Avtoargon.ru

АвтоАргон
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Тепловые двигатели

Тепловые двигатели

Принцип работы теплового двигателя в термодинамике: второй закон термодинамики, циклический процесс, эффективность теплового двигателя, формулы, теплообмен.

В термодинамике тепловой двигатель выступает системой, осуществляющей трансформацию тепловой энергии в механическую работу.

Задача обучения

  • Выяснить, почему эффективность выступает главнейшим параметром для тепловых двигателей.

Основные пункты

  • Циклический процесс возвращает систему в стартовое положение. Большая часть тепловых двигателей (поршневые и вращающиеся турбины) применяют циклические процессы.
  • Второй закон термодинамики: в системе теплопередачи невозможно полностью трансформировать в работу при циклическом процессе.
  • Эффективность теплового двигателя (Eff) – выходная мощность двигателя (W), деленная теплопередачей на двигатель: (Qc и Qh – передача тепла в горячий (двигатель) и холодный (окружающая среда)).

Термины

  • Тепловая энергия – внутренняя энергия при термодинамическом балансе.
  • Внутренняя энергия – сумма всей энергии в системе, включая кинетическую и потенциальную.

Тепловой двигатель – система, трансформирующая тепловую энергию в механическую работу. К ним относятся бензиновые, дизельные, реактивные и паровые турбины. Все они используют тепло из источника. Передача тепла от горячего тела – Qh, а холодное – Qc. Температуры их обозначаются соответственно: Th и Tc.

(а) – Теплообмен осуществляется спонтанно от горячего тела к прохладному (подчиняется второму закону термодинамики). (b) – Тепловой двигатель (круг) использует часть теплопередачи, чтобы выполнить работу. Объекты именуются горячими и холодными резервуарами. Qh – теплопередача из горячего резервуара, W – выход работы, Qc – передача в холодный

Горячий резервуар нагревается внешним воздействием, поэтому работа выполняется максимально эффективно. Но нам бы хотелось выровнять W и Qh, чтобы не переносить тепло во внешний мир (Qc = 0). К сожалению, этого не случится. Второй закон термодинамики указывает на то, что при переносе тепла нельзя полностью преобразовать его в работу в циклическом процессе.

Циклический процесс заставляет систему возвращаться в исходное положение. Второй закон доходчиво объясняет, что такие двигатели не располагают идеальной трансформацией теплопередачи в работу.

Что можно сказать о КПД теплового двигателя? Итак, циклический процесс вынуждает систему постоянно начинать все сначала. Внутренняя энергия (U) системы одинакова на первом и последнем этапе цикла, так что ΔU = 0. В первом законе указано, что ΔU = Q – W (Q – чистый теплообмен во время цикла, а W – чистая работа). Так как ΔU = 0, то W = Q. Поэтому выполняемая системой работа приравнивается к чистой передаче тепла в систему или W = Qh — Qc (циклический процесс), как отображено на рисунке (b).

Эффективность выступает важнейшим параметром для теплового двигателя. Загвоздка лишь в том, что во всех процессах присутствует трата тепла на внешнюю среду (Qc). Если трансформируем энергию в работу, то всегда вынуждены получать меньше, чем вкладываем. Эффективность определяется в качестве выходной мощности, разделенной на теплопередачу:

В циклическом процессе W = Qh – Qc, поэтому можно выразить как:

(для циклического процесса).

100% эффективность возможна только, если теплопередача в окружающую среду отсутствует (Qc = 0).

Урок по физике на тему «Принцип действия теплового двигателя»

Новые аудиокурсы повышения квалификации для педагогов

Слушайте учебный материал в удобное для Вас время в любом месте

откроется в новом окне

Выдаем Удостоверение установленного образца:

Принцип действия теплового двигателя. КПД теплового двигателя.

Образовательные:

Создать условия для изучения устройства и принципа работы тепловой машины;

Организовать деятельность студентов по изучению и применению знаний в различных ситуациях;

Создать условия для развития у студентов умение выделять главное, умение анализировать условие задачи, ее решение и полученный результат.

Развивающие:

Формировать у студентов мотивацию к изучению физики;

Развивать умение логического мышления, полноты и аргументированности высказываний, навыки выделения интегрированной связи физики с другими науками;

Воспитательные:

Воспитывать у студентов глубокое уважение к природе, науке, друг к другу;

Привить интерес к физике и расширить кругозор студентов.

Межпредметные связи : математика, устройство автомобиля.

Тип урока : урок получения новых знаний.

Применяемые технологии: проблемное обучение, информационно – коммуникационные, здоровьесберегающие.

Материалы и оборудование : модель ДВС, компьютер, проектор, экран, презентация, тест.

Формируемые ОК : ОК1, ОК2, ОК5, ОК6.

1. Организация начала урока – 2мин

2. Актуализация знаний – 5 мин

3. Изучение нового материала – 23 мин

4. Физкультминутка: выполнение гимнастики для глаз – 2 мин

5. Закрепление – 8 мин

6. Рефлексия – 2 мин

7. Подведение итогов – 1 мин

8. Домашнее задание – 2 мин

Организация начала урока.

Проверка списочного состава обучающихся, психологический настрой.

Актуализация знаний.

Преподаватель: Прежде, чем мы перейдём к изучению нового материала, давайте вспомним основные понятия, которые помогут нам определиться с темой сегодняшнего урока. Вам поможет кроссворд, ключевое слово которого имеет непосредственное отношение к теме сегодняшнего урока.

Единица измерения энергии (джоуль).

Источник тепловой энергии (топливо).

Кинетическая, потенциальная, внутренняя (энергия).

Дерево даешь – съедает, от воды – умирает (огонь).

Единица измерения мощности (ватт).

Величина, характеризующая степень нагретости тела (температура).

Один из видов теплопередачи (излучение).

Измеряется в паскалях (давление).

Единица измерения термодинамической температуры (Кельвин).

Преподаватель: Итак, ключевое слово «двигатель». Но двигатели бывают разные, т.к. реализуют в своей работе превращение одного из видов энергии в другой. Какой же именно двигатель будем изучать сегодня?

Постановка проблемы. Проведение опыта: В пробирку нальем немного воды, затем плотно закроем ее пробкой и нагреем воду до кипения. Что произойдёт? (Пробка выскочит). Почему это произошло? (Тепловая энергия перешла во внутреннюю энергию пара, а пар совершил работу).

Преподаватель: Итак, тема урока «Тепловые двигатели». Как вы думаете, что мы должны узнать о тепловых двигателях? (Устройство, виды двигателей, принцип работы).

Изучение нового материала

Внутренняя энергия представляет собой один из самых дешёвых видов энергии. Её можно получить, например, сжигая разнообразные виды топлива, чтобы затем за счёт неё совершить полезную работу. Превращение внутренней энергии в механическую очень важно для практической деятельности людей, для развития техники. Осуществляется такое превращение с помощью тепловых машин , называемых иначе тепловыми двигателями .

Тепловыми двигателями называют машины, в которых энергия топлива превращается в механическую энергию и за счёт неё совершается работа.

Существует несколько видов тепловых двигателей.

Во всех этих двигателях энергия топлива переходит в энергию газа или пара, газ, расширяясь, совершает работу и при этом охлаждается. Часть его внутренней энергии превращается в механическую энергию.

Простейший тепловой двигатель представляет собой металлический цилиндр. К стенкам цилиндра плотно пригнан поршень, который может двигаться вдоль цилиндра. В нём внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию поршня. Такой двигатель был изобретён в конце XVII века и в дальнейшем усовершенствован.
В настоящее время известно множество разнообразных видов тепловых двигателей. Однако все они имеют в основе общий принцип действия.
Во всех двигателях энергия топлива сначала переходит во внутреннюю энергию газа или пара, нагретых до высокой температуры. Расширяясь, газ совершает работу против внешних сил и при этом охлаждается. При этом уменьшается его внутренняя энергия. Это означает, что часть его внутренней энергии превращается в механическую работу, например, по вращению вала турбины, движению поршня или какого-либо механизма. Оставшаяся часть внутренней энергии газа, не превращённая в механическую энергию, передаётся окружающей среде, которая играет роль охладителя и называется холодильником.
Таким образом, в конструкции всех тепловых двигателей можно выделить три основные необходимые части: нагреватель , в котором освобождается энергия топлива; рабочее тело , которым является пар или газ; холодильник , который забирает оставшееся неиспользованное количество теплоты.

Схема действия тепловых двигателей.

Из всех существующих двигателей мы рассмотрим ДВС. Как вы думаете, почему

двигатель называют ДВС?
Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Отсюда и происходит название этого двигателя. ДВС – работает на жидком топливе (бензин, керосин, нефть) или на горючем газе.
Рассмотрим модель ДВС в разрезе.

Двигатель состоит из цилиндра1 , в котором, перемешается поршень2, соединенный посредством шатуна 3, с коленчатым валом4. На валу укреплен тяжелый маховик 5, предназначенный для уменьшения неравномерности вращения вала. В верхней части цилиндра имеется два клапана 6 и 7, которые открываются и закрываются механически при помощи распределительного вала, свеча 8. Через впускной клапан поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи, а через выпускной клапан выпускаются отработавшие газы. В таких двигателях постоянно происходит сгорание горючей смеси (пары бензина и воздуха). При сгорании этой смеси образуются газы, температура которых порядка 1600-1800 0 С.
А теперь более подробно рассмотрим схему работы такого двигателя (анимация) https://ekabu.ru/69121-poznavatelnaya-animaciya-mehanizmov-i-ustroystv.html .

Читать еще:  Что такое система фаз газораспределения двигатель ниссан

1тактвпуск : при повороте вала поршень опускается вниз. Объём над поршнем увеличивается, в цилиндре создается разрежение, впускной клапан открывается и в цилиндр входит горючая смесь. В конце такта цилиндр заполняется горючей смесью и впускной клапан закрывается.

2 тактсжатие : при дальнейшем повороте вала поршень начинает двигаться вверх и сжимает горючую смесь, когда поршень доходит до крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь возгорается от электрической искры и быстро сгорает.

3 тактрабочий ход : образующиеся при сгорании смеси газы давят на поршень, и он движется вниз. В этом случае двигатель совершает работу. Этот такт называется рабочим ходом. Во 2 и 3 тактах оба клапана закрыты.

4 тактвыпуск : в конце 3 такта выпускной клапан открывается и через него продукты сгорания выходят в атмосферу. В течение такта поршень движется вверх. В конце такта выпускной клапан закрывается.

Итак, цикл двигателя состоит из 4 тактов. Давайте вспомним их ещё раз.

Один рабочий цикл в двигателе происходит за 4 хода поршня, или, как говорят, за четыре такта. Поэтому такие двигатели называют четырехтактными.

Цикл двигателя:
Впуск. Сжатие. Рабочий ход. Выпуск.

Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем равна: А’ = Q 1 — Q 2 , где Q 1 – количество теплоты, полученное от нагревателя, Q 2 — количество теплоты, отданное холодильнику.
Рассматривая работу теплового двигателя, мы с вами должны понимать эффективность системы, т.е. эффективность устройства машины. Как вы думаете, что является характеристикой эффективности устройства машины? ( КПД).
Коэффициент полезного действия (КПД) обозначается обычно η («эта»).
КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называется отношение работы A’ , совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

.

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η . КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При T 1 – T 2 = 0 двигатель не может работать.

Максимальное значение КПД тепловых двигателей, работающих на идеальном газе, по циклу Карно:

Суть этой формулы выражена в доказанной С . Карно теореме о том, что КПД любого теплового двигателя не может превышать КПД цикла Карно, осуществляемого при той же температуре нагревателя и холодильника.

Физкультминутка: выполнение гимнастики для глаз «Танец бабочек».

Закрепление. Тестирование.

Вариант 1

1. КПД тепловой машины равен 20%. Это означает, что от энергии, выделившейся при полном сгорании топлива,

1) 20% идет на совершение полезной работы;

2) 80% идет на совершение полезной работы;

3) 20% преобразуется во внутреннюю энергию пара;

4) 20% преобразуется во внутреннюю энергию деталей.

2. В двигателе внутреннего сгорания

1) механическая энергия полностью превращается во внутреннюю;

2) внутренняя энергия топлива полностью превращается в механическую;

3) механическая энергия частично превращается во внутреннюю;

4) внутренняя энергия топлива частично превращается в механическую энергию.

3. Какие двигатели из перечисленных ниже называют тепловыми?

A. Двигатель внутреннего сгорания. Б. Паровая турбина.

B. Реактивный двигатель.

1) Только А. 3) Только В.

2) Только Б. 4) А, Б и В

4. В двигателе внутреннего сгорания клапаны закрыты, газы, образовавшиеся при сгорании горючей смеси, давят на поршень и толкают его. Как называется этот такт?

5. Напишите названия частей двигателя внутреннего сгорания.

Вариант 2

1. КПД двигателя внутреннего сгорания равен 40%. Это означает, что от энергии , выделившейся при полном сгорании топлива,

1) 40% идет на совершение полезной работы;

2) 60% идет на совершение полезной работы;

3) 40% преобразуется во внутреннею энергию пара;

4) 40% преобразуется во внутреннюю энергию деталей.

2. В тепловой машине.

1) механическая энергия полностью превращается во внутреннюю энергию;

2) внутренняя энергия топлива полностью превращается в механическую энергию;

3) внутренняя энергия топлива частично превращается в механическую энергию;

4) механическая энергия частично превращается во внутреннюю энергию.

3. Расширяясь, газ может совершить работу и при этом охладиться. В каком из названных ниже двигателей используется это явление?

A. Реактивный двигатель. Б. Паровая машина.

B. Двигатель внутреннего сгорания.

4) Во всех трех перечисленных двигателях.

4. В двигателе внутреннего сгорания клапаны закрыты, поршень движется, сжимая горючую смесь. Как называется этот такт?

5. Напишите названия частей двигателя внутреннего сгорания.

1 такт — я пассивно слушал (синий квадрат)

2 такт – я ничего не понял (чёрный квадрат)

3 такт – я не все понял (зелёный квадрат)

4 такт – я все понял (красный квадрат)

При выходе из кабинета оставьте один такт, который к вам подходит на своем рабочем месте.

7. Подведение итогов.

8. Домашнее задание. На ваших столах список слов. Ваша задача составить вопросы к этим словам, используя конспект, учебник по физике и сети Internet.

Слова: ДВС, газ, Бенц, клапан, кпд, Карно, Ползунов, турбина, паровоз.

Список используемых источников:

1. Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образоват. учреждений нач. сред. проф. образования – 4-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2014.-448 с.

Касьянов В., «Физика-10», Москва, Дрофа, 2007 год;

С. В. Беляев, В. В. Беляев Топлива для современных и перспективных автомобилей, учебное пособие, Петрозаводск, ПЕТРГУ, 2005 год;

А. Гин «Приемы педагогической техники», пособие для учителя, Москва, изд-во «Вита-Пресс», 2002 год;

Основы теплотехники

Идеальный цикл Карно

Мы, как простые обыватели, редко задумываемся над тем, как работают тепловые двигателя, и уж тем более — не пытаемся вникнуть в суть происходящего внутри этих самых двигателей с точки зрения термодинамики. Среднестатистические познания механиков и техников ограничиваются тем, что, вроде как, что-то там внутри сгорает, и благодаря этому начинают шевелиться поршни (в простонародье — «поршня») , вращая другие детали и, как говорится, «процесс пошел».

Но, как всегда, среди людского роду-племени находятся наиболее дотошные представители, которым просто необходимо знать, как на самом деле все происходит и от чего все зависит. Наверное, на этих «дотошных» и «вездесущих», как на ветках деревьев и произрастают плоды, вскармливающие науку.
Итак, давайте попробуем разобраться — как же работает тепловой двигатель, и от чего зависит его эффективность?

Немного теории.
Тепловым двигателем называют такую машину, которая способна преобразовывать энергию тепла в энергию механического движения. Т. е. внутри этих механизмов, представляющих собой систему, что-то начинает вращаться, перемещаться и кувыркаться, если каким-либо образом изменить температуру внутри этой самой системы (как правило, тепло подводят к рабочему телу, которое чаще всего по ряду «уважительных» причин является газом) .
Ну и еще немного — все двигатели подразделяют, по большому счету, на двигатели внутреннего сгорания и двигатели внешнего сгорания.
У первых подвод тепла к элементу системы совершается внутри двигателя, у вторых — где-то снаружи. Забегая вперед, приведем пример: к двигателям внешнего сгорания относят, в частности, паровые двигатели, в которых тепло к рабочему телу (льду, воде или пару или какой-либо жидкости) подводится вне двигателя, путем сжигания какого-нибудь топлива (угля, мазута, дров и т. п.) в отдельно расположенной топке под емкостью (котлом) с рабочим телом. Потом разогретое рабочее тело вводится в тепловой двигатель (поступает в цилиндр) , и совершает полезную работу, отдавая при этом теплоту.
К двигателям внутреннего сгорания (ДВС) относятся (например) всем с детства знакомые дизели и карбюраторные двигатели, у которых рабочее тело сжигается и выделяет тепло внутри системы (в цилиндре) .
И в том и в другом случае речь идет о термодинамических процессах, т.е. процессах, вызывающих температурные колебания (или вызываемых температурными колебаниями) внутри системы.
В общем случае суть происходящего с точки зрения современной термодинамики описана здесь.

В начале XIX века талантливым французским инженером Сади Карно (1796-1832) были изучены термодинамические процессы, имеющие место в тепловых машинах, использующих в качестве рабочего тела идеальный газ. При этом все процессы в машинах рассматривались им как равновесные (обратимые) .
Обратимый процесс – это такой процесс, который протекает настолько медленно, что его можно рассматривать как последовательный переход от одного равновесного состояния к другому и т. д., причём весь этот процесс можно провести в обратном направлении без изменения совершённой работы и переданного количества теплоты. (Следует отметить, что все реальные процессы необратимы).

Читать еще:  Большой расход газа газ 3110 402 двигатель

Целью исследований Карно было определение условий, при которых можно получить максимальную работу из теплоты, подведенной к тепловой машине, т. е. наиболее эффективно преобразовать тепловую энергию в механическую.
В конце XVIII – начале XIX века единственным типом тепловых машин, используемых человечеством в практических целях, являлись двигатели внешнего сгорания – т. е. паровые машины. КПД этих машин был чрезвычайно низким – не более 2 %, при этом не существовало какой-либо убедительной теории, указывающей пути к повышению их эффективности.

Карно провел тщательный анализ различных способов преобразования теплоты в работу на примере идеализированной модели поршневой паровой машины, при этом результаты и выводы, сделанные им, оказались справедливыми для любого типа машин, использующими тепловую энергию для выполнения механической работы.
В результате теоретических умозаключений Карно пришел к выводу, что максимального эффекта от преобразования теплоты в механическую энергию можно достичь, используя круговой цикл, состоящий из четырех последовательных процессов — изотермического, адиабатного, изотермического и опять адиабатного, который завершал цикл, возвращая систему к исходному состоянию.
Эта последовательность термодинамических процессов в тепловой машине получила название идеальный цикл Карно .

Изготовить реальный двигатель, преобразующий энергию тепла в механическую энергию строго по циклу, предложенному Карно, невозможно по технологическим причинам, поэтому цикл Карно считается неосуществимым и идеальным.

Николя Леонар Сади Карно считается одним из основателей термодинамики. В 28 лет он написал единственный дошедший до потомков труд — «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», в которой изложил принципиально новые для того времени взгляды на процессы в тепловых машинах, нашедшие отражение во втором законе термодинамики.

Сади Карно ввел в научную терминологию основные понятия термодинамики — идеальная тепловая машина, идеальный цикл, обратимость и необратимость термодинамических процессов.
В начале XIX века использовались лишь примитивные паровые машины, КПД которых не превышал несколько процентов, поскольку не существовало теории, способной разъяснить способы повышения эффективности использования тепловой энергии в двигателях. Работа Карно послужила первым путеводителем для инженеров в поисках эффективного использования теплоты в двигателях.

Карно умер совсем молодым, в возрасте 36 лет от заболевания холерой.
Поскольку в те годы холера считалась ужасным и неизлечимым недугом, тела и вещи умерших полагалось сжигать. Наверняка в огне погибли многие ценные труды этого талантливейшего инженера. Чудом уцелели лишь ставшие знаменитыми «Размышления о движущих силах огня…», которые этот самый огонь, уничтоживший все прочие труды Карно и его безжизненное тело, пожалел.

Последовательность процессов в цикле Карно

Рассмотрим предложенную Карно последовательность термодинамических процессов, получившую название идеальный цикл Карно.
Как известно, механическая работа может совершаться термодинамической системой лишь в том случае, когда протекает процесс, сопровождающийся изменением объема рабочего тела, т. е. изотермический, изобарный или адиабатный. При этом вся тепловая энергия может быть преобразована в работу лишь при изотермическом процессе (при изобарном и адиабатном процессе часть теплоты расходуется на изменение внутренней энергии рабочего тела) .
При изохорном процессе (протекающем при неизменном объеме рабочего тела) превращения теплоты в механическую работу исключается.

В исходном состоянии идеального цикла Карно рабочее тело (идеальный газ) имеет некоторые параметры p1 , V1 , T1 .
К рабочему телу от внешнего источника, называемого нагревателем , подводится теплота, которую система (тепловая машина) начинает использовать по изотермическому процессу.

Как отмечалось выше, при изотермическом процессе переменными являются два основных параметра рабочего тела — давление и объем, соотношение между которым обратно пропорционально (закономерность Бойля-Мариотта) . При этом вся подведенная к рабочему телу теплота расходуется исключительно на совершение механической работы; внутренняя энергия рабочего тела остается неизменной и затрат теплоты, полученной от внешнего нагревателя, не требует. Поэтому выбор первого термодинамического процесса в цикле Карно по изотерме вполне логичен — это позволяет максимально использовать полученное от нагревателя тепло для выполнения механической работы.
По окончании изотермического процесса рабочее тело имеет параметры p2 , V2 , T1 .
Этот процесс цикла Карно на диаграмме (рис. 1) обозначен цифрами 1-2.

Поскольку цикл Карно является обратимым и круговым, т. е. все протекающие в нем термодинамические процессы должны возвращать рабочее тело к исходным параметрам, становится очевидным, что в цикле должен присутствовать еще хотя бы один изотермический процесс. При этом его течение должно сопровождаться охлаждением рабочего тела, т. е. передачей теплоты от системы во внешнюю среду, иначе к точке с начальными параметрами не вернуться. Если сразу после первого процесса запустить второй изотермический процесс, то суммарная работа цикла будет минимальна, поскольку площадь графика, характеризующая выполненную системой механическую работу (на рис. 1 заштрихована) будет мала или вообще равна нулю (если прямая и обратная изотермы совпадают) .

По этой причине С. Карно в качестве второго термодинамического процесса для своего цикла применил адиабатный процесс, протекающий без теплообмена системы с внешней средой. При этом работа выполняется за счет изменения внутренней энергии рабочего тела, которое продолжает расширяться и охлаждаться до температуры Т2 . На диаграмме цикла Карно этот участок заключен между цифрами 2-3.
Использование адиабатного процесса вслед за изотермическим позволяет получить от системы некоторую механическую работу уже без подвода теплоты от нагревателя, за счет использования внутренней энергии рабочего тела.
Параметры рабочего тела по окончанию этого процесса — p3 , V3 , T2 .

Следующим звеном цикла Карно является второй изотермический процесс, который, как уже рассматривалось выше, должен быть отрицательным, т. е. сопровождаться передачей тепла от рабочего тела во внешнюю среду другому телу, называемому в данном случае холодильником .
На диаграмме цикла этот процесс обозначен цифрами 3-4.
Течение процесса сопровождается уменьшением объема и увеличением давления рабочего тела (сжатием) , при этом его температура остается постоянной за счет отдачи тепла холодильнику.
Параметры рабочего тела по окончании этого процесса — p4 , V4 , T2 .

Заключительный процесс цикла Карно, возвращающий систему в исходное состояние с начальными параметрами p1 , V1 , T1 — адиабатный.
Передача тепла холодильнику прекращается. При этом рабочее тело продолжает уменьшаться в объеме (сжиматься) , за счет совершения над ним некоторой внешней работы, которая для процесса является отрицательной.
Внутренняя энергия рабочего тела при этом увеличивается, поскольку часть внешней работы расходуется на его нагрев.
Этот процесс на диаграмме обозначен цифрами 4-1.

Для современного специалиста-теплотехника предложенный Карно цикл вполне логичен и не вызовет особых эмоций – наиболее рациональное превращение теплоты в механическую энергию не может осуществляться по иному пути, как с помощью изотермического процесса. Возврат к начальной точке цикла без затрат энергии на паразитные внутренние процессы системы тоже должен проходить по изотерме. А в качестве промежуточных процессов, исключающих потери теплоты во внешнюю среду, наиболее логичны процессы адиабатные.
Тем не менее, не следует забывать, что на момент написания «Размышлений о движущей силы огня и о машинах, способных развивать эту силу» никаких теоретических изысканий в области тепловых двигателей не проводилось, поэтому труд молодого француза был поистине революционным.

Анализ полученной Карно круговой p-V диаграммы цикла показывает, что системой выполнена механическая работа, величина которой характеризуется площадью, заключенной между кривой, ограниченной точками 1-2-3 и кривой, ограниченной точками 3-4-1. При этом вся выполненная системой работа будет равна сумме работ, выполненных в течение каждого из четырех последовательных термодинамических процессов, перечисленных выше.

Очевидно, что работа, выполненная рабочим телом в течение прямого и обратного адиабатных процессов равна по величине, но имеет разный знак (положительная в первом процессе, и отрицательная во втором) , т. е. сумма этих работ равна нулю. А работа, выполненная в течение прямого изотермического процесса больше, чем работа, совершенная во время обратного изотермического процесса.

Графически это поясняется разной площадью диаграммы, заключенной между абсциссой и соответственно первой и второй изотермой. Чем выше расположена первая изотерма на диаграмме относительной второй (обратной) изотермы, тем большую работу совершит рабочее тело.
Если рассмотреть T-V диаграмму процесса, то она будет представлять плоскую фигуру (например, ромб) , в которой две изотермы (прямая и обратная) параллельны одной из осей (температурной) , а адиабаты будут параллельны друг другу.

Из этого следует, что выполненная системой полезная работа будет тем больше, чем больше разница между температурой нагревателя и температурой холодильника, т. е. чем больше перепад температур между Т1 и Т2 (расстояние между верхней и нижней изотермой на T-V диаграмме) .

Читать еще:  Шум на холодном двигателе шевроле авео

Математический анализ предложенной Сади Карно модели идеального цикла показывает, что максимальный термический КПД тепловой машины может быть определен из соотношения:

где: Т1 и Т2 – температура рабочего тела (газа) соответственно в начале и конце цикла.

Эта простая формула позволяет сделать два основных вывода — о пути повышения КПД тепловых машин и о том, что невозможно создать тепловую машину, коэффициент полезного действия которой будет равен единице, т. е. 100 %. Действительно – дробь Т21 может быть равна нулю лишь в том случае, если ее числитель равен нулю, либо знаменатель равен бесконечности. И то и другое – нереально, поскольку невозможно охладить материальное тело до температуры абсолютного нуля, и невозможно начальную температуру рабочего тела сделать бесконечной, поскольку само понятие тела в этом случае потеряет смысл; кроме того — невозможно изготовить реальный двигатель, детали и узлы которого способны выдержать такую температуру.

Цикл Карно является эталоном, к которому стремятся инженеры, проектирующие тепловые машины. В условиях реальных температур, верхний предел которых определяется прочностью материалов, а нижний соответствует температуре окружающей среды, термический КПД цикла Карно может достигать величины 0,7…0,8.
Любой реальный тепловой двигатель будет тем совершеннее, чем ближе его КПД к расчетному КПД цикла Карно, протекающего в тех же температурных границах.

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники»
(в формате Word, размер файла 68 кБ)

Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

Рабочее тело тепловых машин

2.1.1. Газ как рабочее тело

Выше было показано, что для непрерывного взаимного преобразования теплоты и работы необходимо иметь, кроме источника теплоты и теплоприемника, вспомогательное тело, которое воспринимает энергию в одной форме и в результате кругового процесса преобразует ее некоторую часть в другую форму. Это вспомогательное тело называют р а б о ч и мт е л о м.

В качестве рабочих тел тепловых машин необходимо использовать вещества, обладающие свойством сжимаемости. Это требование вытекает из того, что цикл тепловых машин обязательно включает в себя процессы, связанные с изменением объема рабочего тела, например, расширение продуктов сгорания в ДВС, сжатие фреона в компрессоре холодильной машины и т.п. В табл.3 и табл. 4 Приложения приведены свойства некоторых газов, используемых в качестве рабочих тел.

Рабочим телом современных теплоэнергетических установок являются однородный газ или газовые смеси. В ряде случаев протекание процессов связано с рабочим телом многофазового состава. Так, например, в испарителе холодильной машины хладагент находится в парожидкостном состоянии. Рабочее тело часто включает вещества, способные вступать друг с другом в химические реакции. В общем случае фазовые переходы и химические реакции сопровождаются тепловым и механическим взаимодействием с внешней средой, поэтому для их анализа используются общие методы термодинамики. Расчеты циклов энергетических установок существенно упрощаются, если реальный газ рассматривать как идеальный.

Под идеальным понимают газ, в котором силы межмолекулярного взаимодействия отсутствуют, а сами молекулы рассматриваются как материальные точки.

Все реальные газы при высоких температурах и малых давлениях почти полностью подходят под понятие идеального газа, и по своим свойствам практически не отличаются от него. Введение понятия идеального газа позволило получить простые математические зависимости между параметрами состояния и создать стройную теорию термодинамических процессов. Рассмотрим некоторые свойства газов и газовых смесей.

Уравнения состояния идеального газа

Функциональную связь между термодинамическими параметрами идеального газа впервые получил в 1834 г. французский физик Б. Клапейрон, использовавший при этом свойства газов, открытые англичанином Р. Бойлем и французом Ж. Гей-Люссаком.

Р. Бойль в 1662г. экспериментально установил следующую законо -мерность:

при одной и той же температуре удельный объем идеального газа изменяется обратно пропорционально изменению его давления, т.е.

p v = . (2.1)

Независимо от Р.Бойля эту же закономерность в 1676 г. получил французский физик Э. Мариотт, поэтому выражение (2.1) именуют законом Бойля-Мариотта.

Ж. Гей-Люссак в 1802 г. опытным путем установил, что

при одном и том же давлении удельный объем идеального газа изменяется прямо пропорционально изменению его абсолютной температуры, т.е.

. ( 2.2)

Рассмотрим два состояния 1 кг идеального газа. Первое состояние ) соответствует нормальным физическим условиям и характеризуется параметрами p, v, T; второе состояние (C ) – произвольное, имеющее параметры p, v, T. Изобразим графически функцию (2.1) в координатах pv при температурах T = const и T = cоnst. Любая точка из полученных кривых изображает состояние газа, характеризуемое тремя конкретными параметрами (давлением, удельным объемом и температурой). Эти состояния изображены на рис. 2.1

Используя закономерность Бойля- Мариотта, выразим р через р и v.

где v ‘ – удельный объем газа при давлении p и температуре T.

Из закона Гей-Люссака следует, что

Подставляя в (2.3) значение v ‘ из выражения (2.4), получим:

. (2.5) Правая часть равенства (2.5) имеет для заданного газа конкретное численное значение, в термодинамике его обозначают R,т. е. .

Величину R называют г а з о в о й п о с т о я н н о й и измеряют в Дж/(кг·К). Для произвольного состояния газа уравнение (2.5) будет иметь вид:

. (2.6)

Выражение (2.6) называют уравнением Клапейрона. Оно устанавливает, что

для выбранного состояния произведение давления на удельный объем, деленное на абсолютную температуру, есть величина постоянная.

Найдем числовое значение газовой постоянной R и выявим ее физическую сущность. Для этого обратимся к еще одной закономерности поведе-

ния газов, экспериментально установленной в 1811г. итальянским ученым

При одинаковых давлениях и температурах одинаковые количества различных газов занимают один и тот же объем.

В СИ за единицу количества вещества принят м о л ь (М). Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде – 12 массой 0,012 кг. Установлено, что в 12 г углерода содержится 6·10 23 атомов. Такое количество структурных элементов в любом другом веществе имеет другую массу. Моль – расчетная единица и эталона для его воспроизведения не существует.

Массу одного моля вещества называют м о л я рн о й м а с с о й Молярную массу обозначают через μ. Единица молярной массы – кг/моль. При численном выражении молярной массы различных веществ иногда за единицу количества вещества принимают 1000 молей – 1 кмоль.

Величины, характеризующие количественную единицу вещества в молях, условимся обозначать чертой сверху. Тогда объем моля какого-либо газа будет равен произведению удельного объема газа на его молярную массу, т.е. = μ.

Согласно закону Авогадро, для различных газов при одинаковых условиях будет иметь:

Экспериментально установлено, что при нормальных физических условиях (T = 273,15; p = 760 мм рт. ст. = 101325 Па) объем одного моля любого газа = 22,41 м 3 /моль.

Из определения газовой постоянной следует, что

R = .

Умножив обе части этого равенства на μ и подставив численные значения p, и Т, получим:

R 8314 Дж/(моль·К). Величину μR обозначают и называют у н и в е р с а л ь н о й (молярной)

Универсальная газовая постоянная для одного моля всех газов, независимо от их природы, является величиной постоянной и равной:

= 8314 Дж/(моль·К).

Отсюда, газовая постоянная 1 кг конкретного газа вычисляется как

R = . (2.8)

Для одного и того же газа, в зависимости от его массы, уравнение состояния может быть записано по-разному:

для 1 кг p v = R T, (2.9)

для m кг p V = m R Т , (2.10)

для одного моля p = T. (2.11)

Чтобы уяснить физический смысл газовой постоянной, запишем уравнение (2.10) для одной и той же массы газа, находящейся в двух различных состояниях при одинаковом давлении:

Вычитая из второго уравнения первое, получаем:

R = .

Числитель в полученном выражении представляет собой работу газа в процессе при постоянном давлении. Следовательно, если разность температур равна одному кельвину, а масса газа – одному килограмму, то газовая постоянная есть работа расширения 1 кг газа при увеличении его температуры на 1 кельвин в изобарном процессе.

Дата добавления: 2015-02-16 ; просмотров: 1313 ;

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector