Idealiame šiluminiame variklyje, veikiančiame ciklu. Idealus Carnot šilumos variklio ciklas

Teoriniame modelyje šiluminis variklis laikomi trys kūnai: šildytuvas, darbinis skystis Ir šaldytuvas.

Šildytuvas – terminis rezervuaras (didelis korpusas), kurio temperatūra yra pastovi.

Kiekviename variklio veikimo cikle darbinis skystis gauna tam tikrą šilumos kiekį iš šildytuvo, plečiasi ir atlieka mechaninį darbą. Norint grąžinti darbinį skystį į pradinę būseną, reikia dalį energijos, gautos iš šildytuvo, perkelti į šaldytuvą.

Kadangi modelyje daroma prielaida, kad veikiant šilumos varikliui šildytuvo ir šaldytuvo temperatūra nesikeičia, tai pasibaigus ciklui: darbinio skysčio šildymas-išsiplėtimas-aušinimas-suspaudimas, laikoma, kad mašina grįžta į pradinę būseną.

Kiekvienam ciklui, remiantis pirmuoju termodinamikos dėsniu, galime parašyti, kad šilumos kiekis Kšiluma, gauta iš šildytuvo, šilumos kiekis | Kšaltas|. duodamas į šaldytuvą, o darbo organo atliktas darbas A yra susiję vienas su kitu ryšiu:

A = K karštis – | Kšalta|.

Realybėje techniniai prietaisai, kurie vadinami šiluminiais varikliais, darbinis skystis įkaista dėl kuro degimo metu išsiskiriančios šilumos. Taigi, į garo turbina Elektrinėje šildytuvas yra krosnis, užpildyta karštomis anglimis. Variklyje vidaus degimas(ICE), degimo produktai gali būti laikomi šildytuvu, o oro perteklius – darbiniu skysčiu. Jie naudoja atmosferos orą arba vandenį iš natūralių šaltinių kaip šaldytuvą.

Šilumos variklio (mašinos) efektyvumas

Koeficientas naudingas veiksmasšiluminis variklis (efektyvumas) yra variklio atlikto darbo ir iš šildytuvo gaunamos šilumos kiekio santykis:

Bet kurio šiluminio variklio efektyvumas yra mažesnis už vienetą ir išreiškiamas procentais. Iš antrojo termodinamikos dėsnio išplaukia iš antrojo termodinamikos dėsnio neįmanoma paversti viso iš šildytuvo gaunamos šilumos kiekio mechaniniu darbu.

Tikruose šiluminiuose varikliuose efektyvumas nustatomas eksperimentiniu būdu mechaninė galia N variklis ir sudeginto kuro kiekis per laiko vienetą. Taigi, jei per tą laiką t sudegusio kuro masės m ir savitoji degimo šiluma q, Tai

Dėl Transporto priemonė atskaitos charakteristika dažnai yra tūris V pakeliui degino degalus s esant mechaninei variklio galiai N ir greičiu. Šiuo atveju, atsižvelgiant į kuro tankį r, galime parašyti efektyvumo skaičiavimo formulę:

Antrasis termodinamikos dėsnis

Yra keletas formulių antrasis termodinamikos dėsnis. Vienas jų sako, kad neįmanoma turėti šilumos variklio, kuris veiktų tik dėl šilumos šaltinio, t.y. nėra šaldytuvo. Pasaulio vandenynai jam galėtų pasitarnauti kaip praktiškai neišsenkantis vidinės energijos šaltinis (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901).

Kitos antrojo termodinamikos dėsnio formuluotės yra lygiavertės šiam.

Clausius formuluotė(1850): procesas, kurio metu šiluma savaime pereitų iš mažiau įkaitintų kūnų į labiau įkaitintus kūnus, yra neįmanomas.

Tomsono formuluotė(1851): neįmanomas žiedinis procesas, kurio vienintelis rezultatas būtų darbo gamyba sumažinant vidinę šiluminio rezervuaro energiją.

Clausius formuluotė(1865): visi spontaniški procesai uždaroje nepusiausvyros sistemoje vyksta ta kryptimi, kuria didėja sistemos entropija; šiluminės pusiausvyros būsenoje jis yra didžiausias ir pastovus.

Boltzmann formulė(1877): uždara daugelio dalelių sistema spontaniškai pereina iš labiau tvarkingos būsenos į mažiau tvarkingą. Sistema negali spontaniškai palikti savo pusiausvyros padėtį. Boltzmannas įvedė kiekybinį sutrikimo matą sistemoje, kurią sudaro daugybė kūnų. entropija.

Šilumos variklio su idealiomis dujomis kaip darbiniu skysčiu efektyvumas

Jei pateikiamas šiluminio variklio darbinio skysčio modelis (pavyzdžiui, idealios dujos), tada galima apskaičiuoti pokytį termodinaminiai parametrai darbinis skystis plėtimosi ir suspaudimo metu. Tai leidžia apskaičiuoti šilumos variklio efektyvumą remiantis termodinamikos dėsniais.

Paveiksle pavaizduoti ciklai, kurių efektyvumą galima apskaičiuoti, jei darbinis skystis yra idealios dujos, o parametrai nurodyti vieno termodinaminio proceso perėjimo prie kito taškuose.

	Izobarinis-izochorinis
	Izochorinis-adiabatinis
	Izobarinis-adiabatinis
	Izobarinis-izochorinis-izoterminis
	Izobarinis-izochorinis-tiesinis

Carnot ciklas. Idealaus šilumos variklio efektyvumas

Didžiausias efektyvumas esant tam tikroms šildytuvo temperatūroms Tšildytuvas ir šaldytuvas T salėje yra šilumos variklis, kuriame darbinis skystis plečiasi ir susitraukia pagal tai Carnot ciklas(2 pav.), kurios grafikas susideda iš dviejų izotermų (2–3 ir 4–1) ir dviejų adiabatų (3–4 ir 1–2).

Carnot teoremaįrodo, kad tokio variklio naudingumo koeficientas nepriklauso nuo naudojamo darbinio skysčio, todėl jį galima apskaičiuoti naudojant idealių dujų termodinaminius ryšius:

Šilumos variklių pasekmės aplinkai

Intensyvus šiluminių variklių naudojimas transporte ir energetikoje (šilumos ir atominėse elektrinėse) daro didelę įtaką Žemės biosferai. Nors vyksta moksliniai ginčai dėl žmogaus veiklos įtakos Žemės klimatui mechanizmų, daugelis mokslininkų atkreipia dėmesį į veiksnius, dėl kurių tokia įtaka gali atsirasti:

1. Šiltnamio efektas– anglies dioksido (degimo produkto šiluminių variklių šildytuvuose) koncentracijos atmosferoje padidėjimas. Anglies dioksidas praleidžia matomą ir ultravioletinę Saulės spinduliuotę, tačiau sugeria infraraudonąją spinduliuotę iš Žemės į kosmosą. Dėl to pakyla žemesnių atmosferos sluoksnių temperatūra, didėja uraganiniai vėjai ir visuotinis ledo tirpimas.
2. Tiesioginis nuodingų medžiagų poveikis išmetamosios dujos apie gyvąją gamtą (kancerogenai, smogas, rūgštus lietus nuo šalutiniai produktai degimas).
3. Ozono sluoksnio sunaikinimas lėktuvų skrydžių ir raketų paleidimo metu. Ozonas viršutiniuose atmosferos sluoksniuose apsaugo visą gyvybę Žemėje nuo perteklinės saulės ultravioletinės spinduliuotės.

Išeitis iš kylančios aplinkos krizės yra didėjanti Šiluminis efektyvumas varikliai (šiuolaikinių šiluminių variklių efektyvumas retai viršija 30%); naudoti tinkami naudoti varikliai ir kenksmingų išmetamųjų dujų neutralizatoriai; naudoti alternatyvių šaltinių energija ( saulės elementai ir šildytuvai) ir alternatyvios transporto priemonės (dviračiai ir kt.).

Šilumos variklis- variklis, kuriame degančio kuro vidinė energija paverčiama mechaniniu darbu.

Bet koks šilumos variklis susideda iš trijų pagrindinių dalių: šildytuvas, darbinis skystis(dujos, skystis ir kt.) ir šaldytuvas. Variklio veikimas pagrįstas cikliniu procesu (tai procesas, dėl kurio sistema grįžta į pradinę būseną).

Carnot ciklas

Šilumos varikliuose jie siekia kuo pilnesnio šiluminės energijos pavertimo mechanine energija. Maksimalus efektyvumas.

Paveikslėlyje pavaizduoti ciklai, naudojami benzininiame karbiuratoriaus variklyje ir dyzelinis variklis. Abiem atvejais darbinis skystis yra benzino garų mišinys arba dyzelinis kuras su oru. Karbiuratoriaus vidaus degimo variklio ciklas susideda iš dviejų izochorų (1–2, 3–4) ir dviejų adiabatų (2–3, 4–1). Dyzelinis vidaus degimo variklis veikia pagal ciklą, kurį sudaro du adiabatai (1–2, 3–4), vienas izobaras (2–3) ir vienas izochoras (4–1). Tikrasis karbiuratoriaus variklio efektyvumas siekia apie 30%, o dyzelinio – apie 40%.

Prancūzų fizikas S. Carnot sukūrė idealaus šilumos variklio veikimą. Darbinę Carnot variklio dalį galima įsivaizduoti kaip stūmoklį dujomis užpildytame cilindre. Kadangi Carnot variklis yra automobilis yra grynai teorinis, tai yra idealus, trinties jėgos tarp stūmoklio ir cilindro ir šilumos nuostoliai laikomi lygūs nuliui. Mechaninis darbas yra didžiausias, jei darbinis skystis atlieka ciklą, susidedantį iš dviejų izotermų ir dviejų adiabatų. Šis ciklas vadinamas Carnot ciklas.

1-2 skyrius: dujos gauna šilumos kiekį Q 1 iš šildytuvo ir išsiotermiškai plečiasi esant temperatūrai T 1

2-3 skyrius: dujos plečiasi adiabatiškai, temperatūra nukrenta iki šaldytuvo temperatūros T 2

3-4 skyrius: dujos egzotermiškai suspaudžiamos, o šilumos kiekis Q 2 perduodamas į šaldytuvą

4-1 skyrius: Dujos suspaudžiamos adiabatiškai, kol jų temperatūra pakyla iki T1.

Darbinio skysčio atliktas darbas yra gautos figūros 1234 plotas.

Toks variklis veikia taip:

1. Pirma, balionas liečiasi su karštu rezervuaru ir idealios dujos plečiasi esant pastoviai temperatūrai. Šios fazės metu dujos gauna tam tikrą šilumos kiekį iš karšto rezervuaro.

2. Tada balioną supa tobula šilumos izoliacija, dėl kurios išsaugomas dujose esantis šilumos kiekis ir dujos toliau plečiasi, kol jų temperatūra nukrenta iki šalto šiluminio rezervuaro temperatūros.

3. Trečioje fazėje pašalinama šilumos izoliacija, o balione esančios dujos, besiliečiančios su šalčio rezervuaru, suspaudžiamos, dalį šilumos atiduodamos į šalto rezervuarą.

4. Suspaudimui pasiekus tam tikrą tašką, cilindras vėl apgaubiamas šilumos izoliacija ir dujos suspaudžiamos pakeliant stūmoklį, kol jų temperatūra prilygsta karšto rezervuaro temperatūrai. Po to šilumos izoliacija pašalinama ir ciklas kartojamas nuo pirmos fazės.

Kai kalbame apie procesų grįžtamumą, reikia turėti omenyje, kad tai yra tam tikras idealizavimas. Visi realūs procesai yra negrįžtami, todėl ciklai, kuriuose jie veikia, yra tokie šiluminiai varikliai, taip pat yra negrįžtami, todėl nėra pusiausvyros. Tačiau norint supaprastinti kiekybinius tokių ciklų vertinimus, būtina juos laikyti pusiausvyriniais, tai yra, tarsi juos sudarytų tik pusiausvyros procesai. To reikalauja gerai išvystytas klasikinės termodinamikos aparatas.

Garsus ciklas idealus variklis Carnot laikomas pusiausvyriniu atvirkštiniu žiediniu procesu. Realiomis sąlygomis bet koks ciklas negali būti idealus, nes yra nuostolių. Jis atsiranda tarp dviejų šilumos šaltinių su pastovios temperatūros prie šilumos kriauklės T 1 ir šilumos kriauklė T 2, taip pat darbinis skystis, kuris laikomas idealiomis dujomis (3.1 pav.).

Ryžiai. 3.1.Šilumos variklio ciklas

Mes tuo tikime T 1 > T 2 ir šilumos pašalinimas iš aušintuvo bei šilumos tiekimas į aušintuvą neturi įtakos jų temperatūrai, T 1 Ir T 2 išlieka pastovus. Pažymime dujų parametrus kairėje avarinė situacijašiluminio variklio stūmoklis: slėgis – P 1 tūris - V 1, temperatūra T 1 . Tai yra 1 taškas diagramoje ant ašių P-V.Šiuo metu dujos (darbinis skystis) sąveikauja su šilumos kriaukle, kurios temperatūra taip pat yra T 1 . Stūmokliui judant į dešinę, dujų slėgis cilindre mažėja, o tūris didėja. Tai tęsis tol, kol stūmoklis pasieks 2 punkte nustatytą padėtį, kur darbinio skysčio (dujų) parametrai įgauna reikšmes P 2, V 2, T 2. Temperatūra šiuo metu išlieka nepakitusi, nes stūmokliui pereinant iš taško 1 į tašką 2 (išsiplėtimas) dujų ir aušintuvo temperatūra yra vienoda. Procesas, kurio metu T nekinta, vadinama izotermine, o kreivė 1–2 – izoterma. Šiame procese šiluma pereina iš šilumos siųstuvo į darbinį skystį 1 klausimas.

2 taške cilindras yra visiškai izoliuotas nuo išorinė aplinka(nėra šilumos mainų) ir pas tolesnis judėjimas stūmoklis į dešinę, slėgis mažėja ir tūris padidėja išilgai 2–3 kreivės, kuri vadinama adiabatinis(procesas be šilumos mainų su išorine aplinka). Stūmokliui pasisukus į kraštutinę dešinę padėtį (3 taškas), išsiplėtimo procesas baigsis ir parametrai turės reikšmes P 3, V 3, o temperatūra taps lygi aušintuvo temperatūrai. T 2. Esant tokiai stūmoklio padėčiai, sumažėja darbinio skysčio izoliacija ir jis sąveikauja su šilumos kriaukle. Jei dabar padidinsime stūmoklio slėgį, jis judės į kairę esant pastoviai temperatūrai T 2(suspaudimas). Tai reiškia, kad šis suspaudimo procesas bus izoterminis. Šiame procese šiluma 2 klausimas iš darbinio skysčio pateks į aušintuvą. Stūmoklis, judėdamas į kairę, ateis į 4 tašką su parametrais P4, V4 ir T 2, kur darbinis skystis vėl izoliuojamas nuo išorinės aplinkos. Tolesnis suspaudimas vyksta pagal adiabatinę 4–1 kreivę, kylant temperatūrai. 1 taške suspaudimas baigiasi esant darbinio skysčio parametrams P 1, V 1, T 1. Stūmoklis grįžo į pradinę būseną. 1 taške pašalinama darbinio skysčio izoliacija nuo išorinės aplinkos ir ciklas kartojamas.

Idealaus Carnot variklio efektyvumas.

15.1.1 uždavinys. 1, 2 ir 3 paveiksluose pavaizduoti trijų ciklinių procesų, vykstančių su idealiomis dujomis, grafikai. Kuriame iš šių procesų dujos baigėsi ciklo metu? pozityvus darbas?

15.1.3 uždavinys. Idealios dujos, baigęs tam tikrą ciklinį procesą, grįžo į pradinę būseną. Bendras šilumos kiekis, kurį dujos gauna per visą procesą (skirtumas tarp šilumos kiekio, gaunamo iš šildytuvo ir šilumos kiekio, perduodamo šaldytuvui), yra lygus . Kiek darbo ciklo metu atliko dujos?

15.1.5 uždavinys. Paveikslėlyje parodytas ciklinio proceso, vykstančio su dujomis, grafikas. Proceso parametrai parodyti diagramoje. Kiek darbo dujos atlieka šio ciklinio proceso metu?

15.1.6 uždavinys. Idealios dujos vyksta cikliškai, diagrama parodyta paveikslėlyje. Žinoma, kad 2–3 procesas yra izochorinis 1–2 ir 3–1 procesuose, atitinkamai atliekamos dujos ir. Kiek darbo ciklo metu atliko dujos?

15.1.7 uždavinys.Šilumos variklio efektyvumas rodo

15.1.8 uždavinys. Ciklo metu šilumos variklis gauna tam tikrą šilumos kiekį iš šildytuvo ir perduoda tam tikrą kiekį šilumos į šaldytuvą. Kokia formulė lemia variklio efektyvumą?

15.1.10 uždavinys. Idealus efektyvumasšilumos variklio, veikiančio Carnot ciklu, yra 50%. Šildytuvo temperatūra padvigubėja, bet šaldytuvo temperatūra nesikeičia. Koks bus gauto idealaus šilumos variklio efektyvumas?