Тепловые двигатели. Термодинамические циклы. Цикл Карно. Тепловой двигатель карно


Тепловые двигатели. Термодинамические циклы. Цикл Карно

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 Q полностью превращается в работу A при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной (ΔU = 0):

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 (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис. 3.11.1). При расширении газ совершает положительную работу A1, равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A2, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A1 + A2 на диаграмме (p, V) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.

Рисунок 3.11.1.

Круговой процесс на диаграмме (p, V). abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия. Работа A в круговом процессе равна площади фигуры abcd

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 Q1 > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q2 < 0. Полное количество теплоты Q, полученное рабочим телом за цикл, равно

Q = Q1 + Q2 = Q1 – |Q2|.

При обходе цикла рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, следовательно, изменение его внутренней энергии равно нулю (ΔU = 0). Согласно первому закону термодинамики,

Отсюда следует:

A = Q = Q1 – |Q2|.

Работа A, совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Отношение работы A к количеству теплоты Q1, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия η тепловой машины:

Модель. Термодинамические циклы.

Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть (1 – η) была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η < 1). Энергетическая схема тепловой машины изображена на рис. 3.11.2.

Рисунок 3.11.2.

Энергетическая схема тепловой машины: 1 – нагреватель; 2 – холодильник; 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс. Q1 > 0, A > 0, Q2 < 0; T1 > T2

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 (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30 %, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Рисунок 3.11.3.

Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (1) и дизельного двигателя (2)

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

Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1–2) газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру T1. Газ изотермически расширяется, совершая работу A12, при этом к газу подводится некоторое количество теплоты Q1 = A12. Далее на адиабатическом участке (2–3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работу A23 > 0. Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения T2. На следующем изотермическом участке (3–4) газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре T2 < T1. Происходит процесс изотермического сжатия. Газ совершает работу A34 < 0 и отдает тепло Q2 < 0, равное произведенной работе A34. Внутренняя энергия газа не изменяется. Наконец, на последнем участке адиабатического сжатия газ вновь помещается в адиабатическую оболочку. При сжатии температура газа повышается до значения T1, газ совершает работу A41 < 0. Полная работа A, совершаемая газом за цикл, равна сумме работ на отдельных участках:

A = A12 + A23 + A34 + A41.

На диаграмме (p, V) 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 ΔU его внутренней энергии. Для 1 моля газа

A = –ΔU = –CV (T2 – T1),

где T1 и T2 – 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 η цикла Карно есть

С. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через температуры нагревателя T1 и холодильника T2:

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:

Модель. Цикл Карно.

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 (p, V) обходятся против часовой стрелки. Энергетическая схема холодильной машины представлена на рис. 3.11.5.

Рисунок 3.11.5.

Энергетическая схема холодильной машины. Q1 < 0, A < 0, Q2 > 0, T1 > T2

Устройство, работающее по холодильному циклу, может иметь двоякое предназначение. Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла |Q2| от охлаждаемых тел (например, от продуктов в камере холодильника), то такое устройство является обычным холодильником. Эффективность работы холодильника можно охарактеризовать отношением

т. е. эффективность работы холодильника – это количество тепла, отбираемого от охлаждаемых тел на 1 джоуль затраченной работы. При таком определении βх может быть и больше, и меньше единицы. Для обращенного цикла Карно

Если полезным эффектом является передача некоторого количества тепла |Q1| нагреваемым телам (например, воздуху в помещении), то такое устройство называется тепловым насосом. Эффективность βТ теплового насоса может быть определена как отношение

т. е. количеством теплоты, передаваемым более теплым телам на 1 джоуль затраченной работы. Из первого закона термодинамики следует:

следовательно, βТ всегда больше единицы. Для обращенного цикла Карно

questions-physics.ru

Тепловой двигатель и его термический КПД. Цикл Карно и теорема Карно.

 

Тепловой двигатель- устройство, в котором осуществляется преобразование внутренней энергии топлива в механическую энергию. Тепловой двигатель содержит три основные части: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Общая блок-схема теплового двигателя представлена на рис. 32.

Чаще всего рабочими телами, совершающими работу в тепловых

двигателях, являются газ или пар. За один цикл работы рабочее тело получает от

нагревателя количество теплоты Q1. Расширяясь, оно совершает работу А` и часть количества теплоты Q2 передает холодильнику: Q1 = А` + Q2. Охладителем у

большинства тепловых двигателей является окружающая среда (атмосфера). Тепло, полученное от нагревателя, рабочее тело не может полностью превратить в механическую энергию путем совершения работы. Если бы Q1 = А`, то тогда температура рабочего тела упала до О К, а это невозможно. Если бы температура рабочего тела оказалась ниже температуры окружающей среды, то давление газа (пара) было бы меньше атмосферного и двигатель не смог бы совершать работу. Коэффициент полезного действия теплового двигателя равен отношению работы А`, совершенной двигателем за один цикл, к количеству теплоты Q1, полученной от нагревателя: Максимальный КПД имеет тепловой двигатель, работающий по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

В 1824 г. С. Карно (1796-1832) доказал теорему: любая реальная тепловая машина,

работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником, имеющим температуру Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины, определяемый соотношением :

Из этой формулы следует, что чем больше разность температур нагревателя и холодильника (т. е. чем дальше в координатах Р-V отстоят друг от друга изотермы), тем больше ηmax.

Но КПД всегда меньше 1 (ηmax < 1), так как Т2 > О.

 

Полезная работа двигателя за цикл равна разности работ расширения и сжатия.

 

Цикл Карно

Цикл Карно представляет собой замкнутый процесс (2 изотермы и 2 адиабаты) и состоит из четырёх стадий:

 

1) Изотермическое расширение, ;

2) Адиабатическое расширение, ;

3) Изотермическое сжатие, ;

4) Адиабатическое сжатие, .

1)КПД двигателя Карно не зависит от свойств рабочего тела, а только от температур

нагревателя(T1) и холодильника(T2)

2) КПД двигателя Карно обладает максимальным значением по сравнению с другими, протекающими в том же диапазоне температур.

Причины не использования

1) сложнейшая конструкция, невозможность выполнения.

2) малость работы (из-за затрат на осуществление цикла)

Цикл Карно является показателем совершенства двигателя.

 

Понятие энтропии.

 

– энтропия. С микрофизической точки зрения энтропия является количественной мерой хаотичности, беспорядочности теплового движения. Увеличение энтропии соответствует уменьшения упорядоченности в расположении микрочастиц и в распределении энергии между ними

Для обратимых процессов и , а для необратимых и .

Энтропия адиабатно замкнутой системы в обратимых процессах остается без изменений, а в необратимых увеличивается. Таким образом, энтропия такой системы никогда не может уменьшаться.

Следует иметь в виду, что энтропия отдельных тел в системе может и уменьшаться, и увеличиваться, и оставаться без изменения под влиянием процессов, происходящих в системе, но общая энтропия замкнутой системы в необратимых процессах может только увеличиваться.

 

cyberpedia.su

67.Тепловой двигатель, принцип работы и принцип карно.

Вечный двигатель второго рода – периодически действующий двигатель, совершающий работу за счёт получения теплоты извне. Принцип работы от термостата с более высокой температурой Т1 называется нагревателем, за цикл отнимается кол-во теплоты Q1, а термостату с более низкой темп. Т2, называемому холодильником, за цикл пере даётся кол-во теплоты Q2, при этом совершается работа:A=Q1-Q2ɳ=A/Q1=1-Q2/Q1Чтобы был ра вен 1, необходимо, чтобы Q2 = 0 (тепловой двига тель должен иметь один источник теплоты). Корно показал, что для работы теплового двигателя необ ходимо не менее 2-х источн. тепла с различным Т.

Термостат – это термодинамическая система, ко торая может обмениваться теплотой с окружающи ми телами без изменения своей температуры.

Теорема Корно: Из всех периодически действую щих тепловых машин, имеющих одинаковую тепло ту нагревателя Т1 и холодильника Т2 наибольшая обладают обратимые машины. При этом обрати мые машины работающие при одинаковых Т1, Т2 раны друг другу, и не зависят от природы рабочего тела.

68.Холодильные машины.

Холодильная машина – это периодически действующая установка, в которой за счёт работы внешних сил, теплота передаётся от менее нагре тых тел к более. Принцип работы: система изоцик ла термостат с более низкой Т2 отнимается кол-во теплоты Q2 и отдаётся термостату с более высокой температурой Т1 количество теплоты Q1. Для кругового процесса:Q=A;Q=Q2-Q1;Q2-Q1= - A

Т.е. кол-во теплоты Q1, отданное системой источнику теплоты при более высокой температуре Т1 больше кол-ва теплоты Q2, полученного от исто чника теплоты с меньшим Т2 на величину работы совершённую над системой. Без совершения ра боты нельзя отбирать тепло от менее нагретого тела к более нагретому. Эффективность холо дильной машины характеризуется холодильным коэффициентом:ɳ=Q2/A=Q2/(Q1-Q2)цикл Карно

69.Цикл. Карно. Работа за цикл и термический кпд цикла Карно.

A12=m/M R T1 lnV2/V1=QA23= -m/M Cv (T2-T1)

A34=m/M R T2 lnV2/V1= -Q2A41= -m/M Cv(T1-T1)= -A2Это наиболее эффективный процесс, состоящий из двух изотерм и двух изобар. На учас тке 1-2 происходит изотермическое расширение, т.е V2>V1, а работа его равна А1-2. Работа за весь цикл:A=A12+A23+A34+A41=Q1-Q2Работа опреде ляется площадью ограничен. рассмат.изотермами и адиобатами.ɳ=(Q1-Q2)/Q1=(T1-T2)/T1Реальные газы. Жидкости.

70.Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия. Критерии различных агрегатных состояний вещества.

Твёрдые тела. Сила и потенциаль ная энергия межмолекулярного взаимодействия при рассмотрении реальных газов, т.е. газов, свойства которых зависят от взаимодействия моле кул, надо учитывать силы межмолекулярного взаи мод. Они короткодействующие и проявляются на расстоянии меньше 10-9ст. м. На расстоянии r = r0 силы притяжения и отталкивания равны. r0 соот ветствует равновесному расстоянию между моле кулами на которых бы они находились в отсутствии теплового движения.При r<r0 преобладают силы отталкивания, при r>r0 преобладают силы притяже ния. Из приведённой потенциальной кривой следу ет, что система из двух взаимодействующих молекул в состоянии устойчивого равновесия (r = r0) обладает минимальной потенциальной энергией. Критерии различных агрегатных состояний вещ-ва:

nmin<<kT(в-во находиться в газообразном состоянии)nmin=kT(в-во в жидком состоянии)

nmin>>kT(в-во в твердом состоянии)

71 Уравнение Ван-дер-Вальса. Учет собственного оъема молекул. Учет притяжения молекул.

Объем одного моля реального газа Vm-b, где b-об ъем занимаемый самими молекулами. b равен учетверенному собственному объему молекул. Де йствие сил притяжения между молекулами газов приводит к появлению дополнительного давления на газ - внутреннее давление. P=a/V2m-внутреннее дав ление обратно пропорционально квадрату моляр ного объема, а-постоянная Ван-дер-Вальса, хара ктеризующая силы молекулярного притяжения. Ур авнение Ван-дер-Вальса (P-a/V2m)*(Vm-b)=RT-для одного моля реального газа; PVm=RT-для одного моля идеального газа. Поправки Ван-дер-Вальса a и b постоянные для каждого газа величины.

72 Изотермы Ван-дер-Вальса и их анализ. Изотермы Ван-дер-Вальса-кривые опре деляющие зависимость давления от молекулярного объема при заданных температурах для одного моль газа. При некоторой температуре Ткрит на изотерме появляются точки перегиба, в них касательная параллельна оси абсцисс. Точка К- критическая. Давление и объем в этой точке называются кри тическими. Изотерма реального газа отличается от изотермы идеального газа только некоторым искажением формы. При низкой температуре изотермы имеют волнообразный участок. Сначала монотонно опускаясь, затем монотонно поднима ясь. При одной Т (Т<Ткрит) одному значению Р может соответствовать три значения объема V1,V2,V3 ,а при Т>Ткрит только одно значение объема. В критической точке К все три корня (объема) совпадают и равны объему при Ткрит. Р(V-Vкрит)3=0.Рассмотрим одну из изотерм. При T<Tкрит На участке 765 при уменьшени объема давление возрастает, аналогично на участ ке 321.На участке 543 объем уменьшается, а дав ление должно увеличиваться. Наличие участка 3-5 означает , что при постепенно изменяемом объ еме вещество не может оставаться виде одноро дной среды. Т.е. в некоторый момент времени происходит распад вещества на две фазы. Т.к. истинная изотерма –ломанная 1-7 , то в состояниях соответствующих кривой 2-6 наблюдается равно весие жидкости и газа. Если через крайние точки горизонтальных участков семейства изотерм про вести линию, то получится колоколообразная кри вая, которая ограничивает область двухфазных со стояний вещества – эта кривая и критическая изо терма делит диаграмму PV под изотермой на три области. Пар- это вещество находящееся в газо образном состоянии при Т<Ткрит. Насыщенный пар- пар находящийся в равновесии со своей жидкос тью. Пар отличается от остальных состояний тем , что при изотермическом сжатии , его можно под вергнуть сжижению. Газ при Т>Ткрит не может быть превращен в жидкость не при каком давлении.

studfiles.net

Тепловой двигатель Карно • ru.knowledgr.com

Тепловой двигатель Карно - двигатель, который воздействует на обратимый цикл Карно. Базовая модель для этого двигателя была развита Николя Леонардом Сади Карно в 1824. На модели двигателя Карно графически подробно остановился Бенуа Поль Эмиль Клайперон в 1834 и математически уточнила Рудольфом Клосиусом в 1857, из которого появилось понятие энтропии.

Каждая термодинамическая система существует в особом государстве. Термодинамический цикл происходит, когда система взята через серию различных государств, и наконец возвращена к его начальному состоянию. В процессе прохождения этого цикла система может выполнить работу над своей средой, таким образом действуя как тепловой двигатель.

Тепловой двигатель действует, передавая энергию от теплой области до прохладной области пространства и, в процессе, преобразовывая часть той энергии к механической работе. Цикл может также быть полностью изменен. Система может работаться на внешней силой, и в процессе, она может передать тепловую энергию от более прохладной системы до более теплой, таким образом действуя как холодильник или тепловой насос, а не тепловой двигатель.

Диаграмма Карно

В смежной диаграмме, от работы Карно 1824 года, Размышлений о Движущей Власти Огня, есть «два тела A и B, держал каждого при постоянной температуре, том из A, являющихся выше, чем тот из B. Эти два тела, которым мы можем дать, или от которого мы можем удалить высокую температуру, не заставляя их температуры изменить, осуществить функции двух неограниченных водохранилищ тепловых. Мы назовем первое печью и вторым холодильник”. Карно тогда объясняет, как мы можем получить движущую власть, т.е., «работа», неся определенное количество высокой температуры от тела к телу B.

Современная диаграмма

Предыдущее изображение показывает оригинальную диаграмму поршня-и-цилиндра, используемую Карно в обсуждении его идеальных двигателей. Данные в праве показывают блок-схему универсального теплового двигателя, такого как двигатель Карно. В диаграмме «рабочий орган» (система), термин, введенный Clausius в 1850, может быть любой жидкостью или телом пара, через которое высокая температура Q может быть введена или передана, чтобы произвести работу. Карно постулировал, что жидкое тело могло быть любым веществом, способным к расширению, такому как пар воды, пар алкоголя, пар ртути, постоянного газа или воздуха, и т.д. Хотя в эти первые годы двигатели прибыли во многие конфигурации, как правило Q поставлялся котлом, в чем вода вышлась из-под контроля печь; Q, как правило, поставлялся потоком холодной плавной воды в форме конденсатора, расположенного на отдельной части двигателя. Работа продукции W вот является движением поршня, поскольку это используется, чтобы повернуть руку заводной рукоятки, которая тогда, как правило, использовалась, чтобы повернуть шкив так, чтобы поднять воду из затопленных соляных шахт. Карно определил работу, поскольку “вес поднялся через высоту”.

Двигатель Карно

Цикл Карно, действуя как тепловой двигатель состоит из следующих шагов:

  1. Обратимое изотермическое расширение газа при «горячей» температуре, T (изотермическое тепловое дополнение или поглощение). Во время этого шага (1 - 2 на рисунке 1, к B в рисунке 2) газу позволяют расшириться, и это действительно работает над средой. Температура газа не изменяется во время процесса, и таким образом расширение - isothermic. Газовое расширение продвигается поглощением тепловой энергии Q и энтропии от водохранилища высокой температуры.
  2. Isentropic (обратимый адиабатный) расширение газа (isentropic производительность работы). Для этого шага (2 - 3 на рисунке 1, B к C в рисунке 2) поршень и цилиндр, как предполагается, тепло изолированы, таким образом они ни получают, ни теряют высокую температуру. Газ продолжает расширяться, делая работу над средой, и теряя эквивалентную сумму внутренней энергии. Газовое расширение заставляет его охлаждаться к «холодной» температуре, T. Энтропия остается неизменной.
  3. Обратимое изотермическое сжатие газа при «холодной» температуре, T. (изотермическое тепловое отклонение) (3 - 4 на рисунке 1, C к D на рисунке 2) Теперь среда действительно работает над газом, заставляя энергию количества тепла Q и энтропии вытекать из газа к низкому температурному водохранилищу. (Это - та же самая сумма энтропии, поглощенной шагом 1.)
  4. Сжатие Isentropic газа (isentropic работают вход). (От 4 до 1 на рисунке 1, D к на рисунке 2), Еще раз поршень и цилиндр, как предполагается, тепло изолированы.

Во время этого шага среда действительно работает над газом, увеличивая его внутреннюю энергию и сжимая его, заставляя температуру повыситься до T. Энтропия остается неизменной. В этом пункте газ находится в том же самом государстве как в начале шага 1.

Теорема Карно

Теорема Карно - формальное заявление этого факта: Никакой двигатель, работающий между двумя тепловыми водохранилищами, не может быть более эффективным, чем двигатель Карно, работающий между теми же самыми водохранилищами.

Эта максимальная производительность определена, чтобы быть:

:

где

: работа, сделанная системой (энергия, выходящая из системы как работа),

: высокая температура, помещенная в систему (тепловая энергия, входящая в систему),

: абсолютная температура холодного водохранилища и

: абсолютная температура горячего водохранилища.

Заключение к теореме Карно заявляет что: Все обратимые двигатели, работающие между теми же самыми тепловыми водохранилищами, одинаково эффективны.

Легко показано, что эффективность максимальна, когда весь циклический процесс - Обратимый процесс. Это означает полную энтропию полной системы, состоящей из этих трех частей: энтропия i) горячей печи, ii) энтропия «рабочей жидкости» Теплового двигателя и iii) энтропия холодного слива, остается постоянным, когда «рабочая жидкость» заканчивает один цикл и возвращается к его исходному состоянию. (В общем случае полная энтропия этой объединенной системы увеличилась бы в общем необратимом процессе).

Так как «рабочая жидкость» возвращается в то же самое государство после одного цикла, и энтропия системы - государственная функция; изменение в энтропии «рабочей жидкой» системы 0. Таким образом это подразумевает, что полное изменение энтропии печи и слива - ноль для процесса, чтобы быть обратимым и эффективность двигателя, чтобы быть максимальным. Это происхождение выполнено в следующей секции.

Коэффициент работы (COP) теплового двигателя - аналог своей эффективности.

Эффективность реальных тепловых двигателей

Для реального теплового двигателя полный термодинамический процесс вообще необратим. Рабочая жидкость возвращена, он - начальное состояние после одного цикла, и таким образом изменение энтропии жидкой системы 0, но сумма изменений энтропии в горячем и холодном водохранилище в этом циклическом процессе больше, чем 0.

Внутренняя энергия жидкости - также параметр состояния, таким образом, это - полное изменение в одном цикле, 0. Так полная работа, сделанная системой, равно высокой температуре, помещенной в систему минус вынутая высокая температура.

:

Для реальных двигателей, разделов 1 и 3 Цикла Карно; в котором тепло поглощено «рабочей жидкостью» от горячего водохранилища и выпущено им к холодному водохранилищу, соответственно; больше не оставайтесь идеально обратимыми, и есть температурный дифференциал между температурой водохранилища и температурой жидкости, в то время как теплообмен имеет место.

Во время теплопередачи от горячего водохранилища в к жидкости у жидкости была бы немного более низкая температура, чем, и процесс для жидкости может не обязательно остаться изотермическим.

Позвольте быть полным изменением энтропии жидкости в процессе потребления высокой температуры.

:

где температура жидкости всегда немного меньше, чем в этом процессе.

Так, мы получили бы

:

Точно так же во время теплопередачи от жидкости до холодного водохранилища, у нас был бы

:

Где во время этого процесса передачи высокой температуры к холодному водохранилищу температура жидкости всегда немного больше, чем.

Мы только рассмотрели величину изменения энтропии здесь. Так как полное изменение энтропии жидкой системы для циклического процесса 0, у нас должен быть

:

Предыдущие три уравнения объединяются, чтобы дать:

:

Уравнения (2) и (7) объединение, чтобы дать

:

Следовательно,

:

где эффективность реального двигателя и эффективность Двигателя Карно, работающего между теми же самыми двумя водохранилищами при температурах и. Следовательно, эффективность реального двигателя всегда - меньше, чем идеал Двигатель Карно.

Уравнение (7) показывает, что полная энтропия полной системы (эти два водохранилища + жидкость) увеличивается для реального двигателя, потому что выгода энтропии холодного водохранилища как потоки в него при фиксированной температуре, больше, чем потеря энтропии горячего водохранилища как листья это в, он фиксировал температуру. Это - по существу заявление теоремы Clausius.

Согласно второй теореме, «Эффективность двигателя Карно независима от природы рабочего вещества».

Примечания

См. также

  • Размышления о движущей власти огня
  • Тепловой двигатель

ru.knowledgr.com

Тепловой двигатель Карно • ru.knowledgr.com

Тепловой двигатель Карно - двигатель, который воздействует на обратимый цикл Карно. Базовая модель для этого двигателя была развита Николя Леонардом Сади Карно в 1824. На модели двигателя Карно графически подробно остановился Бенуа Поль Эмиль Клайперон в 1834 и математически уточнила Рудольфом Клосиусом в 1857, из которого появилось понятие энтропии.

Каждая термодинамическая система существует в особом государстве. Термодинамический цикл происходит, когда система взята через серию различных государств, и наконец возвращена к его начальному состоянию. В процессе прохождения этого цикла система может выполнить работу над своей средой, таким образом действуя как тепловой двигатель.

Тепловой двигатель действует, передавая энергию от теплой области до прохладной области пространства и, в процессе, преобразовывая часть той энергии к механической работе. Цикл может также быть полностью изменен. Система может работаться на внешней силой, и в процессе, она может передать тепловую энергию от более прохладной системы до более теплой, таким образом действуя как холодильник или тепловой насос, а не тепловой двигатель.

Диаграмма Карно

В смежной диаграмме, от работы Карно 1824 года, Размышлений о Движущей Власти Огня, есть «два тела A и B, держал каждого при постоянной температуре, том из A, являющихся выше, чем тот из B. Эти два тела, которым мы можем дать, или от которого мы можем удалить высокую температуру, не заставляя их температуры изменить, осуществить функции двух неограниченных водохранилищ тепловых. Мы назовем первое печью и вторым холодильник”. Карно тогда объясняет, как мы можем получить движущую власть, т.е., «работа», неся определенное количество высокой температуры от тела к телу B.

Современная диаграмма

Предыдущее изображение показывает оригинальную диаграмму поршня-и-цилиндра, используемую Карно в обсуждении его идеальных двигателей. Данные в праве показывают блок-схему универсального теплового двигателя, такого как двигатель Карно. В диаграмме «рабочий орган» (система), термин, введенный Clausius в 1850, может быть любой жидкостью или телом пара, через которое высокая температура Q может быть введена или передана, чтобы произвести работу. Карно постулировал, что жидкое тело могло быть любым веществом, способным к расширению, такому как пар воды, пар алкоголя, пар ртути, постоянного газа или воздуха, и т.д. Хотя в эти первые годы двигатели прибыли во многие конфигурации, как правило Q поставлялся котлом, в чем вода вышлась из-под контроля печь; Q, как правило, поставлялся потоком холодной плавной воды в форме конденсатора, расположенного на отдельной части двигателя. Работа продукции W вот является движением поршня, поскольку это используется, чтобы повернуть руку заводной рукоятки, которая тогда, как правило, использовалась, чтобы повернуть шкив так, чтобы поднять воду из затопленных соляных шахт. Карно определил работу, поскольку “вес поднялся через высоту”.

Двигатель Карно

Цикл Карно, действуя как тепловой двигатель состоит из следующих шагов:

  1. Обратимое изотермическое расширение газа при «горячей» температуре, T (изотермическое тепловое дополнение или поглощение). Во время этого шага (1 - 2 на рисунке 1, к B в рисунке 2) газу позволяют расшириться, и это действительно работает над средой. Температура газа не изменяется во время процесса, и таким образом расширение - isothermic. Газовое расширение продвигается поглощением тепловой энергии Q и энтропии от водохранилища высокой температуры.
  2. Isentropic (обратимый адиабатный) расширение газа (isentropic производительность работы). Для этого шага (2 - 3 на рисунке 1, B к C в рисунке 2) поршень и цилиндр, как предполагается, тепло изолированы, таким образом они ни получают, ни теряют высокую температуру. Газ продолжает расширяться, делая работу над средой, и теряя эквивалентную сумму внутренней энергии. Газовое расширение заставляет его охлаждаться к «холодной» температуре, T. Энтропия остается неизменной.
  3. Обратимое изотермическое сжатие газа при «холодной» температуре, T. (изотермическое тепловое отклонение) (3 - 4 на рисунке 1, C к D на рисунке 2) Теперь среда действительно работает над газом, заставляя энергию количества тепла Q и энтропии вытекать из газа к низкому температурному водохранилищу. (Это - та же самая сумма энтропии, поглощенной шагом 1.)
  4. Сжатие Isentropic газа (isentropic работают вход). (От 4 до 1 на рисунке 1, D к на рисунке 2), Еще раз поршень и цилиндр, как предполагается, тепло изолированы.

Во время этого шага среда действительно работает над газом, увеличивая его внутреннюю энергию и сжимая его, заставляя температуру повыситься до T. Энтропия остается неизменной. В этом пункте газ находится в том же самом государстве как в начале шага 1.

Теорема Карно

Теорема Карно - формальное заявление этого факта: Никакой двигатель, работающий между двумя тепловыми водохранилищами, не может быть более эффективным, чем двигатель Карно, работающий между теми же самыми водохранилищами.

Эта максимальная производительность определена, чтобы быть:

:

где

: работа, сделанная системой (энергия, выходящая из системы как работа),

: высокая температура, помещенная в систему (тепловая энергия, входящая в систему),

: абсолютная температура холодного водохранилища и

: абсолютная температура горячего водохранилища.

Заключение к теореме Карно заявляет что: Все обратимые двигатели, работающие между теми же самыми тепловыми водохранилищами, одинаково эффективны.

Легко показано, что эффективность максимальна, когда весь циклический процесс - Обратимый процесс. Это означает полную энтропию полной системы, состоящей из этих трех частей: энтропия i) горячей печи, ii) энтропия «рабочей жидкости» Теплового двигателя и iii) энтропия холодного слива, остается постоянным, когда «рабочая жидкость» заканчивает один цикл и возвращается к его исходному состоянию. (В общем случае полная энтропия этой объединенной системы увеличилась бы в общем необратимом процессе).

Так как «рабочая жидкость» возвращается в то же самое государство после одного цикла, и энтропия системы - государственная функция; изменение в энтропии «рабочей жидкой» системы 0. Таким образом это подразумевает, что полное изменение энтропии печи и слива - ноль для процесса, чтобы быть обратимым и эффективность двигателя, чтобы быть максимальным. Это происхождение выполнено в следующей секции.

Коэффициент работы (COP) теплового двигателя - аналог своей эффективности.

Эффективность реальных тепловых двигателей

Для реального теплового двигателя полный термодинамический процесс вообще необратим. Рабочая жидкость возвращена, он - начальное состояние после одного цикла, и таким образом изменение энтропии жидкой системы 0, но сумма изменений энтропии в горячем и холодном водохранилище в этом циклическом процессе больше, чем 0.

Внутренняя энергия жидкости - также параметр состояния, таким образом, это - полное изменение в одном цикле, 0. Так полная работа, сделанная системой, равно высокой температуре, помещенной в систему минус вынутая высокая температура.

:

Для реальных двигателей, разделов 1 и 3 Цикла Карно; в котором тепло поглощено «рабочей жидкостью» от горячего водохранилища и выпущено им к холодному водохранилищу, соответственно; больше не оставайтесь идеально обратимыми, и есть температурный дифференциал между температурой водохранилища и температурой жидкости, в то время как теплообмен имеет место.

Во время теплопередачи от горячего водохранилища в к жидкости у жидкости была бы немного более низкая температура, чем, и процесс для жидкости может не обязательно остаться изотермическим.

Позвольте быть полным изменением энтропии жидкости в процессе потребления высокой температуры.

:

где температура жидкости всегда немного меньше, чем в этом процессе.

Так, мы получили бы

:

Точно так же во время теплопередачи от жидкости до холодного водохранилища, у нас был бы

:

Где во время этого процесса передачи высокой температуры к холодному водохранилищу температура жидкости всегда немного больше, чем.

Мы только рассмотрели величину изменения энтропии здесь. Так как полное изменение энтропии жидкой системы для циклического процесса 0, у нас должен быть

:

Предыдущие три уравнения объединяются, чтобы дать:

:

Уравнения (2) и (7) объединение, чтобы дать

:

Следовательно,

:

где эффективность реального двигателя и эффективность Двигателя Карно, работающего между теми же самыми двумя водохранилищами при температурах и. Следовательно, эффективность реального двигателя всегда - меньше, чем идеал Двигатель Карно.

Уравнение (7) показывает, что полная энтропия полной системы (эти два водохранилища + жидкость) увеличивается для реального двигателя, потому что выгода энтропии холодного водохранилища как потоки в него при фиксированной температуре, больше, чем потеря энтропии горячего водохранилища как листья это в, он фиксировал температуру. Это - по существу заявление теоремы Clausius.

Согласно второй теореме, «Эффективность двигателя Карно независима от природы рабочего вещества».

Примечания

См. также

  • Размышления о движущей власти огня
  • Тепловой двигатель

ru.knowledgr.com

Тепловые машины. Цикл Карно [wiki.eduVdom.com]

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: $$\eta = \frac{A}{Q_{1}}=\frac{Q_{1}-|Q_{2}|}{Q_{1}} = 1 - \frac{|Q_{2}|}{Q_{1}}$$

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 2-3 3-4 4-1
Изотерма $T=T_{1}$ $dQ_{1}$ (нагревание) $V\Uparrow$ От нагревателя поступает теплота $dQ_{1}$ (или $Q_{H}$), газ под поршнем изотермически расширяется.В начале процесса рабочее тело (газ) имеет температуру температуру нагревателя ($T_{H}$ или $T_{1}$). Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты $Q_{H}$ (или $Q_{1}$). При этом объём рабочего тела увеличивается, оно совершает механическую работу, а его энтропия возрастает.
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 ($T_{X}$ или $T_{2}$), тело совершает механическую работу, а энтропия остаётся постоянной.
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 ($T_{X}$ или $T_{2}$), приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты $Q_{X}$ (или $Q_{2}$). Над телом совершается работа, его энтропия уменьшается.
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 ($T_{H}$ 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). $$\eta_{real}<\eta_{ideal}=\frac{T_{1}-T_{2}}{T_{1}}=1-\frac{T_{2}}{T_{1}}$$

Из формулы видно, что КПД двигателей растёт с увеличением температуры нагревателя и с уменьшением температуры холодильника.

Если бы температура холодильника была равна абсолютному нулю, то КПД был бы равен 100%. В современных двигателях обычно КПД увеличивают за счёт повышения температуры нагревателя.

Реальный КПД тепловых машин порядка 30-40%, в то время как теоретически можно получить 60-80%, при тех же условиях.

Обратный цикл Карно

В термодинамике холодильных установок и тепловых насосов рассматривают обратный цикл Карно. При этом рабочим телом являются пары легкокипящих жидкостей – фенол, аммиак и т.п. Процесс перекачки теплоты от тел, помещенных в холодильную камеру, в окружающую среду происходит за счет затрат электроэнергии.

Обратный цикл Карно. В обратном цикле Карно те же процессы происходят в обратной последовательности. Исходное состояние рабочего тела теперь — точка 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.

Задачи

subjects/physics/тепловые_машины.txt · Последние изменения: 2018/04/11 23:05 — ¶

wiki.eduvdom.com

Тепловые двигатели. Холодильные машины. Цикл Карно и его КПД

ГОУ ВПО

АМУРСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТАФИЛИАЛ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯВ г. СВОБОДНОМ

Кафедра «Физика»

Реферат по теме:

«Тепловые двигатели. Холодильные машины. Цикл Карно и его КПД»

Выполнила: студентка I курса

Плюйко Марина

Группа: ИЭ

Проверил: Кравцова Н. А.

г. Свободный 2010

План

  1. Тепловые двигатели

    1. Циклы теплового двигателя

    2. КПД теплового двигателя

    3. Круговые процессы

  2. Цикл Карно

    1. КПД цикла

    2. Холодильные Машины

Содержание

Введение

  1. Тепловые двигатели

    1. Циклы теплового двигателя

    2. КПД теплового двигателя

    3. Круговые процессы

  2. Цикл Карно

    1. КПД цикла

    2. Холодильные Машины

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Ещё в давние времена люди старались использовать энергию топлива для превращения её в механическую. В XVII в. был изобретён тепловой двигатель, который в последующие годы был усовершенствован, но идея осталась той же. Во всех двигателях энергия топлива переходит сначала в энергию газа или пара, а газ (пар) расширяясь, совершает работу и охлаждается, а часть его внутренней энергии при этом превращается в механическую энергию. К сожалению, коэффициент полезного действия не высок.

Двигатель тепловой - это машина для преобразования тепловой энергии в механическую работу. В тепловом двигателе происходит расширение газа, который давит на поршень, заставляя его перемещаться, или на лопатки колеса турбины, сообщая ему вращение. Примерами поршневых двигателей являются паровые машины и двигатели внутреннего сгорания (карбюраторные и дизельные). Турбины двигателей бывают газовые (например, в авиационных турбореактивных двигателях) и паровые.

К тепловым двигателям относятся: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Их топливом является твёрдое и жидкое топливо, солнечная и атомная энергии.

Во всех типах таких двигателей непрерывное или периодически повторяющееся получение работы возможно только в том случае, когда совершающая работу машина не только получает тепло от какого-то тела (нагревателя), но и отдает часть тепла другому телу (охладителю).

В поршневых тепловых двигателях горячий газ расширяется в цилиндре, перемещая поршень, и тем самым совершает механическую работу. Для превращения прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала обычно используется кривошипно-шатунный механизм.

В двигателях внешнего сгорания (например, в паровых машинах) рабочее тело нагревают за счет сжигания топлива вне двигателя и подают в цилиндр газ (пар) под высокими температурой и давлением. Газ, расширяясь и перемещая поршень, охлаждается, а давление его падает до близкого к атмосферному. Этот отработанный газ удаляется из цилиндра, а затем в него подается новая порция газа – либо после возврата поршня в исходное положение (в двигателях одинарного действия – с односторонним впуском), либо с обратной стороны поршня (в двигателях двойного действия). В последнем случае поршень возвращается в исходное положение под действием расширяющейся новой порции газа, а в двигателях одинарного действия поршень возвращается в исходное положение маховиком, установленным на валу кривошипа. В двигателях двойного действия на каждый оборот вала приходится два рабочих хода, а в двигателях одинарного действия – только один; поэтому первые двигатели в два раза мощнее при одинаковых габаритах и скоростях.

В двигателях внутреннего сгорания горячий газ, который перемещает поршень, получают за счет сжигания смеси топлива и воздуха непосредственно в цилиндре.

Для подвода свежих порций рабочего тела и выпуска отработанного газа в двигателях применяется система клапанов. Подвод и выпуск газа производятся при строго определенных положениях поршня, что обеспечивается специальным механизмом, который управляет работой впускных и выпускных клапанов.

Теоретически любой газ можно использовать в качестве рабочего тела такого двигателя, однако на практике используется только пар, поскольку он может запасти больше энергии, чем какое-либо иное столь же доступное рабочее тело. Если в качестве рабочего тела применить воздух, то для получения той же мощности его придется разогреть до более высокой температуры. А для этого потребуется более сложный нагреватель, чем паровой котел, и более надежная теплоизоляция всех элементов системы.

В двигателях внутреннего сгорания источником тепла является химическая энергия топлива, а его сгорание происходит внутри двигателя. Поэтому для таких двигателей не требуется котел или какой-то другой внешний нагреватель. Рабочим телом теоретически могут служить многие горючие вещества, однако практически все современные двигатели такого рода работают на бензине или дизельном топливе.

Цель данной работы – рассмотреть тепловые двигатели, Цикл Карно.

Для реализации данной цели в реферате предстоит решить следующие задачи:

- изучить понятие и общие положения о тепловых двигателях;

- рассмотреть коэффициент полезного действия теплового двигателя;

- рассмотреть принцип работы Цикла Карно и его КПД.

Цель и задачи работы обусловили выбор ее структуры. Работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка использованной литературы.

  1. Тепловые двигатели

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 Q полностью превращается в работу Aпри изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной (ΔU = 0): 

A = Q.

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

    1. Циклы теплового двигателя

Рабочий цикл любого двигателя внутреннего сгорания имеет четыре стадии: топливовоздушная смесь подается в цилиндр, затем она сжимается, сжигается, и, наконец, отработанные газы удаляются из цилиндра. После этого новый цикл начинается с подачи свежей порции смеси топлива и воздуха. В дизельных двигателях топливо и воздух подаются в рабочий цилиндр раздельно, но в остальном цикл тот же. Существуют два основных цикла работы двигателей: четырехтактный (в котором при каждом ходе поршня вверх или вниз выполняется одна из стадий) и двухтактный (в котором при каждом ходе выполняются две стадии).

Четырехтактный цикл. В четырехтактном цикле впускной клапан открывается, когда поршень находится в верхней точке цилиндра, и свежая порция топлива и воздуха засасывается в цилиндр поршнем, опускающимся вниз и создающим разрежение. Когда поршень достигает нижней точки, впускной клапан закрывается, а поршень, двигаясь вверх, сжимает смесь. Когда поршень достигает верхней точки, смесь воспламеняется, и образующиеся горячие газы, расширяясь, толкают поршень вниз. Когда поршень оказывается в нижней точке, открывается выпускной клапан, а на следующем такте поднимающийся поршень выталкивает отработанные газы, освобождая цилиндр для новой порции топливовоздушной смеси. Весь процесс совершается за четыре хода поршня (вверх или вниз), т.е. за два оборота коленчатого вала. Во время рабочего хода маховик запасает энергию, чтобы поршень мог совершить три других хода до следующего рабочего. Первый двигатель с этим циклом построил в 1876 в ГерманииН. Отто.

Двухтактный цикл. В двухтактном цикле свежая порция топливной смеси подается в цилиндр, когда поршень находится в нижней точке; затем смесь сжимается при движении поршня вверх и воспламеняется в конце хода сжатия, как и в четырехтактном цикле. В конце рабочего хода вниз отработанные газы выталкиваются из цилиндра свежей порцией смеси. Таким образом, в двухтактном цикле на каждом обороте вала совершается рабочий ход. Когда при ходе сжатия поршень поднимается, вследствие создающегося под ним разрежения в картер засасывается очередная порция топливной смеси. Во время рабочего хода эта смесь сжимается, пока клапаны не откроют доступ свежей смеси в рабочий цилиндр, а отработанным газам – в атмосферу. Можно обойтись и без клапанов, если правильно рассчитать форму поршня и расположение впускных и выпускных отверстий.

    1. КПД теплового двигателя

Назначение теплового двигателя — производить механическую работу. Но только часть теплоты, полученной двигателем, затрачивается на совершение работы. Отношение механической работы, совершаемой двигателем, к израсходованной энергии называется коэффициентом полезного действия двигателя (к. п. д.).

Рассмотрим вопрос об учете энергии, расходуемой в двигателе. Обычно это энергия смеси: топливо — кислород воздуха. Ее легко оценить, если известны количество топлива и его удельная теплота сгорания, т. е. количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива. Удельную теплоту сгорания различных сортов топлива определяют, сжигая небольшую порцию топлива в закрытом сосуде, помещенном в калориметр.

    1. Круговые процессы

Круговые процессы изображаются на диаграмме (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис. 3.11.1). При расширении газ совершает положительную работу A1, равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A2, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A1 + A2 на диаграмме (p, V) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.

Рисунок 3.11.1.

Круговой процесс на диаграмме (p, V). abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия. Работа Aв круговом процессе равна площади фигуры abcd

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 Q1 > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q2 Q, полученное рабочим телом за цикл, равно 

Q = Q1 + Q2 = Q1 – |Q2|.

При обходе цикла рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, следовательно, изменение его внутренней энергии равно нулю (ΔU = 0). Согласно первому закону термодинамики, 

ΔU = Q – A = 0

Отсюда следует: 

A = Q = Q1 – |Q2|.

Работа A, совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Отношение работы A к количеству теплоты Q1, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия η тепловой машины: 

Модель. Термодинамические циклы.

Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть (1 – η) была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η 

Рисунок 3.11.2.

Энергетическая схема тепловой машины: 1 – нагреватель; 2 – холодильник;3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс. Q1 > 0, A > 0, Q2 T1 > T

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 (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30 %, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Рисунок 3.11.3.

Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (1) и дизельного двигателя (2)

  1. Цикл Карно

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

Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1–2) газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру T1. Газ изотермически расширяется, совершая работу A12, при этом к газу подводится некоторое количество теплоты Q1 = A12. Далее на адиабатическом участке (2–3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работу A23 > 0. Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения T2. На следующем изотермическом участке (3–4) газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре T2 T1. Происходит процесс изотермического сжатия. Газ совершает работу A34 Q2 A34. Внутренняя энергия газа не изменяется. Наконец, на последнем участке адиабатического сжатия газ вновь помещается в адиабатическую оболочку. При сжатии температура газа повышается до значения T1, газ совершает работу A41 A, совершаемая газом за цикл, равна сумме работ на отдельных участках: 

A = A12 + A23 + A34 + A41

На диаграмме (p, V) 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 ΔU его внутренней энергии. Для одного моля газа 

A = –ΔU = –CV (T2 – T1),

где T1 и T2 – начальная и конечная температуры газа.

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

A23 = –A41

По определению, коэффициент полезного действия η цикла Карно есть 

    1. КПД цикла

С. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через температуры нагревателя T1 и холодильника T2: 

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 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: 

ηКарно = ηmax

Модель. Цикл Карно

    1. Холодильные машины

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 (p, V) обходятся против часовой стрелки.

Энергетическая схема холодильной машины представлена на рис. 3.11.5.

Рисунок 3.11.5.

Энергетическая схема холодильной машины.

Q1 A Q2 > 0, T1 > T2

Устройство, работающее по холодильному циклу, может иметь двоякое предназначение. Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла |Q2| от охлаждаемых тел (например, от продуктов в камере холодильника), то такое устройство является обычным холодильником. Эффективность работы холодильника можно охарактеризовать отношением 

т. е. эффективность работы холодильника – это количество тепла, отбираемого от охлаждаемых тел на 1 джоуль затраченной работы. При таком определении βх может быть и больше, и меньше единицы. Для обращенного цикла Карно 

Если полезным эффектом является передача некоторого количества тепла |Q1| нагреваемым телам (например, воздуху в помещении), то такое устройство называется тепловым насосом. Эффективность βТ теплового насоса может быть определена как отношение 

т. е. количеством теплоты, передаваемым более теплым телам на 1 джоуль затраченной работы. Из первого закона термодинамики следует: 

|Q1| > |A|,

Следовательно, βТ всегда больше единицы. Для обращенного цикла Карно 

Заключение

Итак, машины, производящие механическую работу в результате обмена теплотой с окружающими телами, называются тепловыми двигателями. В большинстве таких машин нагревание получается при сгорании топлива, благодаря чему нагреватель получает достаточно высокую температуру. В этих случаях работа совершается за счет использования внутренней энергии смеси топлива с кислородом воздуха. Кроме того, существуют машины, в которых нагревание производится Солнцем, а также проекты машин, использующих разности температур морской воды. Однако пока ни те, ни другие не имеют заметного практического значения. В настоящее время эксплуатируются также тепловые машины, использующие теплоту, выделяющуюся в реакторе, где происходит расщепление и преобразование атомных ядер.

К тепловым двигателям относятся: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Их топливом является твёрдое и жидкое топливо, солнечная и атомная энергии.

В наше время чаще встречается автомобильный транспорт, который работает на тепловом двигателе внутреннего сгорания, работающем на жидком топливе. Рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня, за четыре такта.

Для усиления мощности и лучшей системы обеспеченности равномерности вращения вала, используют 4,8 и более цилиндровых двигателей. Особенно мощные двигатели на теплоходах, тепловозах. Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока.

Тепловые двигатели - паровые турбины - устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном - поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном - ДВС и паровые турбины; на железнодорожном - тепловозы с дизельными установками; в авиации - поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта.

Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов. Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается. Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. В третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. А автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу две-три тонны - свинца.

Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды - использованием в автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей дизелей, в топливо которых не добавляют соединения свинца. Перспективными являются разработки автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей применяются электродвигатели или двигатели, использующие в качестве топлива водород.

Список использованной литературы

  1. www.edu.yar.ru

  2. www.wikipedia.org

  3. www.physics.ru

  4. Курс физики: Учеб. Пособие для вузов/А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – 4-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2002.-718с.:ил.

  5. Большая Советская Энциклопедия (в 30 томах). Гл.ред. А. М. Прохоров. Изд. 3-е. М., «Советская Энциклопедия».1976. Т. 25 – Струнино – Тихорецк. 1976. 600с. с ил. 27 л. ил., 3 л. карт.

  6. Большая Советская Энциклопедия (в 30 томах). Гл.ред. А. М. Прохоров. Изд. 3-е. М., «Советская Энциклопедия».1973. Т. 11 Италия – Кваркуш. 1973. 608 с. с ил. 27 л. ил., 12 л. карт., 1 карта вкладка

doc4web.ru