December 05 2016 16:35:50
School Nogma
Навигация
 
Авторизация
Логин

Пароль



Вы не зарегистрированы?
Нажмите здесь для регистрации .

Забыли пароль?
Запросите новый здесь.
 
Тепловые машины
Начала термодинамики
  1. Назначение тепловых машин. Основные элементы тепловых машин циклического действия.

  2. Круговой термодинамический процесс (цикл). Цикл Карно.

  3. Идеальная тепловая машина, работающая по циклу Карно. Максимальный к.п.д. теплового двигателя.

  4. Термодинамическая шкала температур. Равенство абсолютной и термодинамической температур.

  5. Холодильные машины (тепловые насосы).

  6. Динамическое отопление.

  7. Магнитогидродинамические генераторы.

  8. Солнечное излучение.


К тепловым машинам относятся машины, в работе которых используется энергия теплового движения вещества или электромагнитного поля. Тепловые машины делятся на тепловые двигатели, преобразующие энергию хаотического теплового движения частиц вещества или электромагнитного поля в энергию  регулярного механического движения макроскопических систем, и холодильные машины, обеспечивающие перенос теплоты от систем с меньшей температурой к системам с большей температурой. Как известно, в природе наблюдается самопроизвольный перенос теплоты только от систем с большей температурой к системам с меньшей температурой, что ведет к выравниваю температур этих систем.

Принципиальные вопросы создания тепловых машин циклического (периодического) действия были впервые поставлены и решены французским инженером и ученым С. Карно (1796 – 1832) в его работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», опубликованной в 1824г. и насчитывающей всего 45 страниц. Концептуальный стиль мышления Карно, который рассматривал процессы в тепловой машине с самых общих позиций на основе взаимосвязи механического и теплового движений, не был понят сразу даже такими  крупными учеными как Лаплас, Фурье, Ампер, Араго, Гей-Люссак и др.  Работа Карно получила общее признание лишь через 10 лет после публикации в 1834 г. статьи Э. Клапейрона, где идеи Карно были изложены в доступной математической форме с использованием наглядной графики, иллюстрирующей термодинамические процессы.

Отвлекаясь от конструкций и деталей используемых тепловых машин, Карно выделил три принципиально важных элемента любой тепловой машины циклического действия: 1) нагреватель с температурой Т1, служащий резервуаром для используемой  тепловой энергии, 2) холодильник с температурой Т2< Т1, который также является резервуаром тепловой энергии и используется для сброса теплоты при работе двигателя, 3) рабочее тело, которое в процессе совершения цикла выполняет механическую работу.

Цикл – это термодинамический круговой процесс, где конечное состояние системы совпадает с ее начальным состоянием. На диаграммах термодинамических процессов, где в качестве переменных может использоваться любая пара термодинамических величин и  каждая точка плоскости обозначает некоторое равновесное состояние, цикл описывается замкнутой кривой. В дальнейшем предполагается, что потери энергии отсутствуют, все процессы цикла являются обратимыми, а нагреватель, холодильник и рабочее тело находятся только в равновесных состояниях. При этих условиях эффективность тепловых машин наибольшая.

В течение цикла рабочее тело теплового двигателя получает от нагревателя количество теплоты Q1, совершает работу А и отдает некоторое количество теплоты Q2 <  Q1 холодильнику. Все процессы совершаются квазистатически, что обеспечивает их обратимость. Если отсутствуют потери энергии, связанные с трением и теплоотдачей во внешнюю среду (идеальная тепловая машина), согласно первому началу термодинамики

Q1 = А + Q2.                    (3.1)

Поскольку рабочее тело возвращается в начальное состояние, то полное изменение его внутренней энергии за цикл

img088.                     (3.2)

По определению коэффициент полезного действия теплового двигателя

img089.                    (3.3)

Величина к.п.д. η зависит от цикла рабочего тела. Карно предложил цикл, впоследствии названный его именем – цикл Карно, который обеспечивает максимальную величину к.п.д., если заданы максимальная температура нагревателя и минимальная температура холодильника. Однако практически реализовать цикл Карно не представляется возможным, поэтому он используется лишь в теоретических исследованиях. В реальных тепловых двигателях  нашли применение другие циклы, включая цикл Отто (карбюраторные двигатели внутреннего сгорания), цикл Дизеля (дизельные двигатели), цикл Клаузиуса – Ранкина (жидкостные ракетные двигатели) и т.д.

Законы термодинамики не зависят от физической природы рабочего тела, поэтому для нахождения к.п.д. теплового двигателя, работающего по циклу Карно, в качестве рабочего тела проще всего использовать идеальный газ. Цикл Карно для идеального газа изображен на диаграмме VP (рис.3.1). Этот цикл 12341 состоит из изотермы 12 при температуре нагревателя Т1, адиабаты 23, где теплоизолированный  газ расширяется, изотермы 34 при температуре холодильника Т2 и адиабаты 41, где теплоизолированный газ сжимается и возвращается в начальное равновесное состояние 1. На участке изотермы 12 газ получает от нагревателя количество теплоты img090, а на участке изотермы 34 газ отдает холодильнику количество теплоты img091.

img092

Рис. 3.1

Комментарии
Нет комментариев.
Добавить комментарий
Пожалуйста, залогиньтесь для добавления комментария.
Рейтинги
Рейтинг доступен только для пользователей.

Пожалуйста, авторизуйтесьили зарегистрируйтесь для голосования.

Нет данных для оценки.

Время загрузки: 0.07 секунд 4,195,159 уникальных посетителей