Nepieciešamie nosacījumi siltumdzinēju darbībai

Termodinamikas izveidi un attīstību, pirmkārt, izraisīja nepieciešamība aprakstīt darbu un aprēķināt parametrus termiskās mašīnas . termiskās mašīnas, vai siltumdzinēji, ir paredzēti, lai iegūtu tehnisku (lietderīgu) darbu, pateicoties siltumam, kas izdalās ķīmisko reakciju (degvielas sadegšanas), kodolreakciju vai citu iemeslu dēļ, piemēram, apkures ar saules enerģiju.

Ņemot vērā siltumdzinēju darbības pamatprincipus, neatkarīgi no to konstrukcijas, izriet, ka nepārtraukta siltumenerģijas pārveidošana mehāniskais darbs darīts tajos ar palīdzību palīgķermenis , ko sauc termodinamikā darba ķermenis . Kā minēts iepriekš, vispiemērotākās kā darba iestādes savās fizikālās īpašības ir šķidrumu gāzes un tvaiki, jo tiem ir raksturīga vislielākā spēja mainīt tilpumu R Un T .

Turklāt šo mašīnu darbība ir iespējama tikai tad, ja ir izpildīti divi obligāti nosacījumi. Pirmais nosacījums vai tas ir jebkuram siltuma dzinējam jādarbojas cikliski, tas ir, darba ķermenim, veicot virkni izplešanās un saraušanās procesu noteiktā laika periodā, ir jāatgriežas sākotnējā stāvoklī. Šis cikls ir jāatkārto visā iekārtas darbības laikā, un atkarībā no siltumdzinēja konstrukcijas atsevišķas cikla daļas var veikt dažādās tā daļās. sastāvdaļas. Ja nav cikla, piemēram, jebkurā procesā tikai gāzes izplešanās darba kamerā (dzinēja cilindrā iekšējā degšana, attiecīgi siltumdzinēja tvaika un gāzes turbīnu darba lāpstiņu kanāliem, pienāks brīdis, kad R Un T darba šķidrums kļūs vienāds ar R Un T vidi, un tas pārtrauks darbu. Šajā gadījumā jūs varat iegūt tikai ierobežotu darba apjomu. Lai atkal iegūtu darbu, ir nepieciešams vai nu saspiešanas procesā atgriezt darba šķidrumu sākotnējā stāvoklī, vai arī kaut kādā veidā izņemt izlietoto darba šķidrumu no darba kameras un aizpildīt šo kameru ar jaunu šī korpusa daļu. No siltumdzinēja darbības termodinamiskās analīzes viedokļa nemaz nav nepieciešams nodarboties ar jaunām darba šķidruma daļām, jo ​​siltumenerģijas pārvēršanas procesā mehāniskajā darbā nav nozīmes, vai vecais darba šķidrums paliek darba kamerā vai tiek ievadīts jauns. Līdz ar to var pieņemt, ka siltumdzinēja cilindrā ir vienāds daudzums darba šķidruma, kas, cikliski izejot cauri virknei sava stāvokļa izmaiņu no sākotnējā uz galīgo un otrādi, pārvērš siltumenerģiju mehāniskā darbā.

v

P

v2

v1

R 1

R 2

q 1

q2

6.6.1.att. Siltuma dzinēja cikls

Apsveriet siltumdzinēja apļveida ciklu, kas parādīts attēlā. Darba šķidruma paplašināšanas procesā pa līniju 1-3-2 uz to no siltumenerģijas avota ar temperatūru T 1 , i., no karsta siltuma avota , siltums tiek piegādāts apjomā q 1 . Rezultātā papildus palielinās darba šķidruma tilpums. Tādējādi darba šķidruma izplešanās tiek veikta gan samazinot spiedienu darba kamerā, gan paaugstinot tā temperatūru. Tomēr, lai iegūtu mehānisku darbu, uzkarsētā darba šķidruma izplešanās process darba kamerā jāveic ar noteiktu pretspiedienu no darba kameras kustīgo virsmu sāniem. Tas rada pozitīvu specifisku mehānisko darbu l 1 , proti, darba korpusa paplašināšanas darbs, ir līdzvērtīgs laukumam S 1-3-2-6-5-1 . Sasniedzot 2. punktu, darba šķidrums ir jāatgriež sākotnējā stāvoklī, tas ir, uz punktu 1. Lai to izdarītu, jums ir jāsaspiež darba šķidrums.

Lai siltumdzinējs nepārtraukti ražotu mehānisko enerģiju, darba šķidruma izplešanās darbam ir jābūt vairāk darba tā saspiešana. Tātad saspiešanas līkne 2-4-1 jāatrodas zem izplešanās līknes. Ja saspiešanas process iet pa līniju 2-3-1 , tad nekāds tehnisks, tas ir, noderīgs, darbs netiks saņemts, jo šajā gadījumā tas būs l 1 = l 2 , Kur l 2 ir negatīvs īpatnējais darba šķidruma saspiešanas darbs. Tāpēc, lai iegūtu lietderīgu darbu, ir nepieciešams samazināt darba šķidruma spiedienu izplešanās procesā, jo daļa siltuma tiek noņemta no tā. q 2 uz siltuma avotu ar zemāku temperatūru T 2 , i., uz auksta siltuma avotu . Respektīvi, l 2 ekvivalents platībai S 2-4-1-5-6-2 . Rezultātā katrs kilograms darba šķidruma veido ciklā noderīgs darbs l c, kas ir līdzvērtīgs laukumam S 1-3-2-4-1 , ko ierobežo cikla kontūra. Tātad priekš nepārtraukts darbs siltuma dzinējam ir nepieciešams ciklisks process, kurā siltums tiek piegādāts darba šķidrumam no karsta avota q 1 un tiek noņemts no tā uz aukstu siltuma avotu q 2 . Vismaz divu siltuma avotu klātbūtne ar atšķirīgu temperatūru - karstā un aukstā - ir otrs nepieciešamais nosacījums siltumdzinēju darbībai. .

Ir ārkārtīgi svarīgi uzsvērt, ka viss ir silti q 1 ko darba šķidrums saņem no karsta avota, nevar pārvērst darbā. daļa q 1 , tas ir q 2 , obligāti jāiedod citam ķermenim (ķermeņiem) ar zemāku temperatūru. Tāds ķermenis var būt atmosfēras gaiss, liels apjomsūdens un tamlīdzīgi. Daudzi mēģinājumi izveidot siltuma dzinēju, kurā viss ir silts q 1 pārvērstos darbā, proti, būtu vienlīdzība q 2 = 0, neizbēgami beidzās ar neveiksmi. Tika izsaukta tāda iekārta, kas visu tai piegādāto siltumu varēja pārvērst darbā otrā veida mūžīgā kustība , vai perpetuum mobile (perpetuum mobile) otrais veids . Visi zinātnes uzkrātie eksperimentālie materiāli liecina, ka šāds dzinējs nav iespējams.

Vēlreiz atzīmējam, ka aukstā siltuma avota klātbūtne un no karstā avota saņemtā siltuma daļas pārnešana uz to ir obligāta, jo pretējā gadījumā siltuma dzinēja darbība nav iespējama. Patiešām, lai iegūtu nepārtrauktu mehānisku darbu, ir nepieciešama enerģijas plūsma Šis gadījums siltuma plūsma. Ja nav aukstuma avota, darba šķidrums neizbēgami nonāks termiskā līdzsvarā ar karsto avotu un siltuma plūsma apstāsies.

1-3-2 Un 2-4-1 attiecīgi izskatīsies šādi:

q 1 = + Du+ l 1 ;

Daudzumi q 2 Un l 2 jāņem modulo, kas ļaus izvairīties no sajaukšanas ar zīmēm y q 2 , jo siltumam, kas iziet no sistēmas, ir mīnusa zīme. Darba šķidruma iekšējai enerģijai ciklam nevajadzētu mainīties, un tāpēc pirms tam Du vienādojumos ir noliktas tieši pretējas algebriskās zīmes. Saskaitot šos vienādojumus, iegūstam:

q 1 - | q 2 | = q c = l 1-½ l 2½ = l c, (6.6.1)

Kur q c - daļa no karstā avota siltuma, kas ciklā pārvēršas darbā; l c – darbs ar velosipēdu 1-3-2-4-1 .

Tā kā izskatāmajā gadījumā l 1 > l 2 , tad cikla darbs ir pozitīvs. Tas, kā parādīts (6.6.1.), ir vienāds ar starpību starp ciklā piegādāto un izņemto siltumu.

Konversijas efektivitāte q 1 V l c novērtēts termiskā (termodinamiskā, termiskā) termiskā dzinēja cikla efektivitāte:

. (6.6.2)

Tādējādi siltumdzinēja cikla termiskā efektivitāte ir ciklā iegūtā lietderīgā darba attiecība l c visam siltumam, kas ievadīts darba šķidrumā q 1 .

Ciklu, kas sastāv no atgriezeniskiem procesiem, sauc par ideālu. Šajā gadījumā darba šķidrumu šādā ciklā nevajadzētu pakļaut ķīmiskām izmaiņām. Ja kaut viens no ciklā iekļautajiem procesiem ir neatgriezenisks, tad cikls vairs nebūs ideāls. Lai veiktu ideālu ciklu siltumdzinējā (dzinējā), nedrīkst būt termiski un mehāniski zudumi. Šādu mašīnu sauc par ideālu siltuma dzinēju (ideālu siltuma dzinēju).

Jo ½ q 2½> 0, tad h T< 1,0, tas ir, siltuma dzinēja efektivitāte, pat ideāla, vienmēr būs mazāka par 1,0. Ideālo ciklu pētījumu rezultātus var pārnest uz reāliem, tas ir, neatgriezeniskiem, reālu siltumdzinēju procesiem, ieviešot eksperimentālus korekcijas koeficientus.

Sakarība (6.6.2.) ir termiskās un mehāniskās enerģijas ekvivalences principa matemātiska izteiksme. Ja no siltumdzinēja ķēdes tiek izslēgts aukstuma avots, tad formāli līdzvērtības princips netiks pārkāpts. Tomēr, kā minēts iepriekš, šāda iekārta nedarbosies.

Cikli, kuru rezultāts ir pozitīvs darbs, tas ir, kad l 1 > l 2 , tiek saukti tiešie cikli , vai siltumdzinēju cikli . Šos ciklus izmanto iekšdedzes dzinēji. reaktīvie dzinēji, gāzes un tvaika turbīnas un tā tālāk.

Ja 6.6.1. attēlā parādītais cikls ir attēlots kā plūstošs pretējā virzienā, tas ir, pa slēgtu līkni 1-4-2-3-1 (skat. 6.6.2. att.), tad tā īstenošanai nepieciešams tērēt darbu l c, kas jau būs negatīvs un līdzvērtīgs apgabalam S 1-4-2-3-1 . Atdzesētais korpuss šādā mašīnā ir auksts siltuma avots, un apsildāmais korpuss ir vide, tas ir, karstā siltuma avots. Šādus ciklus sauc par saldēšanas cikliem, vai saldēšanas (reversie) cikli.

Atbalstīt zema temperatūra atdzesēts ķermenis, ir nepieciešams nepārtraukti noņemt siltumu no tā q 2 , kas no auksta avota nonāk darba šķidrumā. Šī izņemšana saldēšanas ciklā tiek veikta procesā 1-4-2 darba šķidruma izplešanās, kas uztver šo siltumu un vienlaikus darbojas pozitīvs darbs l 2 , ekvivalents apgabalam
S 1-4-2-6-5-1 . Darba šķidruma atgriešanās sākotnējā stāvoklī notiek saspiešanas procesā gar līkni 2-3-1 atrodas virs izplešanās procesa līknes, tas ir, procesā, kas notiek augstākas temperatūras apstākļos. Tas ļauj pārnest no darba šķidruma izņemto siltumu q 1 karsts siltuma avots, kas parasti ir vide. Negatīvs darbs tiek tērēts kompresijai l 1 noteikts apgabalu diagrammā S 2-3-1-5-6-2 .

v

P

v2

v1

R 1

R 2

q 1

q2

Rīsi. 6.6.2. Dzesētāja cikls

Termodinamikas 1. likuma vienādojums procesiem 1-4-2 Un 2-3-1 ņemot vērā algebriskās zīmes komponentu priekšā, attiecīgi ir šāda forma:

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

Abu vienādojumu saskaitīšana pa daļām iegūst:

q 2 - ½ q 1½ = - (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)

Šis izteiciens parāda šo siltumu q 1 , pārnests uz karstu siltuma avotu, sastāv no siltuma q 2 , kas darba šķidrumā iekļuva no auksta siltuma avota, un cikla darbs l c. Jo ½ l 1½ > l 2 , Tas 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 un izveidots īstā vieta temperatūra ir zemāka par temperatūru OS . Saskaņā ar saldēšanas (reversā cikla) ​​saldēšanas iekārtas, siltumsūkņi un tā tālāk.

Saldēšanas iekārtas efektivitāti novērtē ar t.s veiktspējas koeficients e, ko nosaka no aukstuma avota ņemtā lietderīgā siltuma ierobežotās jaudas attiecība q 2 uz paveikto darbu l c:

. (6.6.5)

Veiktspējas koeficients raksturo siltuma pārneses efektivitāti no auksta siltuma avota uz karsto siltuma avotu. Tas būs lielāks, jo lielāks siltuma daudzums q 2 tiks ņemts no aukstā siltuma avota un nodots karstā siltuma avotam, un jo mazāk darba tiks tērēts l c. Atšķirībā no termiskā (termodinamiskā, termiskā) efektivitāte h T veiktspējas koeficients 𝜺 var būt lielāks, mazāks un vienāds ar vienu.

Ledusskapī q 1 nonāk vidē, kas ir neierobežotas jaudas avots . Tāpēc saldēšanas iekārtu var izmantot ne tikai dažādu korpusu dzesēšanai, bet arī telpas apsildīšanai. Patiešām, pat parasts mājsaimniecības ledusskapis, atdzesējot tajā ievietotos produktus, vienlaikus silda gaisu telpā. Dinamiskās apkures principu ierosināja V. Tomsons, un tas ir mūsdienu darbības pamats siltumsūkņi . Siltumsūkņi ir iekārtas, kuru galvenais produkts ir siltums. q 1 pārraidīts uz ierobežotas jaudas avotu . To efektivitāte tiek novērtēta apkures koeficients , kas ir patērētājam nodotā ​​siltuma attiecība q 1 Uz l c:

Šajā gadījumā silts q 2 tiek ņemts no neierobežotas jaudas avota (atmosfēras gaiss, lieli ūdens apjomi, akmeņu masa).

Siltumsūkņa priekšrocība salīdzinājumā ar elektriskais sildītājs Tas sastāv no tā, ka telpu apkurei tiek izmantota ne tikai siltumā pārvērstā elektroenerģija, bet arī no apkārtējās vides paņemtais siltums. Tāpēc siltumsūkņu efektivitāte var būt daudz augstāka nekā elektrisko sildītāju efektivitāte.

Dzinēja cikla un siltumsūkņa vai saldēšanas ciklu kombinācija ir cikls siltuma transformators , kas ļauj sūknēt siltumu no avota ar vienu T uz avotu, no otras puses T kombinētā cikla laikā. Termiskā transformatora mērķis ir mainīt siltuma potenciālu. Ja transformators ir paredzēts siltuma ražošanai ar zemāku T, nekā oriģināls T karstais avots, tad šādu transformatoru sauc nolaišana . Ja siltums tiek saņemts transformatorā plkst T augstāks par sākotnējo siltumu, tad šādu transformatoru sauc paaugstinot .

Tādējādi jebkuras siltuma vai saldēšanas iekārtas darbība ir iespējama tikai tad, ja ir divi siltuma avoti: karstais un aukstais.

Tiek sauktas mašīnas, kurās degvielas iekšējā enerģija tiek pārvērsta mehāniskajā enerģijā siltuma dzinēji. Tajos ietilpst: iekšdedzes dzinēji, tvaika un gāzes turbīnas, reaktīvie dzinēji. Noskaidrosim, kādi apstākļi ir nepieciešami, lai siltumdzinējā degvielas iekšējā enerģija pārvērstos motora darba vārpstas mehāniskajā enerģijā.

Vielu, kas darbojas siltumdzinējā, sauc darba ķermenis. Tvaika dzinējos tas ir tvaiks, bet iekšdedzes dzinējā, reaktīvā dzinējā un gāzes turbīnā tā ir gāze. Kā liecina siltumdzinēju teorija, lai darba šķidrums tajos nepārtraukti veiktu darbu, dzinējā ir nepieciešams sildītājs un ledusskapis. Tiek saukta ierīce, kurā darba šķidrumu silda ar degvielas enerģiju sildītājs(tvaika katls, cilindrs). Tiek saukta ierīce, kurā pēc darba veikšanas tiek atdzesēts darba šķidrums ledusskapis(atmosfēra, kondensators, kurā izplūdes tvaiks tiek atdzesēts ar tekošu ūdeni un pārvēršas ūdenī).

Veiksim šādu eksperimentu (30. att.). Paņemiet U-veida cauruli, kas piepildīta ar ūdeni. Viens caurules elkonis ir savienots ar siltuma uztvērēju (kurā atrodas darba šķidrums - gāze), otrā ceļgalā ir pludiņš A. Siltuma uztvērēju pārmaiņus sildīsim ar spirta lampu un nolaidīsim aukstā ūdenī. . Gara lampa darbojas kā darba šķidruma sildītājs, aukstais ūdens kā ledusskapis. Šāda siltuma dzinēja modeļa darbība sastāv no atkārtota procesa - ūdens pacelšanas un nolaišanas kopā ar pludiņu. Tas notiek šādi: darba šķidrums (gāze), uzsilstot sildītājā un izplešoties, veic ūdens pacelšanas darbu ar pludiņu; lai darba šķidrums atkal varētu strādāt, to atdzesē ledusskapī un pēc tam atkal uzsilda. Kamēr šis process tiks atkārtots - šāda dzinēja modelis darbosies.

Siltuma dzinējs darbojas nepārtraukti. Tas notiek tāpēc, ka tajā periodiski atkārtojas procesi, kas notiek ar darba šķidrumu: tas uzsilst, izplešas, strādā, atdziest, atkal uzsilst utt. (Izsekojiet tam iekšdedzes dzinēja darbībā. Tātad, siltumdzinēja darbībai ir nepieciešams: sildītājs, darba šķidrums un ledusskapis.

Periodiski atkārtojošiem procesiem tika atklāts likums, saskaņā ar kuru nav iespējams veikt šādu periodiski atkārtojošu procesu, vienīgais un gala rezultāts kas būtu no sildītāja saņemtā siltuma daudzuma pilnīga pārvēršana darbā. Attiecībā uz siltumdzinēju tas nozīmē: siltuma daudzumu, ko darba šķidrums saņem no sildītāja, nevar pilnībā izmantot darba veikšanai, jo notiek liela skaita molekulu nejaušas kustības iekšējās enerģijas pilnīgas pārejas process. korpusa kustības mehāniskajā enerģijā (dzinēja virzulis, turbīnas lāpstiņritenis) nav iespējams. ).

Lai darba šķidrums atkal un atkal strādātu īstos siltumdzinējos, izlietotā darba šķidruma daļa tiek noņemta no dzinēja uz ledusskapi, tas ir, atmosfērā, vai uz kondensatoru ūdens sildīšanai, vai apkure (31. att.). Tajā pašā laikā, lai noņemtu pēc iespējas mazāk darba, temperatūra un spiediens ledusskapī vienmēr ir zemāki nekā motora darba kamerā. Sakarā ar atšķirību starp tvaika un tā noņemšanas darbu, dzinējs veic noderīgu darbu. No enerģētikas viedokļa siltumdzinējos notiekošais process ir šāds (32. att.): darba šķidrums no sildītāja saņem siltuma daudzumu Q n, no kuras daļu atdod ledusskapī Q x , un atlikuma dēļ tas veic darbu A \u003d Q n - Q x.

Siltumdzinējiem ir daudz pielietojumu. Karburatora dzinēji, piemēram, tiek pielietoti automašīnās, motociklos; dīzeļdzinēji - traktoros, automašīnās smaga slodze, dīzeļlokomotīves, motorkuģi, jūras kuģi; tvaika turbīnas - spēkstacijās; gāzturbīnas - spēkstacijās, gāzturbīnu lokomotīvēs, pūtēju piedziņas domnās ir daļa no viena no reaktīvo dzinēju veidiem; reaktīvie dzinēji - aviācijā, raķetēs.

Siltuma dzinējs pārvērš siltumu darbā, citiem vārdiem sakot, tas paņem siltumu no dažiem ķermeņiem un nodod to citiem ķermeņiem mehāniska darba veidā. Lai veiktu šo transformāciju, ir nepieciešami divi dažādi apsildāmi ķermeņi, starp kuriem iespējama siltuma apmaiņa. Īsuma labad karstāku korpusu sauksim par sildītāju, bet aukstāko – par ledusskapi. Šādu divu ķermeņu klātbūtnē siltuma pārvēršanas darbā process tiek uzzīmēts šādi: paplašināms korpuss (darba korpuss) tiek nogādāts saskarē ar sildītāju. Siltums tiek ņemts no sildītāja un tiek izmantots izplešanās darbam, kas tiek nodots apkārtējiem ķermeņiem. Tālāk darba šķidrums nonāk saskarē ar ledusskapi, kuram tas izdala siltumu

sakarā ar ārējo spēku veikto darbu uz darba ķermeni.

Lai iegūtu nepārtraukti strādājošu siltumdzinēju, kompresijas gājiens jāpabeidz vietā, kurā sākās izplešanās gājiens; īsi sakot, procesam jābūt cikliskam. darba ķermenis pēc katra cikla tas atgriežas sākotnējā stāvoklī. Tāpēc enerģijas nezūdamības likums nosaka, ka enerģijai, kas tiek saņemta no apkārtējiem ķermeņiem, jābūt vienādai ar enerģiju, kas tiek nodota apkārtējiem ķermeņiem. No saņemtās vides: siltums izplešanās laikā un darbs A 2 darba šķidruma saspiešanas laikā. Ņemot vērā vidi: darbs A! paplašinot ķermeni un siltumu saraujoties. Tāpēc vai Kad cikls tiek veikts pulksteņrādītāja virzienā, tiek veikta saspiešanas darbs mazāk darba paplašinājumi. Tāpēc pēdējā vienlīdzība izsaka vienkāršu faktu, ka neto darbu nodod darba iestāde ārējā vide, ir vienāds ar siltuma starpību, kas saņemta no sildītāja un nodota ledusskapī. Attiecīgi koeficients noderīga darbība cikls un līdz ar to visa iekārta būs vienāda ar

Aprakstītais siltumdzinēja darbības process, protams, ir abstrakta shēma. Tomēr katra siltumdzinēja būtiskākās iezīmes atspoguļo šī shēma. Darba šķidrums ir izplešas un saraujas gāze vai tvaiks, vide spēlē ledusskapja lomu. Sildītājs ir tvaika katls vai iekšdedzes dzinējos degmaisījums.

Tās pašas trīs sistēmas ir nepieciešamas arī saldēšanas iekārtai, kurā notiek cikls otrā puse. Šīs iekārtas darbības princips ir šāds: darba šķidruma izplešanās tiek veikta, kad tā saskaras ar ledusskapi. Tas vēl vairāk atdzesē auksto ķermeni, kas ir saldēšanas iekārtas uzdevums. Turklāt, lai cikls būtu iespējams, ir nepieciešams saspiest darba šķidrumu un pārnest no ledusskapja saņemto siltumu. Tas tiek darīts, kad darba šķidrums nonāk saskarē ar sildītāju. Tādējādi karstāks ķermenis uzkarst vēl vairāk. Par "nedabisko" siltuma pārnesi no mazāk sakarsēta ķermeņa uz vairāk sakarsētu ķermeni "apmaksā" darbs. Patiešām, kad cikls tiek veikts pretēji pulksteņrādītāja virzienam, enerģijas vienlīdzība, kas tiek pārnesta uz vidi, un enerģija, kas ņemta no vides (t.i., vai kur mēs joprojām atsaucamies ar indeksu 1 uz procesa daļu, kas notiek saskarē ar karstāku ķermeni) ir šāda nozīme: no sistēmas izņemtais siltuma daudzums ir jākompensē ar vienādu mehāniskā darba apjomu.

Otrais termodinamikas likums uzliek dažus nosacījumus siltumdzinēja darbībai. Ja mēs pieņemam, ka process ir atgriezenisks, tad darba šķidruma entropijas izmaiņām pēc cikla iziešanas jābūt vienādām ar nulli. Citiem vārdiem sakot, pārmaiņas

entropijai izplešanās laikā jābūt vienādai (ar pretēju zīmi) ar entropijas izmaiņām saspiešanas laikā, t.i.

Neatgriezeniska procesa gadījumā palielināsies entropija slēgtai sistēmai, kas sastāv no sildītāja, ledusskapja un darba šķidruma, un tāpēc palielināsies.

(Atgādinām, ka ir algebrisks lielums. Sistēmā ienākošais siltums tiek uzskatīts par pozitīvu.) Aprēķinot šo integrāļu vērtības konkrētiem procesiem, dažos gadījumos ir diezgan viegli atrast aparāta maksimālās efektivitātes vērtību. īpašs siltumdzinēja cikls.

« Fizika — 10. klase

Kas ir termodinamiskā sistēma un kādi parametri raksturo tās stāvokli.
Nosakiet pirmo un otro termodinamikas likumu.

Tieši siltumdzinēju teorijas izveide noveda pie otrā termodinamikas likuma formulēšanas.

Iekšējās enerģijas rezerves zemes garozā un okeānos var uzskatīt par praktiski neierobežotām. Bet, lai atrisinātu praktiskas problēmas, ar enerģijas rezervēm joprojām nepietiek. Tāpat ir jāspēj izmantot enerģiju, lai iedarbinātu rūpnīcās un rūpnīcās esošās mašīnas, transportlīdzekļus, traktorus un citas mašīnas, rotētu ģeneratoru rotorus. elektriskā strāva utt. Cilvēcei ir vajadzīgi dzinēji - ierīces, kas spēj veikt darbu. Lielākā daļa dzinēju uz Zemes ir siltuma dzinēji.

Siltuma dzinēji - Tās ir ierīces, kas pārvērš degvielas iekšējo enerģiju mehāniskā darbā.

Siltumdzinēju darbības princips.

Lai dzinējs strādātu, ir nepieciešama spiediena starpība abās dzinēja virzuļa vai turbīnas lāpstiņu pusēs. Visos siltumdzinējos šī spiediena starpība tiek panākta, paaugstinot temperatūru darba ķermenis(gāze) simtiem vai tūkstošiem grādu virs apkārtējās vides temperatūras. Šis temperatūras pieaugums notiek degvielas sadegšanas laikā.

Viena no galvenajām dzinēja daļām ir ar gāzi pildīts trauks ar kustīgu virzuli. Darba šķidrums visos siltumdzinējos ir gāze, kas darbojas izplešanās laikā. Apzīmēsim darba šķidruma (gāzes) sākotnējo temperatūru caur T 1 . Šī temperatūra iekšā tvaika turbīnas vai mašīnas iegūst tvaiku tvaika katlā. iekšdedzes dzinējos un gāzes turbīnas temperatūras paaugstināšanās notiek, kad degviela tiek sadedzināta pašā dzinējā. Temperatūru T 1 sauc sildītāja temperatūra.

Ledusskapja loma

Darba gaitā gāze zaudē enerģiju un neizbēgami atdziest līdz noteiktai temperatūrai T 2 , kas parasti ir nedaudz augstāka par apkārtējās vides temperatūru. Viņi viņu sauc ledusskapja temperatūra. Ledusskapis ir atmosfēra vai īpašas ierīces izplūdes tvaika dzesēšanai un kondensēšanai - kondensatori. Pēdējā gadījumā ledusskapja temperatūra var būt nedaudz zemāka par apkārtējās vides temperatūru.

Tādējādi dzinējā darba šķidrums izplešanās laikā nevar atdot visu savu iekšējo enerģiju, lai veiktu darbu. Daļa siltuma neizbēgami tiek nodota ledusskapī (atmosfērā) kopā ar izplūdes tvaiku vai izplūdes gāzes iekšdedzes dzinēji un gāzes turbīnas.

Šī degvielas iekšējās enerģijas daļa tiek zaudēta. Siltumdzinējs veic darbu, pateicoties darba šķidruma iekšējai enerģijai. Turklāt šajā procesā siltums tiek pārnests no karstākiem korpusiem (sildītājs) uz aukstākiem (ledusskapi). ķēdes shēma siltumdzinējs ir parādīts 13.13. attēlā.

Dzinēja darba šķidrums degvielas sadegšanas laikā saņem no sildītāja siltuma daudzumu Q 1, veic darbu A "un pārnes siltuma daudzumu uz ledusskapi. Q2< Q 1 .

Lai dzinējs strādātu nepārtraukti, ir nepieciešams atgriezt darba šķidrumu sākotnējā stāvoklī, kurā darba šķidruma temperatūra ir vienāda ar T 1 . No tā izriet, ka dzinēja darbība notiek saskaņā ar periodiski atkārtotiem slēgtiem procesiem vai, kā saka, pēc cikla.

Cikls ir procesu virkne, kuras rezultātā sistēma atgriežas sākotnējā stāvoklī.

Siltumdzinēja veiktspējas koeficients (COP).

Neiespējamība pilnībā pārvērst gāzes iekšējo enerģiju siltumdzinēju darbā ir saistīta ar procesu neatgriezeniskumu dabā. Ja siltums varētu spontāni atgriezties no ledusskapja uz sildītāju, tad iekšējo enerģiju varētu pilnībā pārvērst lietderīgā darbā, izmantojot jebkuru siltumdzinēju. Otro termodinamikas likumu var formulēt šādi:

Otrais termodinamikas likums:
neiespējami izveidot mūžīgā kustības mašīna otrā veida, kas pilnībā pārvērstu siltumu mehāniskā darbā.

Saskaņā ar enerģijas nezūdamības likumu dzinēja darbs ir šāds:

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

kur Q 1 - siltuma daudzums, kas saņemts no sildītāja, un Q2 - siltuma daudzums, kas tiek nodots ledusskapim.

Siltumdzinēja veiktspējas koeficients (COP) ir dzinēja veiktā darba A attiecība pret siltuma daudzumu, kas saņemts no sildītāja:

Tā kā visos dzinējos kāds siltuma daudzums tiek pārnests uz ledusskapi, tad η< 1.

Maksimums efektivitātes vērtība siltuma dzinēji.

Termodinamikas likumi ļauj aprēķināt maksimāli iespējamo siltuma efektivitāte dzinējs, kas darbojas ar sildītāju, kura temperatūra ir T 1, un ledusskapi ar temperatūru T 2, kā arī noteikt veidus, kā to palielināt.

Pirmo reizi maksimālo iespējamo siltuma dzinēja efektivitāti aprēķināja franču inženieris un zinātnieks Sadi Carnot (1796-1832) savā darbā “Pārdomas par uguns dzinējspēku un mašīnām, kas spēj attīstīt šo spēku” (1824). ).

Carnot nāca klajā ar ideālu siltuma dzinēju ideāla gāze kā darba iestāde. Ideāls Karno siltumdzinējs darbojas ciklā, kas sastāv no divām izotermām un diviem adiabātiem, un šie procesi tiek uzskatīti par atgriezeniskiem (13.14. att.). Vispirms trauks ar gāzi nonāk saskarē ar sildītāju, gāze izotermiski izplešas, veicot pozitīvu darbu, pie temperatūras T 1, kamēr tā saņem siltuma daudzumu Q 1 .

Pēc tam trauks tiek termiski izolēts, gāze turpina jau adiabātiski izplesties, savukārt tās temperatūra pazeminās līdz ledusskapja temperatūrai T 2 . Pēc tam gāze nonāk saskarē ar ledusskapi, izotermiskā kompresijā tā atdod ledusskapim siltuma daudzumu Q 2, saspiežoties līdz tilpumam 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:

Kā izriet no formulas (13.17.), mašīnas efektivitāte Carnot ir tieši proporcionāls starpībai absolūtās temperatūras sildītājs un ledusskapis.

Šīs formulas galvenā nozīme ir tāda, ka tā norāda veidu, kā palielināt efektivitāti, šim nolūkam ir nepieciešams paaugstināt sildītāja temperatūru vai pazemināt ledusskapja temperatūru.

Jebkuram reālam siltumdzinējam, kas darbojas ar sildītāju ar temperatūru T 1 un ledusskapi ar temperatūru T 2, nevar būt efektivitāte, kas pārsniedz ideāla siltumdzinēja efektivitāti: Procesi, kas veido reāla siltumdzinēja ciklu, nav atgriezeniski.

Formula (13.17) dod teorētisko robežu siltumdzinēju efektivitātes maksimālajai vērtībai. Tas parāda, ka siltuma dzinējs ir efektīvāks, jo lielāka ir temperatūras starpība starp sildītāju un ledusskapi.

Tikai ledusskapja temperatūrā, kas vienāda ar absolūto nulli, η = 1. Turklāt ir pierādīts, ka pēc formulas (13.17) aprēķinātā efektivitāte nav atkarīga no darba vielas.

Bet ledusskapja temperatūra, kuras lomu parasti spēlē atmosfēra, praktiski nevar būt zemāka par apkārtējās vides temperatūru. Jūs varat paaugstināt sildītāja temperatūru. Tomēr jebkuram materiālam (cietam korpusam) ir ierobežota karstumizturība vai karstumizturība. Sildot, tas pakāpeniski zaudē savas elastīgās īpašības un, kad tas ir pietiekami paaugstināta temperatūra kūst.

Tagad galvenie inženieru centieni ir vērsti uz palielināšanu Dzinēja efektivitāte samazinot to detaļu berzi, degvielas zudumus tās nepilnīgas sadegšanas dēļ u.c.

Priekš tvaika turbīna sākotnējā un beigu tvaika temperatūra ir aptuveni šāda: T 1 - 800 K un T 2 - 300 K. Šajās temperatūrās maksimālā efektivitāte ir 62% (ņemiet vērā, ka efektivitāti parasti mēra procentos). Faktiskā efektivitātes vērtība dažāda veida enerģijas zudumu dēļ ir aptuveni 40%. Dīzeļdzinējiem ir maksimālā efektivitāte - aptuveni 44%.

Vides aizsardzība.

Grūti iedomāties mūsdienu pasaule bez siltumdzinējiem. Viņi mums nodrošina ērtu dzīvi. Siltuma dzinēji vada transportlīdzekļus. Apmēram 80% elektroenerģijas, neskatoties uz atomelektrostaciju klātbūtni, tiek ražoti, izmantojot siltumdzinējus.

Tomēr siltumdzinēju darbības laikā rodas neizbēgams vides piesārņojums. Tā ir pretruna: no vienas puses, ar katru gadu cilvēcei nepieciešams arvien vairāk enerģijas, kuras galvenā daļa tiek iegūta, sadedzinot degvielu, no otras puses, sadegšanas procesus neizbēgami pavada vides piesārņojums.

Degvielu sadedzinot, skābekļa saturs atmosfērā samazinās. Turklāt veidojas paši sadegšanas produkti ķīmiskie savienojumi kaitīgs dzīviem organismiem. Piesārņojums notiek ne tikai uz zemes, bet arī gaisā, jo jebkuru gaisa kuģa lidojumu pavada kaitīgu piemaisījumu emisija atmosfērā.

Viena no dzinēju darbības sekām ir oglekļa dioksīda veidošanās, kas absorbē infrasarkano starojumu no Zemes virsmas, kas izraisa atmosfēras temperatūras paaugstināšanos. Šis tā sauktais Siltumnīcas efekts. Mērījumi liecina, ka atmosfēras temperatūra paaugstinās par 0,05 °C gadā. Šāda nepārtraukta temperatūras paaugstināšanās var izraisīt ledus kušanu, kas savukārt novedīs pie ūdens līmeņa izmaiņām okeānos, t.i., pie kontinentu applūšanas.

Atzīmēsim vēl vienu negatīvs moments izmantojot siltumdzinējus. Tāpēc dažreiz dzinēju dzesēšanai tiek izmantots upju un ezeru ūdens. Pēc tam sakarsētais ūdens tiek atgriezts atpakaļ. Temperatūras paaugstināšanās ūdenstilpēs izjauc dabisko līdzsvaru, šo parādību sauc par termisko piesārņojumu.

Vides aizsardzībai dažādi tīrīšanas filtri novēršot nokļūšanu atmosfērā kaitīgās vielas dzinēju konstrukcijas tiek uzlabotas. Pastāvīgi tiek pilnveidota degviela, kas degšanas laikā dod mazāk kaitīgo vielu, kā arī tās sadegšanas tehnoloģija. Aktīvi attīstīts alternatīvi avoti enerģija, izmantojot vēju, saules starojumu, kodolenerģiju. Jau tagad tiek ražoti elektriskie transportlīdzekļi un ar saules enerģiju darbināmi transportlīdzekļi.

siltuma dzinējs - ierīce, kas pārvērš sadegušās degvielas iekšējo enerģiju mehāniskajā enerģijā. Siltumdzinēju veidi : 1) iekšdedzes dzinēji: a) dīzelis, b) karburators; 2) tvaika dzinēji; 3) turbīnas: a) gāze, b) tvaiks.

Visiem šiem siltumdzinējiem ir atšķirīgs dizains, taču tie sastāv no trīs galvenās daļas Kabīne: autonoms sildītājs, darba vide un ledusskapis. Sildītājs nodrošina dzinējam siltumu. darba ķermenis daļu saņemtā siltuma pārvērš mehāniskā darbā. Ledusskapis paņem daļu siltuma no darba šķidruma.

T1– sildītāja temperatūra;

T2– ledusskapja temperatūra;

Q1- saņemtais siltums

no sildītāja;

Q2- izdalītais siltums

ledusskapis;

A"- darbs darīts

dzinējs.

Jebkura siltumdzinēja darbība sastāv no atkārtotiem cikliskiem procesiem – cikliem. Cikls - šī ir tāda termodinamisko procesu secība, kuras rezultātā sistēma atgriežas sākotnējā stāvoklī.

Efektivitātes koeficients (COP) siltumdzinējs ir dzinēja veiktā darba attiecība pret siltuma daudzumu, kas saņemts no sildītāja: .

Franču inženieris Sadi Carnot apsvēra ideāls siltuma dzinējs ar ideālu gāzi kā darba šķidrumu. Viņš atrada labāko ideāls cikls siltumdzinējs, kas sastāv no diviem izotermiskiem un diviem adiabātiskiem atgriezeniskiem procesiem - carnot cikls . Šāda siltumdzinēja efektivitāte ar sildītāju temperatūrā un ledusskapi temperatūrā: . Neatkarīgi no siltuma dzinēja konstrukcijas, darba šķidruma izvēles un procesu veida, tā efektivitāte nevar būt lielāka par siltumdzinēja efektivitāti, kas darbojas saskaņā ar Karno ciklu un kam ir tāda pati sildītāja un dzesētāja temperatūra kā šim siltuma dzinējam.

Siltumdzinēju efektivitāte ir zema, tāpēc svarīgākais tehniskais uzdevums ir to palielināt. Siltuma dzinējiem ir divi būtiski trūkumi. Pirmkārt, lielākā daļa siltuma dzinēju izmanto organiskā degviela, kuras ieguve ātri noplicina planētas resursus. Otrkārt, degvielas sadegšanas rezultātā vidē nonāk milzīgs daudzums kaitīgu vielu, kas rada būtiskas vides problēmas.

Vācu fiziķa R. Klasiusa atklājums 1850. gadā ir saistīts ar termodzinēju maksimālās efektivitātes jautājuma izpēti. otrais termodinamikas likums : nav iespējams tāds process, kurā siltums spontāni pārietu no aukstākiem ķermeņiem uz karstākiem ķermeņiem.

Fizikālie lielumi un to mērvienības:

Nosaukuma vērtība	Apzīmējums	Vienība	Formula
Relatīvā molekulmasa	M r(ēē)	bezizmēra daudzums
Vienas molekulas (atoma) masa	m0	Kilograms
Svars	m	Kilograms
Molārā masa	M
Vielas daudzums	ν (pliks)	kurmis(mol)	;
Daļiņu skaits	N(lv)	bezizmēra daudzums
Spiediens	lpp(pe)	Pa(paskāls)
Koncentrēšanās	n(lv)
Apjoms	V(ve)
Vidējā kinētiskā enerģija kustība uz priekšu molekulas		Dž(džouls)
Celsija temperatūra	t	°C
Temperatūra Kelvins	T	UZ(kelvins)
Molekulu vidējais kvadrātiskais ātrums
Virsmas spraigums	σ (sigma)
Absolūtais mitrums	ρ (ro)
Relatīvais mitrums	φ (fi)	%
Iekšējā enerģija	U(y)	Dž(džouls)
Darbs	A(A)	Dž(džouls)
Siltuma daudzums	J(ku)	Dž(džouls)