, работа газа при адиабатическом расширении (или сжатии) равна убыли его внутренней энергии. Для 1 моля газа

,

где и – начальная и конечная температуры газа.

Отсюда следует, что работы, совершенные газом на двух адиабатических участках цикла Карно, одинаковы по модулю и противоположны по знакам

.

По определению, коэффициент полезного действия цикла Карно есть

С. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через температуры нагревателя и холодильника :

Цикл Карно замечателен тем, что на всех его участках отсутствует соприкосновение тел с различными температурами. Любое состояние рабочего тела (газа) на цикле является квазиравновесным , т. е. бесконечно близким к состоянию теплового равновесия с окружающими телами (тепловыми резервуарами или термостатами ). Цикл Карно исключает теплообмен при конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды (термостатов), когда тепло может передаваться без совершения работы. Поэтому цикл Карно – наиболее эффективный круговой процесс из всех возможных при заданных температурах нагревателя и холодильника:

.

Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях. Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, когда полученное рабочим телом тепло частично превращается в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине , когда некоторое количество теплоты отбирается от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы . Поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной .

В реальных холодильных машинах используются различные циклические процессы. Все холодильные циклы на диаграмме () обходятся против часовой стрелки. Энергетическая схема холодильной машины представлена на рис. 3.11.5.

wiki.eduVdom.com

Инструменты пользователя

Инструменты сайта

Боковая панель

Физика:

Контакты

Содержание

Тепловые машины. Цикл Карно

В современной технике механическую энергию получают главным образом за счёт внутренней энергии топлива. Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии в механическую, называют тепловыми двигателями.

Примеры тепловых двигателей

КПД тепловой машины

Работа, совершаемая тепловой машиной, не может быть больше: $A = Q_ <1>— |Q_<2>|$, т.к. рабочее тело, получая некоторое количество теплоты ($Q_<1>$) от нагревателя , часть этого количества теплоты (по модулю равную $|Q_<2>|$) отдаёт холодильнику . Отношение этой работы к количеству теплоты, полученному расширяющимся газом от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия $\eta$ тепловой машины.

Коэффициент полезного действия любой тепловой машины считается по формуле: $$\eta = \frac>=\frac-|Q_<2>|>> = 1 — \frac<|Q_<2>|>>$$

Для увеличения КПД, при расширении или сжатии газа должны быть использованы процессы, позволяющие исключить уменьшение энергии горячего тела, которое происходило бы без совершения работы. Такие процессы существуют — это изотермический и адиабатный процесс.

Цикл Карно

Сади Карно искал пути решения актуальной для его времени задачи — установить причину несовершенства тепловых машин, найти пути наиболее эффективного их использования. Именно он, впервые предложил наиболее совершенный технический процесс, состоящий из изотерм и адиабат.

Схема цикла Карно

Прямой цикл Карно. Исходным состоянием рабочего тела двигателя является состояние точки 4 . На участке 4—1 цикла рабочее тело сжимается адиабатически, т. е. без потерь теплоты. В точке 1 к нему начинают изотермически подводить теплоту $Q_<1>$ от высокотемпературного источника, в результате чего рабочее тело расширяется по линии 1—2 . На участке 2—3 расширение рабочего тела продолжается уже без подвода теплоты, т. е. адиабатически. На участке 3—4 от рабочего тела с помощью источника низкой температуры отбирается теплота $Q_<2>$. В двигателях, работающих по разомкнутому циклу, когда теплоноситель в каждом цикле работы обновляется, процесс охлаждения заменяется процессом обновления теплоносителя.

Линия Состояние Описание
1-2 Изотерма
$T=T_<1>$
$dQ_<1>$
(нагревание)
$V\Uparrow$
От нагревателя поступает теплота $dQ_<1>$ (или $Q_$), газ под поршнем изотермически расширяется. В начале процесса рабочее тело ( газ ) имеет температуру температуру нагревателя ($T_$ или $T_<1>$). Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты $Q_$ (или $Q_<1>$).
При этом объём рабочего тела увеличивается, оно совершает механическую работу, а его энтропия возрастает.
2-3 Адиабата

$dQ=0$
$V\Uparrow$

Газ изолирован от нагревателя и холодильника и адиабатически расширяется. Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой.
При этом температура тела уменьшается до температуры холодильника ($T_$ или $T_<2>$), тело совершает механическую работу, а энтропия остаётся постоянной.
3-4 Изотерма
$T=T_<2>$
$dQ_<2>$
(охлаждение)
$V\Downarrow$
Газ изотермически (при $T = T_<2>$) сжимается и отдает теплоту $dQ_<2>$ холодильнику. Рабочее тело, имеющее температуру холодильника ($T_$ или $T_<2>$), приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты $Q_$ (или $Q_<2>$).
Над телом совершается работа, его энтропия уменьшается.
4-1 Адиабата

$dQ=0$
$V\Downarrow$

Газ изолирован и адиабатически сжимается. Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается под действием внешней силы без теплообмена с окружающей средой.
При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя ($T_$ или $T_<1>$), над телом совершается работа, его энтропия остаётся постоянной.

Иллюстрации цикла Карно

Цикл Карно

Максимальный КПД тепловой машины

Коэффициент полезного действия идеального цикла, как показал С.Карно, может быть выражен через температуру нагревателя ($T_<1>$) и холодильника ($T_<2>$). В реальных двигателях не удаётся осуществить цикл, состоящий из идеальных изотермических и адиабатных процессов. Поэтому КПД их цикла всегда меньше, чем КПД цикла Карно (при прочих равных условиях). $$\eta_ 3 . Адиабатически сжатое компрессором по линии 3—2 рабочее тело охлаждается изотермически по линии 2—1 и далее продолжает расширяться адиабатически по линии 1—4 . На изотерме 4—3 к рабочему телу подводится теплота камеры охлаждения и оно возвращается к исходному состоянию точки 3 .

При этом чем меньше разность температур между холодильной камерой и окружающей средой, тем меньше нужно затратить энергии для передачи теплоты от холодного тела к горячему и тем выше холодильный коэффициент.

Анализ обратного цикла Карно показывает, что передача теплоты от тела менее нагретого телу более нагретому возможна, но этот процесс требует соответствующей энергетической компенсации в системе, в виде затраченной работы или теплоты более высокого потенциала, способного совершить работу при переходе на более низкий потенциал.

Энтропия — часть внутренней энергии замкнутой системы или энергетической совокупности Вселенной, которая не может быть использована, в частности не может перейти или быть преобразована в механическую работу. Существует мнение, что мы можем смотреть на энтропию и как на меру беспорядка в системе.

Читайте также:  Шумоизоляция автомобиля с применение

Авто © 2021
Внимание! Информация, опубликованная на сайте, носит исключительно ознакомительный характер и не является рекомендацией к применению.