Būtinos sąlygos šilumos varikliams veikti

Termodinamikos kūrimą ir plėtrą lėmė, visų pirma, poreikis aprašyti darbą ir apskaičiuoti parametrus šiluminės mašinos . šiluminės mašinos, arba šiluminiai varikliai, skirti techniniam (naudingam) darbui gauti dėl šilumos, išsiskiriančios dėl cheminių reakcijų (kuro degimo), branduolinių reakcijų ar dėl kitų priežasčių, pavyzdžiui, šildymo saulės energija.

Atsižvelgus į pagrindinius šilumos variklių veikimo principus, nepaisant jų konstrukcijos, darytina išvada, kad nuolatinis šiluminės energijos pavertimas mechaninis darbas atlikta jose su pagalba pagalbinis korpusas , vadinamas termodinamika darbinis kūnas . Kaip minėta anksčiau, tinkamiausios kaip darbo įstaigos jų fizines savybes yra skysčių dujos ir garai, nes jiems būdingas didžiausias gebėjimas keisti savo tūrį keičiantis R Ir T .

Be to, šių mašinų veikimas įmanomas tik tuo atveju, jei įvykdomos dvi būtinos sąlygos. Pirma sąlyga ar tai bet koks šilumos variklis turi veikti cikliškai, tai yra darbinis kūnas, per tam tikrą laiką atlikdamas eilę plėtimosi ir susitraukimo procesų, turi grįžti į pradinę būseną. Šis ciklas turi būti kartojamas per visą mašinos veikimo laikotarpį ir, priklausomai nuo šilumos variklio konstrukcijos, atskiros ciklo dalys gali būti atliekamos skirtingose ​​jo dalyse. sudedamosios dalys. Jei nėra ciklo, pavyzdžiui, bet kuriame procese tik dujų plėtimosi darbo kameroje (variklio cilindre) vidaus degimas, atitinkamai šilumos variklio garo ir dujų turbinų darbinių menčių kanalai, ateis momentas, kai R Ir T darbinis skystis taps lygus R Ir T aplinką, ir tai nustos dirbti. Tokiu atveju galite gauti tik ribotą darbo kiekį. Norint vėl gauti darbą, suspaudimo proceso metu reikia grąžinti darbinį skystį į pradinę būseną arba kažkaip pašalinti panaudotą darbinį skystį iš darbo kameros ir užpildyti šią kamerą nauja šio korpuso dalimi. Šilumos variklio veikimo termodinaminės analizės požiūriu visiškai nebūtina nagrinėti naujų darbinio skysčio dalių, nes šiluminės energijos pavertimo mechaniniu darbu procesui nesvarbu, ar senas darbinis skystis lieka darbo kameroje arba įvedamas naujas. Todėl galima daryti prielaidą, kad šiluminio variklio cilindre yra toks pat darbinio skysčio kiekis, kuris, cikliškai pereidamas per eilę savo būsenos pokyčių nuo pradinės iki galutinės ir atvirkščiai, šiluminę energiją paverčia mechaniniu darbu.

v

P

v2

v1

R 1

R 2

q 1

2 k

6.6.1 pav. Šilumos variklio ciklas

Apsvarstykite apvalų šilumos variklio ciklą, parodytą paveikslėlyje. Išplečiant darbinį skystį išilgai linijos 1-3-2 į jį iš šiluminės energijos šaltinio su temperatūra T 1 , y., nuo karšto šilumos šaltinio , šiluma tiekiama kiekiu q 1 . Dėl to papildomai padidėja darbinio skysčio tūris. Taigi darbinio skysčio išsiplėtimas vykdomas tiek mažinant slėgį darbo kameroje, tiek didinant jo temperatūrą. Tačiau norint gauti mechaninį darbą, šildomo darbinio skysčio išsiplėtimo procesas darbo kameroje turi būti atliekamas esant tam tikram priešslėgiui iš darbinės kameros judančių paviršių pusės. Dėl to gaunamas teigiamas specifinis mechaninis darbas l 1 , o būtent darbinio korpuso išplėtimo darbas, prilygsta plotui S 1-3-2-6-5-1 . Pasiekus tašką 2, darbinis skystis turi būti grąžintas į pradinę būseną, tai yra į tašką 1. Norėdami tai padaryti, turite suspausti darbinį skystį.

Kad šilumos variklis nuolat gamintų mechaninę energiją, turi būti darbinio skysčio plėtimosi darbas daugiau darbo jo suspaudimas. Taigi suspaudimo kreivė 2-4-1 turi būti žemiau plėtimosi kreivės. Jei suspaudimo procesas vyksta išilgai linijos 2-3-1 , tada joks techninis, tai yra naudingas, darbas nebus gautas, nes tokiu atveju jis bus l 1 = l 2 , Kur l 2 yra neigiamas specifinis darbinio skysčio suspaudimo darbas. Todėl, norint gauti naudingą darbą, plėtimosi proceso metu reikia sumažinti darbinio skysčio slėgį, nes iš jo pašalinama dalis šilumos. q 2 prie žemesnės temperatūros šilumos šaltinio T 2 , y., prie šalto šilumos šaltinio . Atitinkamai, l 2 atitinka plotą S 2-4-1-5-6-2 . Dėl to kiekvienas darbinio skysčio kilogramas sukuria vieną ciklą naudingo darbo l c, kuris atitinka plotą S 1-3-2-4-1 , apribotas ciklo kontūro. Taigi už nuolatinis darbasšilumos varikliui reikalingas ciklinis procesas, kurio metu šiluma darbiniam skysčiui tiekiama iš karšto šaltinio q 1 ir pašalinamas iš jo į šaltą šilumos šaltinį q 2 . Bent dviejų skirtingų temperatūrų šilumos šaltinių – karšto ir šalto – buvimas yra antra būtina šiluminių variklių veikimo sąlyga. .

Be galo svarbu pabrėžti, kad viskas šilta q 1 darbinis skystis, gautas iš karšto šaltinio, negali būti paverstas darbu. dalis q 1 , tai yra q 2 , būtinai turi būti duotas kitam kūnui (kūnams), kurių temperatūra žemesnė. Toks kūnas gali būti atmosferos oras, didelis tūris vandens ir panašiai. Daugybė bandymų sukurti šilumos variklį, kuriame viskas būtų šilta q 1 virstų darbu, tai būtų lygybė q 2 = 0, neišvengiamai baigėsi nesėkme. Buvo iškviesta tokia mašina, galinti visą jai tiekiamą šilumą paversti darbu antrojo tipo amžinasis variklis , arba perpetuum mobile (perpetuum mobile) antra rūšis . Visa mokslo sukaupta eksperimentinė medžiaga rodo, kad toks variklis yra neįmanomas.

Dar kartą pažymime, kad šalto šilumos šaltinio buvimas ir dalies šilumos, gautos iš karšto šaltinio, perdavimas į jį yra privalomas, nes kitu atveju šilumos variklio veikimas yra neįmanomas. Iš tiesų, norint gauti nuolatinį mechaninį darbą, būtinas energijos srautas Ši bylašilumos srautas. Jei nėra šalčio šaltinio, darbinis skystis neišvengiamai pateks į šiluminę pusiausvyrą su karštu šaltiniu ir šilumos srautas sustos.

1-3-2 Ir 2-4-1 atitinkamai atrodys taip:

q 1 = + Du+ l 1 ;

Kiekiai q 2 Ir l 2 turi būti imtasi modulo, kad būtų išvengta painiavos su ženklais y q 2 , kadangi iš sistemos išeinanti šiluma turi minuso ženklą. Ciklo darbinio skysčio vidinė energija neturėtų keistis, taigi ir anksčiau Du lygtyse pateikiami tiesiai priešingi algebriniai ženklai. Sudėjus šias lygtis, gauname:

q 1 - | q 2 | = q c = l 1-½ l 2 ½ = l c, (6.6.1)

Kur q c - dalis karšto šaltinio šilumos, paverčiamos darbu cikle; l c – darbas dviračiu 1-3-2-4-1 .

Kadangi nagrinėjamu atveju l 1 > l 2 , tada ciklo darbas yra teigiamas. Jis, kaip parodyta (6.6.1), yra lygus skirtumui tarp tiekiamos ir pašalinamos šilumos cikle.

Konversijos efektyvumas q 1 V l cįvertino šiluminio (termodinaminio, šiluminio) šiluminio variklio ciklo efektyvumas:

. (6.6.2)

Taigi šiluminio variklio ciklo šiluminis naudingumo koeficientas yra cikle gauto naudingo darbo santykis l cį visą šilumą, patenkančią į darbinį skystį q 1 .

Ciklas, susidedantis iš grįžtamųjų procesų, vadinamas idealiu. Tokiu atveju darbinis skystis tokiame cikle neturėtų būti veikiamas cheminių pokyčių. Jei bent vienas iš į ciklą įtrauktų procesų yra negrįžtamas, ciklas nebebus idealus. Norint atlikti idealų ciklą šiluminiame variklyje (variklyje), neturi būti jokių šiluminių ir mechaninių nuostolių. Tokia mašina vadinama idealiu šilumos varikliu (ideal heat engine).

Nes ½ q 2½> 0, tada h T< 1,0, tai yra, šilumos variklio, net ir idealaus, efektyvumas visada bus mažesnis nei 1,0. Idealių ciklų tyrimų rezultatus galima perkelti į realius, tai yra negrįžtamus, realių šiluminių variklių procesus, įvedant eksperimentinius pataisos koeficientus.

Ryšys (6.6.2) yra šiluminės ir mechaninės energijos lygiavertiškumo principo matematinė išraiška. Jei šalčio šaltinis yra pašalintas iš šilumos variklio grandinės, formaliai lygiavertiškumo principas nebus pažeistas. Tačiau, kaip minėta aukščiau, tokia mašina neveiks.

Ciklai lemia teigiamą darbą, tai yra, kada l 1 > l 2 , yra vadinami tiesioginiai ciklai , arba šiluminių variklių ciklai . Šiuos ciklus naudoja vidaus degimo varikliai. reaktyviniai varikliai, dujų ir garo turbinos ir pan.

Jei ciklas, parodytas 6.6.1 pav., pateikiamas kaip tekantis priešinga kryptimi, tai yra išilgai uždaros kreivės 1-4-2-3-1 (žr. 6.6.2 pav.), tada jo įgyvendinimui reikia eikvoti darbo l c, kuri jau bus neigiama ir lygiavertė sričiai S 1-4-2-3-1 . Aušinamas korpusas tokioje mašinoje yra šaltas šilumos šaltinis, o šildomas – aplinka, tai yra karšto šilumos šaltinis. Tokie ciklai vadinami šaldymo ciklais, arba šaldymo (atvirkštiniai) ciklai.

Kad paremtų žema temperatūra atvėsęs kūnas, būtina nuolat šalinti iš jo šilumą q 2 , kuris į darbinį skystį patenka iš šalto šaltinio. Šis šaldymo ciklo pašalinimas atliekamas proceso metu 1-4-2 darbinio skysčio išsiplėtimas, kuris suvokia šią šilumą ir veikia tuo pačiu metu pozityvus darbas l 2 , atitinkantis plotą
S 1-4-2-6-5-1 . Darbinis skystis grįžta į pradinę būseną suspaudžiant išilgai kreivės 2-3-1 esantis virš plėtimosi proceso kreivės, tai yra procese, vykstančiame aukštesnės temperatūros sąlygomis. Tai leidžia perduoti iš darbinio skysčio pašalintą šilumą q 1 karštas šilumos šaltinis, kuris dažniausiai yra aplinka. Neigiamas darbas išeikvotas suspaudimui l 1 nustatytas ploto diagramoje S 2-3-1-5-6-2 .

v

P

v2

v1

R 1

R 2

q 1

2 k

Ryžiai. 6.6.2. Aušintuvo ciklas

1-ojo termodinamikos dėsnio lygtis procesams 1-4-2 Ir 2-3-1 Atsižvelgiant į algebrinius ženklus priešais komponentus, jie turi tokią formą:

q2 = + Du+ l 2; - ½ q 1 ½ = - Du- ½ l 1½.

Sudėjus abiejų lygčių dalimis gaunama:

q 2 - ½ q 1 ½ = - (½ l 1 ½ - l 2) = -½ l c ½ (6.6.3)

½ q 1½ = q 2+½ l c.½ (6.6.4)

Ši išraiška parodo tą šilumą q 1 , perkeliamas į karštą šilumos šaltinį, yra sudarytas iš šilumos q 2 , kuris į darbinį skystį pateko iš šalto šilumos šaltinio, ir ciklo darbas l c. Nes ½ l 1 ½ > l 2 , Tai l c < 0 и, следовательно, для непрерывной работы холодильной машины необходимо затрачивать работу. Таким способом осуществляется передача тепла с низшего температурного уровня на высший, то есть производится охлаждение некоторых частей OS ir sukurtas m tinkama vieta temperatūra yra žemesnė už temperatūrą OS . Pagal šaldymo (atvirkštinio ciklo) šaldymo mašinos, šilumos siurbliai ir pan.

Šaldymo mašinos efektyvumas vertinamas vadinamuoju našumo koeficientas e, nustatomas pagal ribotos naudingosios šilumos, paimtos iš šalčio šaltinio, galios santykį q 2 į atliktą darbą l c:

. (6.6.5)

Našumo koeficientas apibūdina šilumos perdavimo iš šalto šilumos šaltinio į karštą šilumos šaltinį efektyvumą. Jis bus didesnis, tuo didesnis šilumos kiekis q 2 bus paimtas iš šalto šilumos šaltinio ir perkeltas į karštą šilumos šaltinį ir tuo mažiau darbo bus skirta l c. Skirtingai nei šiluminis (termodinaminis, šiluminis) efektyvumas h T našumo koeficientas 𝜺 gali būti didesnis, mažesnis ir lygus vienetui.

Šaldytuve q 1 išleidžiami į aplinką, kuri yra neribotos talpos šaltinis . Todėl šaldymo mašina gali būti naudojama ne tik įvairių kūnų vėsinimui, bet ir patalpų šildymui. Išties, net ir paprastas buitinis šaldytuvas, vėsindamas į jį įdėtus gaminius, kartu šildo ir patalpos orą. Dinaminio šildymo principą pasiūlė W. Thomson ir jis yra modernaus veikimo pagrindas šilumos siurbliai . Šilumos siurbliai yra mašinos, kurių pagrindinis produktas yra šiluma. q 1 perduota į riboto pajėgumo šaltinį . Įvertinamas jų efektyvumas šildymo koeficientas , kuris yra vartotojui perduodamos šilumos santykis q 1 Į l c:

Šiuo atveju šiltas q 2 paimamas iš neribotos talpos šaltinio (atmosferos oras, dideli vandens kiekiai, uolienų masė).

Šilumos siurblio pranašumas prieš elektrinis šildytuvas Ją sudaro tai, kad patalpoms šildyti naudojama ne tik šiluma paversta elektros energija, bet ir iš aplinkos paimama šiluma. Todėl šilumos siurblių efektyvumas gali būti daug didesnis nei elektrinių šildytuvų.

Variklio ciklo ir šilumos siurblio arba šaldymo ciklų derinys yra ciklas šiluminis transformatorius , kuri leidžia siurbti šilumą iš šaltinio su vienu T prie šaltinio kitoje pusėje T kombinuoto ciklo metu. Šiluminio transformatoriaus paskirtis – pakeisti šilumos potencialą. Jei transformatorius skirtas gaminti šilumą žemesne T, nei originalas T karštoji versmė, tada toks transformatorius vadinamas nuleidimas . Jei transformatoriuje šiluma gaunama esant T didesnė už pradinę šilumą, tada toks transformatorius vadinamas kėlimas .

Taigi bet kurios šilumos ar šaldymo mašinos veikimas įmanomas tik tada, kai yra du šilumos šaltiniai: karštas ir šaltas.

Mašinos, kuriose vidinė kuro energija paverčiama mechanine energija, vadinamos šiluminiai varikliai. Tai apima: vidaus degimo variklius, garo ir dujų turbinas, reaktyvinius variklius. Išsiaiškinkime, kokios sąlygos būtinos, kad kuro vidinė energija šiluminiame variklyje virstų mechanine variklio darbinio veleno energija.

Medžiaga, kuri veikia šiluminiame variklyje, vadinama darbinis kūnas. Garo varikliuose tai yra garas, o vidaus degimo variklyje, reaktyviniame variklyje ir dujų turbinoje – dujos. Kaip rodo šiluminių variklių teorija, kad darbinis skystis juose nuolat atliktų darbą, variklyje būtinas šildytuvas ir šaldytuvas. Vadinamas prietaisas, kuriame darbinis skystis kaitinamas kuro energija šildytuvas(garo katilas, cilindras). Vadinamas prietaisas, kuriame darbinis skystis po darbo atšaldomas šaldytuvas(atmosfera, kondensatorius, kuriame išmetami garai atšaldomi tekančiu vandeniu ir virsta vandeniu).

Atlikime tokį eksperimentą (30 pav.). Paimkite U formos vamzdelį, užpildytą vandeniu. Viena vamzdžio alkūnė sujungta su šilumos imtuvu (kuriame yra darbinis skystis - dujos), kitame kelyje yra plūdė A. Šilumos imtuvą pakaitomis šildysime spiritine lempa ir nuleisime į šaltą vandenį. . Spiritinė lempa veikia kaip darbinio skysčio šildytuvas, šaltas vanduo – kaip šaldytuvas. Tokio šilumos variklio modelio veikimas susideda iš pasikartojančio proceso - vandens pakėlimo ir nuleidimo kartu su plūde. Būna taip: darbinis skystis (dujos), įkaistantis šildytuve ir besiplečiantis, atlieka vandens pakėlimo plūde darbą; kad darbinis skystis vėl galėtų dirbti, jis atšaldomas šaldytuve, o po to vėl pašildomas. Nors šis procesas bus kartojamas - tokio variklio modelis veiks.

Šilumos variklis dirba nuolat. Taip atsitinka todėl, kad jame periodiškai kartojasi procesai, vykstantys su darbiniu skysčiu: jis įkaista, plečiasi, dirba, vėsta, vėl įkaista ir t.t. (Sekite tai vidaus degimo variklio darbe. Taigi, šiluminio variklio darbui būtina turėti: šildytuvą, darbinį skystį ir šaldytuvą.

Periodiškai pasikartojantiems procesams buvo atrastas dėsnis, pagal kurį neįmanoma atlikti tokio periodiškai pasikartojančio proceso, vienintelis ir galutinis rezultatas kuri būtų visiškas iš šildytuvo gaunamo šilumos kiekio pavertimas darbu. Kalbant apie šilumos variklį, tai reiškia: šilumos kiekis, kurį darbinis skystis gauna iš šildytuvo, negali būti visiškai panaudotas darbui atlikti, nes vyksta visiško daugelio molekulių atsitiktinio judėjimo vidinės energijos perėjimo procesas. į mechaninę kūno (variklio stūmoklio, turbinos sparnuotės) judėjimo energiją neįmanoma. ).

Kad darbinis skystis vėl ir vėl veiktų tikruose šiluminiuose varikliuose, panaudota darbinio skysčio dalis pašalinama iš variklio į šaldytuvą, tai yra į atmosferą, arba į kondensatorių vandeniui šildyti. šildymas (31 pav.). Tuo pačiu metu, siekiant pašalinti kuo mažiau darbo, temperatūra ir slėgis šaldytuve visada yra žemesni nei variklio darbinėje kameroje. Dėl garo ir jo pašalinimo darbo skirtumo variklis atlieka naudingą darbą. Energetiniu požiūriu šiluminiuose varikliuose vykstantis procesas yra toks (32 pav.): darbinis skystis iš šildytuvo gauna šilumos kiekį Q n, kurio dalį atiduoda į šaldytuvą Q x , o dėl likusios dalies atlieka darbą A \u003d Q n - Q x.

Yra daug šilumos variklių naudojimo būdų. Karbiuratoriniai varikliai, pavyzdžiui, yra taikomos automobiliuose, motocikluose; dyzeliniai varikliai - traktoriuose, automobiliuose sunkaus darbo, dyzeliniai lokomotyvai, motoriniai laivai, jūrų laivai; garo turbinos – elektrinėse; dujų turbinos - elektrinėse, dujų turbininiuose lokomotyvuose, aukštakrosnėse, skirtose orapūtėms, yra vienos iš reaktyvinių variklių tipų dalis; reaktyviniai varikliai – aviacijoje, raketose.

Šilumos variklis šilumą paverčia darbu, kitaip tariant, paima šilumą iš vienų kūnų ir perduoda ją kitiems kūnams mechaninio darbo pavidalu. Norint atlikti šią transformaciją, reikia turėti du skirtingai šildomus kūnus, tarp kurių galimas šilumos mainai. Trumpumo dėlei karštesnį korpusą vadinsime šildytuvu, o šaltesnį – šaldytuvu. Esant tokiems dviem kūnams, šilumos pavertimo darbu procesas nubrėžiamas taip: plečiamasis korpusas (darbinis korpusas) susiliečia su šildytuvu. Iš šildytuvo paimama ir plėtimosi darbui naudojama šiluma, kuri atiduodama aplinkiniams kūnams. Be to, darbinis skystis liečiasi su šaldytuvu, kuriam jis išskiria šilumą

dėl išorinių jėgų atliekamo darbo ant darbinio kūno.

Norint gauti nuolat veikiantį šiluminį variklį, suspaudimo taktą reikia baigti toje vietoje, kurioje prasidėjo išsiplėtimo eiga; Trumpai tariant, procesas turi būti cikliškas. darbinis kūnas po kiekvieno ciklo jis grįžta į pradinę būseną. Todėl energijos tvermės dėsnis reikalauja, kad iš aplinkinių kūnų gaunama energija būtų lygi energijai, perduodamai aplinkiniams kūnams. Iš gautos terpės: šiluma plečiasi ir darbas A 2 suspaudžiant darbinį skystį. Atsižvelgta į aplinką: darbas A! plečiant kūną ir šilumą susitraukiant. Todėl arba Kai ciklas atliekamas pagal laikrodžio rodyklę, atliekamas suspaudimo darbas mažiau darbo plėtiniai. Todėl paskutinė lygybė išreiškia paprastą faktą, kad darbo organo perduodamas grynasis darbas išorinė aplinka, yra lygus šilumos, gaunamos iš šildytuvo ir atiduodamos į šaldytuvą, skirtumui. Atitinkamai koeficientas naudingas veiksmas ciklas, taigi ir visa mašina, bus lygus

Aprašytas šilumos variklio veikimo procesas, žinoma, yra abstrakti schema. Tačiau ši schema perteikia esmines kiekvieno šilumos variklio savybes. Darbinis skystis yra besiplečiančios ir susitraukiančios dujos arba garai, aplinka atlieka šaldytuvo vaidmenį. Šildytuvas yra garo katilas arba, vidaus degimo varikliuose, degus mišinys.

Tos pačios trys sistemos reikalingos ir šaldymo mašinai, kurioje vyksta ciklas išvirkščia pusė. Šios mašinos veikimo principas yra toks: darbinio skysčio išsiplėtimas atliekamas, kai jis liečiasi su šaldytuvu. Tai dar labiau atvėsina šaltą korpusą – tai ir yra šaldymo mašinos užduotis. Be to, norint, kad ciklas būtų įmanomas, reikia suspausti darbinį skystį ir perduoti iš šaldytuvo gautą šilumą. Tai atliekama, kai darbinis skystis liečiasi su šildytuvu. Taigi karštesnis kūnas įkaista dar labiau. „Nenatūralus“ šilumos perdavimas iš mažiau įkaitusio kūno į labiau įkaitusį „apmokamas“ darbu. Iš tiesų, kai ciklas vykdomas prieš laikrodžio rodyklę, energijos, perduodamos į terpę, ir energijos, paimtos iš terpės, lygybė (t. y. kur vis dar nurodome indeksą 1 į proceso dalį, kuri vyksta kontaktuojant su karštesniu kūnu) turi tokią reikšmę : iš sistemos pašalintas šilumos kiekis turi būti kompensuojamas tokiu pat kiekiu mechaninio darbo.

Antrasis termodinamikos dėsnis nustato tam tikras sąlygas šilumos variklio veikimui. Jei darysime prielaidą, kad procesas yra grįžtamasis, tada darbinio skysčio entropijos pokytis po ciklo turėtų būti lygus nuliui. Kitaip tariant, keisti

entropija plėtimosi metu turėtų būti lygi (su priešingu ženklu) entropijos pokyčiui suspaudimo metu, t.y.

Negrįžtamo proceso atveju padidės uždaros sistemos, susidedančios iš šildytuvo, šaldytuvo ir darbinio skysčio, entropija, todėl

(Primename, kad yra algebrinis dydis. Į sistemą patenkanti šiluma laikoma teigiama.) Skaičiuojant šių integralų reikšmes konkretiems procesams, kai kuriais atvejais gana paprasta rasti maksimalaus efektyvumo reikšmę. tam tikras šilumos variklio ciklas.

« Fizika – 10 klasė

Kas yra termodinaminė sistema ir kokie parametrai apibūdina jos būseną.
Nurodykite pirmąjį ir antrąjį termodinamikos dėsnius.

Būtent šiluminių variklių teorijos sukūrimas paskatino suformuluoti antrąjį termodinamikos dėsnį.

Vidinės energijos atsargas žemės plutoje ir vandenynuose galima laikyti praktiškai neribotomis. Tačiau norint išspręsti praktines problemas, energijos atsargų vis dar nepakanka. Taip pat reikia mokėti naudoti energiją įjungti gamyklose ir gamyklose esančias mašinas, transporto priemones, traktorius ir kitas mašinas, sukti generatorių rotorius. elektros srovė tt Žmonijai reikia variklių – įrenginių, galinčių atlikti darbą. Dauguma Žemėje esančių variklių yra šiluminiai varikliai.

Šilumos varikliai – Tai įrenginiai, kurie vidinę kuro energiją paverčia mechaniniu darbu.

Šilumos variklių veikimo principas.

Kad variklis veiktų, reikalingas slėgio skirtumas abiejose variklio stūmoklio arba turbinos menčių pusėse. Visuose šiluminiuose varikliuose šis slėgio skirtumas pasiekiamas didinant temperatūrą darbinis kūnas(dujų) šimtais ar tūkstančiais laipsnių virš aplinkos temperatūros. Šis temperatūros padidėjimas atsiranda kuro degimo metu.

Viena iš pagrindinių variklio dalių yra dujomis užpildytas indas su judančiu stūmokliu. Visų šiluminių variklių darbinis skystis yra dujos, kurios veikia plėtimosi metu. Pradinę darbinio skysčio (dujų) temperatūrą pažymėkime per T 1 . Ši temperatūra į garo turbinos arba mašinos įgauna garą garo katile. vidaus degimo varikliuose ir dujų turbinos temperatūra pakyla degant kurui pačiame variklyje. Temperatūra T 1 vadinama šildytuvo temperatūra.

Šaldytuvo vaidmuo

Darbo metu dujos praranda energiją ir neišvengiamai atšąla iki tam tikros temperatūros T 2 , kuri paprastai yra šiek tiek aukštesnė už aplinkos temperatūrą. Jie jai skambina šaldytuvo temperatūra. Šaldytuvas yra atmosfera arba specialius įrenginius išmetamųjų garų aušinimui ir kondensavimui - kondensatoriai. Pastaruoju atveju šaldytuvo temperatūra gali būti šiek tiek žemesnė už aplinkos temperatūrą.

Taigi variklyje darbinis skystis plėtimosi metu negali atiduoti visos savo vidinės energijos darbui atlikti. Dalis šilumos neišvengiamai perduodama į šaldytuvą (atmosferą) kartu su išmetamaisiais garais arba išmetamosios dujos vidaus degimo varikliai ir dujų turbinos.

Ši vidinės kuro energijos dalis prarandama. Šilumos variklis atlieka darbą dėl darbinio skysčio vidinės energijos. Be to, šiame procese šiluma perduodama iš karštesnių kūnų (šildytuvo) į šaltesnius (šaldytuvą). grandinės schemašiluminis variklis parodytas 13.13 pav.

Variklio darbinis skystis kuro degimo metu gauna iš šildytuvo šilumos kiekį Q 1, atlieka darbą A ir perduoda šilumos kiekį į šaldytuvą. Q2< Q 1 .

Kad variklis veiktų nepertraukiamai, reikia grąžinti darbinį skystį į pradinę būseną, kuriai esant darbinio skysčio temperatūra lygi T 1 . Iš to išplaukia, kad variklis veikia pagal periodiškai pasikartojančius uždarus procesus arba, kaip sakoma, pagal ciklą.

Ciklas yra eilė procesų, dėl kurių sistema grįžta į pradinę būseną.

Šilumos variklio našumo koeficientas (COP).

Neįmanoma visiškai konvertuoti vidinės dujų energijos į šilumos variklių darbą dėl gamtoje vykstančių procesų negrįžtamumo. Jei šiluma galėtų savaime grįžti iš šaldytuvo į šildytuvą, tai vidinė energija gali būti visiškai paversta naudingu darbu naudojant bet kurį šilumos variklį. Antrasis termodinamikos dėsnis gali būti suformuluotas taip:

Antrasis termodinamikos dėsnis:
neįmanoma sukurti amžinasis variklis antros rūšies, kuri šilumą visiškai paverstų mechaniniu darbu.

Pagal energijos tvermės dėsnį variklio darbas yra toks:

A" \u003d Q 1 - | Q 2 |, (13.15)

kur Q 1 – iš šildytuvo gautas šilumos kiekis, o Q2 – šaldytuvui atiduodamas šilumos kiekis.

Šilumos variklio našumo koeficientas (COP) yra variklio atliekamo darbo A " ir šilumos kiekio, gauto iš šildytuvo, santykis:

Kadangi visuose varikliuose tam tikras šilumos kiekis perduodamas į šaldytuvą, tada η< 1.

Maksimalus efektyvumo vertėšiluminiai varikliai.

Termodinamikos dėsniai leidžia apskaičiuoti didžiausią galimą šiluminis efektyvumas variklis, veikiantis su šildytuvu, kurio temperatūra T 1, ir šaldytuvu, kurio temperatūra T 2, taip pat nustatyti būdus, kaip ją padidinti.

Pirmą kartą maksimalų galimą šiluminio variklio efektyvumą apskaičiavo prancūzų inžinierius ir mokslininkas Sadi Carnot (1796-1832) savo darbe „Ugnies varomosios jėgos ir mašinų, galinčių išvystyti šią jėgą, atspindžiai“ (1824 m. ).

Carnot sugalvojo idealų šilumos variklį idealios dujos kaip darbo organas. Idealus Carnot šilumos variklis veikia cikle, susidedančiame iš dviejų izotermų ir dviejų adiabatų, ir šie procesai laikomi grįžtamais (13.14 pav.). Pirma, indas su dujomis susiliečia su šildytuvu, dujos plečiasi izotermiškai, atlikdamos teigiamą darbą, esant T 1 temperatūrai, o gaudamos šilumos kiekį Q 1 .

Tada indas yra termiškai izoliuojamas, dujos toliau plečiasi jau adiabatiškai, o jų temperatūra nukrenta iki šaldytuvo temperatūros T 2 . Po to dujos liečiamos su šaldytuvu, veikiamos izoterminio suspaudimo, atiduoda šaldytuvui šilumos kiekį Q 2, suspaudžiant iki tūrio V 4< V 1 . Затем сосуд снова теплоизолируют, газ сжимается адиабатно до объёма V 1 и возвращается в первоначальное состояние. Для КПД этой машины было получено следующее выражение:

Kaip matyti iš (13.17) formulės, mašinos efektyvumas Carnot yra tiesiogiai proporcingas skirtumui absoliučios temperatūrosšildytuvas ir šaldytuvas.

Pagrindinė šios formulės reikšmė yra ta, kad ji nurodo efektyvumo didinimo būdą, tam būtina padidinti šildytuvo temperatūrą arba sumažinti šaldytuvo temperatūrą.

Bet koks tikras šilumnešis, veikiantis su šildytuvu, kurio temperatūra T 1, ir šaldytuvu, kurio temperatūra T 2, negali turėti efektyvumo, viršijančio idealaus šiluminio variklio efektyvumą: Procesai, sudarantys tikro šilumos variklio ciklą, nėra grįžtami.

Formulė (13.17) pateikia teorinę šilumos variklių naudingumo didžiausios vertės ribą. Tai rodo, kad šilumos variklis yra efektyvesnis, tuo didesnis temperatūrų skirtumas tarp šildytuvo ir šaldytuvo.

Tik esant šaldytuvo temperatūrai, lygiai absoliučiam nuliui, η = 1. Be to, įrodyta, kad pagal (13.17) formulę apskaičiuotas efektyvumas nepriklauso nuo darbinės medžiagos.

Tačiau šaldytuvo, kurio vaidmenį dažniausiai atlieka atmosfera, temperatūra praktiškai negali būti žemesnė už aplinkos temperatūrą. Galite padidinti šildytuvo temperatūrą. Tačiau bet kuri medžiaga (tvirtas korpusas) turi ribotą atsparumą karščiui arba atsparumą karščiui. Kaitinamas jis palaipsniui praranda savo elastines savybes, o kai pakankamai aukštos temperatūros tirpsta.

Dabar pagrindinės inžinierių pastangos yra skirtos didinti Variklio efektyvumas sumažinant jų dalių trintį, degalų nuostolius dėl nepilno jo degimo ir kt.

Dėl garo turbina pradinė ir galutinė garų temperatūra yra maždaug tokia: T 1 – 800 K ir T 2 – 300 K. Esant tokioms temperatūroms didžiausias efektyvumas yra 62 % (atkreipkite dėmesį, kad efektyvumas dažniausiai matuojamas procentais). Faktinė naudingumo vertė dėl įvairių energijos nuostolių yra apie 40%. Dyzeliniai varikliai turi didžiausią efektyvumą – apie 44 proc.

Aplinkos apsauga.

Sunku įsivaizduoti modernus pasaulis be šiluminių variklių. Jie suteikia mums patogų gyvenimą. Šilumos varikliai vairuoja transporto priemones. Apie 80% elektros energijos, nepaisant atominių elektrinių buvimo, pagaminama naudojant šilumos variklius.

Tačiau veikiant šiluminiams varikliams, neišvengiama aplinkos tarša. Tai yra prieštaravimas: viena vertus, kiekvienais metais žmonijai reikia vis daugiau energijos, kurios pagrindinė dalis gaunama deginant kurą, kita vertus, degimo procesus neišvengiamai lydi ir aplinkos tarša.

Deginant kuras, deguonies kiekis atmosferoje mažėja. Be to, susidaro patys degimo produktai cheminiai junginiai kenksmingi gyviems organizmams. Tarša atsiranda ne tik žemėje, bet ir ore, nes bet kokį orlaivio skrydį lydi kenksmingų priemaišų išmetimas į atmosferą.

Viena iš variklių veikimo pasekmių yra anglies dioksido susidarymas, kuris sugeria infraraudonąją spinduliuotę nuo Žemės paviršiaus, dėl to pakyla atmosferos temperatūra. Šis vadinamasis Šiltnamio efektas. Matavimai rodo, kad atmosferos temperatūra per metus pakyla 0,05 °C. Toks nuolatinis temperatūros kilimas gali sukelti ledo tirpimą, o tai savo ruožtu lems vandens lygio pokyčius vandenynuose, t.y., žemynų potvynius.

Pažymėkime dar vieną neigiamas taškas kai naudojami šiluminiai varikliai. Taigi kartais upių ir ežerų vanduo naudojamas varikliams aušinti. Tada pašildytas vanduo grąžinamas atgal. Temperatūros padidėjimas vandens telkiniuose sutrikdo natūralią pusiausvyrą, šis reiškinys vadinamas termine tarša.

Aplinkos apsaugai, įvairūs valymo filtrai užkirsti kelią patekimui į atmosferą kenksmingų medžiagų tobulinamos variklių konstrukcijos. Nuolat tobulinamas kuras, kuris degimo metu suteikia mažiau kenksmingų medžiagų, bei jo deginimo technologija. Aktyviai vystėsi alternatyvių šaltinių energiją naudojant vėjo, saulės spinduliuotę, branduolinę energiją. Elektrinės transporto priemonės ir saulės energija varomos transporto priemonės jau gaminamos.

šiluminis variklis - prietaisas, paverčiantis vidinę sudegusio kuro energiją į mechaninę energiją. Šilumos variklių tipai : 1) vidaus degimo varikliai: a) dyzelinas, b) karbiuratorius; 2) garo varikliai; 3) turbinos: a) dujos, b) garas.

Visi šie šilumos varikliai turi skirtingą dizainą, tačiau susideda iš trys pagrindinės dalys : šildytuvas, darbinė terpė ir šaldytuvas. Šildytuvas suteikia šilumą varikliui. darbinis kūnas dalį gautos šilumos paverčia mechaniniu darbu. Šaldytuvas paima dalį šilumos iš darbinio skysčio.

T1– šildytuvo temperatūra;

T2– šaldytuvo temperatūra;

Q1- gauta šiluma

iš šildytuvo;

Q2- išsiskirianti šiluma

šaldytuvas;

A"- darbas pabaigtas

variklis.

Bet kurio šilumos variklio veikimas susideda iš pasikartojančių ciklinių procesų – ciklų. Ciklas - tai tokia termodinaminių procesų seka, dėl kurios sistema grįžta į pradinę būseną.

Efektyvumo koeficientas (COP) šilumos variklis – tai variklio atlikto darbo ir šilumos, gaunamos iš šildytuvo, santykis: .

Prancūzų inžinierius Sadi Carnot svarstė idealus šiluminis variklis su idealiomis dujomis kaip darbiniu skysčiu. Jis rado geriausią idealus ciklasšiluminis variklis, susidedantis iš dviejų izoterminių ir dviejų adiabatinių grįžtamųjų procesų - Carnot ciklas . Tokio šiluminio variklio su šildytuvu, kurio temperatūra ir šaldytuvu, efektyvumas: . Nepriklausomai nuo šilumos variklio konstrukcijos, darbinio skysčio pasirinkimo ir procesų tipo, jo efektyvumas negali būti didesnis nei šilumos variklio, veikiančio pagal Carnot ciklą ir turinčio tokias pačias šildytuvo ir aušintuvo temperatūras, kaip ir šio šilumos variklio, efektyvumą.

Šilumos variklių efektyvumas mažas, todėl svarbiausias techninis uždavinys – jį padidinti. Šilumos varikliai turi du reikšmingų trūkumų. Pirma, dauguma šilumos variklių naudoja organinis kuras, kurio išgavimas greitai išeikvoja planetos išteklius. Antra, dėl kuro deginimo į aplinką patenka didžiulis kiekis kenksmingų medžiagų, o tai sukelia didelių aplinkos problemų.

Vokiečių fiziko R. Klasiaus atradimas 1850 metais siejamas su šiluminių variklių maksimalaus efektyvumo klausimo tyrimu. antrasis termodinamikos dėsnis : neįmanomas toks procesas, kurio metu šiluma spontaniškai pereitų iš šaltesnių kūnų į karštesnius.

Fizikiniai dydžiai ir jų matavimo vienetai:

Pavadinimo reikšmė	Paskyrimas	Vienetas	Formulė
Santykinė molekulinė masė	Ponas(oi)	bematis kiekis
Vienos molekulės (atomo) masė	m0	kilogramas
Svoris	m	kilogramas
Molinė masė	M
Medžiagos kiekis	ν (nuogas)	apgamas(mol)	;
Dalelių skaičius	N(lt)	bematis kiekis
Slėgis	p(pe)	Pa(paskalis)
Koncentracija	n(lt)
Apimtis	V(ve)
Vidutinė kinetinė energija judėjimas į priekį molekules		J(džaulis)
Celsijaus temperatūra	t	°C
Kelvino temperatūra	T	KAM(kelvinas)
Molekulių vidutinis kvadratinis greitis
Paviršiaus įtempimas	σ (sigma)
Absoliuti drėgmė	ρ (ro)
Santykinė drėgmė	φ (fi)	%
Vidinė energija	U(y)	J(džaulis)
Darbas	A(A)	J(džaulis)
Šilumos kiekis	K(ku)	J(džaulis)