Niezbędne warunki eksploatacji silników cieplnych

Powstanie i rozwój termodynamiki spowodowane było przede wszystkim potrzebą opisu pracy i obliczenia parametrów maszyny termiczne . maszyny termiczne, czyli silniki cieplne, są przeznaczone do uzyskiwania pracy technicznej (użytecznej) za sprawą ciepła wydzielanego w wyniku reakcji chemicznych (spalanie paliwa), reakcji jądrowych lub z innych przyczyn, np. ogrzewania energią słoneczną.

Z rozważenia podstawowych zasad działania silników cieplnych, niezależnie od ich konstrukcji, wynika, że ​​ciągła zamiana energii cieplnej na Praca mechaniczna zrobione w nich z pomocą organ pomocniczy , zwany w termodynamice ciało robocze . Jak wspomniano wcześniej, najbardziej odpowiednie jako organy robocze w ich właściwości fizyczne to gazy i opary cieczy, ponieważ charakteryzują się największą zdolnością do zmiany objętości podczas zmiany R I T .

Ponadto działanie tych maszyn jest możliwe tylko po spełnieniu dwóch niezbędnych warunków. Pierwszy warunek czy to każdy silnik cieplny musi działać cyklicznie, to znaczy ciało robocze, wykonując szereg procesów rozszerzania się i kurczenia w pewnym okresie czasu, musi powrócić do swojego pierwotnego stanu. Cykl ten musi być powtarzany przez cały okres eksploatacji maszyny, przy czym w zależności od konstrukcji silnika cieplnego poszczególne części cyklu mogą być realizowane w różnych jego częściach. części składowe. W przypadku braku cyklu, na przykład w dowolnym procesie, tylko rozprężanie gazu w komorze roboczej (cylinder silnika wewnętrzne spalanie, kanały łopatek roboczych turbin parowych i gazowych) odpowiednio silnika cieplnego, nadejdzie chwila, kiedy R I T płyn roboczy stanie się równy R I T środowisko, a to przestanie otrzymywać pracę. W takim przypadku możesz otrzymać tylko ograniczoną ilość pracy. Aby ponownie uzyskać pracę, konieczne jest albo przywrócenie płynu roboczego do pierwotnego stanu podczas procesu sprężania, albo jakoś usunięcie zużytego płynu roboczego z komory roboczej i wypełnienie tej komory nową częścią tego korpusu. Z punktu widzenia analizy termodynamicznej pracy silnika cieplnego zupełnie nie trzeba zajmować się nowymi porcjami płynu roboczego, gdyż dla procesu zamiany energii cieplnej na pracę mechaniczną nie ma znaczenia, czy stary płyn roboczy pozostaje w komorze roboczej lub wprowadzany jest nowy. Można zatem przyjąć, że w cylindrze silnika cieplnego znajduje się taka sama ilość płynu roboczego, który cyklicznie przechodząc szereg zmian swojego stanu od stanu początkowego do końcowego i odwrotnie, zamienia energię cieplną na pracę mechaniczną.

w

P

v2

v1

R 1

R2

q 1

q2

Ryc.6.6.1. Cykl silnika cieplnego

Rozważ cykl kołowy silnika cieplnego pokazany na rysunku. W trakcie rozszerzania płynu roboczego wzdłuż linii 1-3-2 do niego ze źródła energii cieplnej o temp T 1 , tj. z gorącego źródła ciepła , ciepło jest dostarczane w ilości Q 1 . W rezultacie następuje dodatkowy wzrost objętości płynu roboczego. W ten sposób rozszerzanie się płynu roboczego odbywa się zarówno poprzez zmniejszenie ciśnienia w komorze roboczej, jak i poprzez zwiększenie jego temperatury. Aby jednak uzyskać pracę mechaniczną, proces rozprężania ogrzanego płynu roboczego w komorze roboczej musi przebiegać pod pewnym przeciwciśnieniem od strony ruchomych powierzchni komory roboczej. Powoduje to dodatnią specyficzną pracę mechaniczną l 1 , a mianowicie praca rozszerzania się ciała roboczego, jest równoważna polu S 1-3-2-6-5-1 . Po osiągnięciu punktu 2 płyn roboczy musi powrócić do pierwotnego stanu, czyli do punktu 1. Aby to zrobić, należy skompresować płyn roboczy.

Aby silnik cieplny mógł w sposób ciągły wytwarzać energię mechaniczną, praca rozprężania płynu roboczego musi być więcej pracy jego kompresja. A więc krzywa kompresji 2-4-1 musi leżeć poniżej krzywej ekspansji. Jeśli proces kompresji przebiega zgodnie z linią 2-3-1 , wtedy nie otrzyma się żadnej technicznej, to znaczy użytecznej pracy, ponieważ w tym przypadku tak będzie l 1 = l 2 , Gdzie l 2 jest ujemną pracą właściwą sprężania płynu roboczego. Dlatego, aby uzyskać użyteczną pracę, konieczne jest zmniejszenie ciśnienia płynu roboczego podczas procesu rozprężania w wyniku usunięcia z niego części ciepła. Q 2 do źródła ciepła o niższej temperaturze T 2 , tj. do źródła zimnego ciepła . Odpowiednio, l 2 odpowiednik powierzchni S 2-4-1-5-6-2 . W rezultacie każdy kilogram płynu roboczego wytwarza na cykl pożyteczna praca l C, co jest równoważne z obszarem S 1-3-2-4-1 , ograniczona konturem cyklu. Więc dla ciągła praca silnik cieplny wymaga cyklicznego procesu, w którym ciepło jest dostarczane do płynu roboczego z gorącego źródła q 1 i jest usuwany z niego do zimnego źródła ciepła Q 2 . Obecność co najmniej dwóch źródeł ciepła o różnych temperaturach - gorącego i zimnego - jest drugim niezbędnym warunkiem działania silników cieplnych. .

Niezwykle ważne jest podkreślenie, że wszystko jest ciepłe q 1 otrzymana przez płyn roboczy z gorącego źródła nie może zostać zamieniona na pracę. Część Q 1 , to jest Q 2 , koniecznie musi być podane innemu ciału (ciałom) o niższej temperaturze. Takie ciało może być powietrze atmosferyczne, duża objętość woda i tym podobne. Liczne próby stworzenia silnika cieplnego, w którym wszystko jest ciepłe Q 1 zamieniłaby się w pracę, to znaczy byłaby równość Q 2 = 0, nieuchronnie zakończyło się niepowodzeniem. Nazywano taką maszynę, która mogła przekształcić całe dostarczone do niej ciepło w pracę perpetuum mobile drugiego rodzaju , Lub perpetuum mobile (perpetuum mobile) drugi rodzaj . Cały materiał eksperymentalny zgromadzony przez naukę pokazuje, że taki silnik jest niemożliwy.

Jeszcze raz zauważamy, że obecność zimnego źródła ciepła i przekazanie do niego części ciepła otrzymanego z gorącego źródła jest obowiązkowe, ponieważ w przeciwnym razie działanie silnika cieplnego jest niemożliwe. Rzeczywiście, aby uzyskać ciągłą pracę mechaniczną, konieczny jest przepływ energii, w ta sprawa Przepływ ciepła. Jeśli nie ma zimnego źródła, płyn roboczy nieuchronnie wejdzie w równowagę termiczną z gorącym źródłem i przepływ ciepła zostanie zatrzymany.

1-3-2 I 2-4-1 będzie odpowiednio wyglądać:

q 1 = + Du+ l 1 ;

Wielkie ilości Q 2 I l 2 należy przyjąć modulo, co pozwoli uniknąć pomyłki ze znakami y Q 2 , ponieważ ciepło opuszczające układ ma znak minus. Energia wewnętrzna płynu roboczego dla cyklu nie powinna się zmieniać, a zatem wcześniej Du w równaniach umieszcza się bezpośrednio przeciwne znaki algebraiczne. Dodając te równania, otrzymujemy:

q 1 - | Q 2 | = Q do = l 1-½ l 2 ½ = l C, (6.6.1)

Gdzie q c - część ciepła gorącego źródła, przeliczona na pracę w obiegu; l c – praca cykliczna 1-3-2-4-1 .

Ponieważ w rozpatrywanej sprawie l 1 > l 2 , to praca w cyklu jest dodatnia. Jak wynika z (6.6.1), jest ono równe różnicy między ciepłem dostarczonym a odebranym w cyklu.

Sprawność konwersji Q 1 V l C oceniane termiczna (termodynamiczna, termiczna) sprawność cyklu silnika cieplnego:

. (6.6.2)

Zatem sprawność cieplna cyklu silnika cieplnego jest stosunkiem pracy użytecznej uzyskanej w cyklu l C na całe ciepło wprowadzone do płynu roboczego Q 1 .

Cykl składający się z procesów odwracalnych nazywa się idealnym. W takim przypadku płyn roboczy w takim cyklu nie powinien być poddawany przemianom chemicznym. Jeśli przynajmniej jeden z procesów wchodzących w skład cyklu jest nieodwracalny, to cykl nie będzie już idealny. Aby wykonać idealny obieg w silniku cieplnym (silniku), nie mogą wystąpić żadne straty termiczne i mechaniczne. Taka maszyna nazywana jest idealnym silnikiem cieplnym (idealnym silnikiem cieplnym).

Ponieważ ½ Q 2½> 0, więc h T< 1,0, czyli sprawność silnika cieplnego, nawet idealnego, zawsze będzie mniejsza od 1,0. Wyniki badań cykli idealnych można przenieść na rzeczywiste, to znaczy nieodwracalne procesy rzeczywistych silników cieplnych, wprowadzając eksperymentalne współczynniki poprawkowe.

Zależność (6.6.2) jest matematycznym wyrażeniem zasady równoważności energii cieplnej i mechanicznej. Jeśli źródło zimna zostanie wyłączone z obwodu silnika cieplnego, to formalnie zasada równoważności nie zostanie naruszona. Jednak, jak wspomniano powyżej, taka maszyna nie będzie działać.

Cykle skutkujące pozytywną pracą, czyli kiedy l 1 > l 2 , są nazywane bezpośrednie cykle , Lub cykle silnika cieplnego . Cykle te są wykorzystywane przez silniki spalinowe. silniki odrzutowe, turbin gazowych i parowych i tak dalej.

Jeżeli cykl pokazany na rys. 6.6.1 przedstawić jako płynący w przeciwnym kierunku, to znaczy po krzywej zamkniętej 1-4-2-3-1 (patrz ryc. 6.6.2), to do jego realizacji konieczne jest poświęcenie pracy l C, co będzie już ujemne i równoważne z polem S 1-4-2-3-1 . Chłodzony korpus w takiej maszynie jest zimnym źródłem ciepła, a ogrzany korpus to otoczenie, czyli gorące źródło ciepła. Takie cykle nazywane są cyklami chłodzenia, Lub cykle chłodzenia (odwrotne).

Wspierać niska temperatura schłodzone ciało, konieczne jest ciągłe odprowadzanie z niego ciepła Q 2 , który dostaje się do płynu roboczego z zimnego źródła. To wycofanie w cyklu chłodzenia odbywa się w procesie 1-4-2 ekspansja płynu roboczego, który odbiera to ciepło i jednocześnie działa pozytywna praca l 2 , równoważne z obszarem
S 1-4-2-6-5-1 . Powrót płynu roboczego do pierwotnego stanu następuje w procesie kompresji wzdłuż krzywej 2-3-1 znajduje się powyżej krzywej procesu rozprężania, czyli w procesie zachodzącym w warunkach wyższej temperatury. Umożliwia to przenoszenie ciepła usuniętego z płynu roboczego q 1 gorące źródło ciepła, którym zwykle jest otoczenie. Praca ujemna jest wydatkowana na kompresję l 1 określone na wykresie warstwowym S 2-3-1-5-6-2 .

w

P

v2

v1

R 1

R2

q 1

q2

Ryż. 6.6.2. Cykl agregatu chłodniczego

Równanie I zasady termodynamiki dla procesów 1-4-2 I 2-3-1 biorąc pod uwagę znaki algebraiczne przed składnikami, odpowiednio, mają postać:

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

Dodanie przez części obu równań daje:

q 2 - ½ Q 1 ½= - (½ l 1 ½ - l 2) = -½ l do ½ (6.6.3)

½ Q 1½= Q 2+½ l ok. ½ (6.6.4)

To wyrażenie pokazuje to ciepło Q 1 , przekazywana do gorącego źródła ciepła, składa się z ciepła Q 2 , który dostał się do płynu roboczego z zimnego źródła ciepła i pracy cyklu l C. Ponieważ ½ l 1 ½ > l 2 , To 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 system operacyjny i stworzony w właściwe miejsce temperatura jest niższa niż temp system operacyjny . Zgodnie z chłodzeniem (cykl odwrócony) maszyny chłodnicze, pompy ciepła i tak dalej.

Sprawność maszyny chłodniczej ocenia się za pomocą tzw współczynnik wydajności e, określony przez stosunek ograniczonej pojemności ciepła użytkowego pobranego ze źródła chłodu Q 2 do wykonanej pracy l C:

. (6.6.5)

Współczynnik wydajności charakteryzuje efektywność wymiany ciepła z zimnego źródła ciepła do gorącego źródła ciepła. Będzie ona tym większa, im większa ilość ciepła Q 2 zostanie pobrana z zimnego źródła ciepła i przeniesiona do gorącego źródła ciepła, a tym mniej pracy zostanie na to włożone l C. w odróżnieniu sprawność cieplna (termodynamiczna, termiczna) h T współczynnik wydajności 𝜺 może być większy, mniejszy i równy jeden.

W lodówce Q 1 uwalniane do środowiska, tj źródło nieograniczonej pojemności . Dlatego maszyna chłodnicza może służyć nie tylko do chłodzenia różnych ciał, ale także do ogrzewania pomieszczenia. Rzeczywiście, nawet zwykła domowa lodówka, chłodząc umieszczone w niej produkty, jednocześnie ogrzewa powietrze w pomieszczeniu. Zasada dynamicznego ogrzewania została zaproponowana przez W. Thomsona i stanowi podstawę działania współczesnych pompy ciepła . Pompy ciepła to maszyny, których głównym produktem jest ciepło. Q 1 przekazywane do źródła o ograniczonej pojemności . Oceniana jest ich skuteczność współczynnik ogrzewania , czyli stosunek ciepła przekazywanego konsumentowi Q 1 Do l C:

W tym przypadku ciepło Q 2 pobierana jest ze źródła o nieograniczonej pojemności (powietrze atmosferyczne, duże ilości wody, górotwór).

Przewaga pompy ciepła nad grzejnik elektryczny Polega ona na tym, że do ogrzewania pomieszczeń wykorzystywana jest nie tylko energia elektryczna przekształcona w ciepło, ale również ciepło pobierane z otoczenia. Dlatego sprawność pomp ciepła może być znacznie wyższa niż sprawność grzejników elektrycznych.

Połączenie cyklu silnika i pompy ciepła lub cykli chłodzenia jest cyklem transformator termiczny , co pozwala pompować ciepło ze źródła za pomocą jednego T do źródła z drugiej strony T w cyklu mieszanym. Zadaniem transformatora termicznego jest zmiana potencjału cieplnego. Jeśli transformator jest przeznaczony do wytwarzania ciepła na niższym poziomie T, niż oryginał T gorące źródło, wtedy nazywa się taki transformator opuszczenie . Jeśli ciepło jest odbierane w transformatorze o godz T wyższe niż pierwotne ciepło, wtedy nazywa się taki transformator wychowywanie .

Zatem działanie dowolnej maszyny grzewczej lub chłodniczej jest możliwe tylko wtedy, gdy istnieją dwa źródła ciepła: gorące i zimne.

Nazywamy maszyny, w których energia wewnętrzna paliwa jest zamieniana na energię mechaniczną silniki cieplne. Należą do nich: silniki spalinowe, turbiny parowe i gazowe, silniki odrzutowe. Dowiedzmy się, jakie warunki muszą być spełnione, aby energia wewnętrzna paliwa została zamieniona na energię mechaniczną wału roboczego silnika w silniku cieplnym.

Substancja, która działa w silniku cieplnym, nazywa się ciało robocze. W silnikach parowych jest to para wodna, aw silnikach spalinowych, silnikach odrzutowych i turbinach gazowych jest to gaz. Jak pokazuje teoria silników cieplnych, aby płyn roboczy mógł w nich nieprzerwanie wykonywać pracę, konieczne jest posiadanie w silniku grzałki i lodówki. Nazywa się urządzenie, w którym płyn roboczy jest podgrzewany energią paliwa podgrzewacz(kocioł parowy, cylinder). Nazywa się urządzenie, w którym ciecz robocza jest schładzana po wykonaniu pracy lodówka(atmosfera, skraplacz, w którym para wylotowa jest schładzana przez bieżącą wodę i zamieniana w wodę).

Przeprowadźmy następujący eksperyment (ryc. 30). Weź rurkę w kształcie litery U wypełnioną wodą. Jedno kolanko rury jest podłączone do odbiornika ciepła (w którym znajduje się płyn roboczy - gaz), w drugim kolanie pływak A. Odbiornik ciepła będziemy naprzemiennie ogrzewać lampą spirytusową i opuszczać do zimnej wody . Lampa spirytusowa działa jako podgrzewacz płynu roboczego, zimna woda jako lodówka. Działanie takiego modelu silnika cieplnego polega na powtarzalnym procesie - podnoszeniu i opuszczaniu wody wraz z pływakiem. Dzieje się tak: płyn roboczy (gaz), nagrzewając się w podgrzewaczu i rozprężając, wykonuje pracę podnoszenia wody za pomocą pływaka; aby płyn roboczy mógł ponownie działać, jest chłodzony w lodówce, a następnie ponownie podgrzewany. Podczas gdy ten proces będzie się powtarzał - model takiego silnika będzie działał.

Silnik cieplny pracuje w sposób ciągły. Dzieje się tak, ponieważ cyklicznie powtarzają się w nim procesy zachodzące z płynem roboczym: nagrzewa się, rozszerza, pracuje, chłodzi, ponownie się nagrzewa itp. (Prześledź to w działaniu silnika spalinowego. A więc, do pracy silnika cieplnego konieczne jest posiadanie: grzałki, płynu roboczego i lodówki.

Dla okresowo powtarzających się procesów odkryto prawo, zgodnie z którym niemożliwe jest przeprowadzenie takiego okresowo powtarzającego się procesu, jedynego i wynik końcowy co byłoby całkowitym przekształceniem ilości ciepła odbieranego z grzałki w pracę. W odniesieniu do silnika cieplnego oznacza to, że ilość ciepła otrzymanego przez płyn roboczy z grzejnika nie może być w pełni wykorzystana do wykonania pracy, ponieważ proces całkowitego przejścia energii wewnętrznej losowego ruchu dużej liczby cząsteczek w energię mechaniczną ruchu korpusu (tłok silnika, wirnik turbiny) jest niemożliwe).

Aby płyn roboczy mógł ciągle pracować w prawdziwych silnikach cieplnych, zużyta część płynu roboczego jest usuwana z silnika do lodówki, to znaczy do atmosfery lub do skraplacza do podgrzewania wody lub do ogrzewanie (rys. 31). Jednocześnie, aby usunąć jak najmniej pracy, temperatura i ciśnienie w lodówce są zawsze niższe niż w komorze roboczej silnika. Ze względu na różnicę między pracą pary a pracą jej usuwania silnik wykonuje pracę użyteczną. Z energetycznego punktu widzenia proces zachodzący w silnikach cieplnych jest następujący (ryc. 32): płyn roboczy odbiera z podgrzewacza ilość ciepła Q n, z czego część oddaje do lodówki Q x , a dzięki pozostałej części wykonuje pracę A \u003d Q n - Q x.

Istnieje wiele zastosowań silników cieplnych. Silniki gaźnikowe stosowane są np. w samochodach, motocyklach; silniki Diesla - w ciągnikach, samochodach ciężki obowiązek, lokomotyw spalinowych, statków motorowych, statków morskich; turbiny parowe - w elektrowniach; turbiny gazowe - w elektrowniach lokomotywy z turbiną gazową, w wielkich piecach do napędzania dmuchaw, są częścią jednego z typów silników odrzutowych; silniki odrzutowe - w lotnictwie, w rakietach.

Silnik cieplny przetwarza ciepło na pracę, innymi słowy pobiera ciepło z niektórych ciał i przekazuje je innym ciałom w postaci pracy mechanicznej. Do przeprowadzenia tej przemiany potrzebne są dwa różnie nagrzane ciała, pomiędzy którymi możliwa jest wymiana ciepła. Dla zwięzłości ciało cieplejsze nazwiemy grzejnikiem, a zimniejsze – lodówką. W obecności takich dwóch ciał proces zamiany ciepła na pracę przedstawia się następująco: ciało rozszerzalne (ciało robocze) styka się z grzejnikiem. Ciepło jest pobierane z grzejnika i wykorzystywane do pracy rozprężania, które jest oddawane do otaczających go ciał. Ponadto płyn roboczy wchodzi w kontakt z lodówką, do której oddaje ciepło

ze względu na pracę wykonaną przez siły zewnętrzne na ciele roboczym.

Aby uzyskać nieprzerwanie działający silnik cieplny, konieczne jest zakończenie suwu sprężania w punkcie, w którym rozpoczął się suw rozprężania; krótko mówiąc, proces musi być cykliczny. ciało robocze po każdym cyklu wraca do swojego pierwotnego stanu. Prawo zachowania energii wymaga zatem, aby energia otrzymana z otaczających ciał była równa energii przekazanej otaczającym ciałom. Z otrzymanego medium: ciepło podczas rozprężania i praca A 2 podczas sprężania płynu roboczego. Podane do środowiska: praca A! podczas rozszerzania ciała i ciepła podczas kurczenia się. Dlatego lub Gdy cykl jest wykonywany zgodnie z ruchem wskazówek zegara, praca kompresji mniej pracy rozszerzenia. Dlatego ostatnia równość wyraża prosty fakt, że praca sieciowa jest przekazywana przez pracujące ciało otoczenie zewnętrzne, jest równa różnicy ciepła odebranego z grzejnika i dostarczonego do lodówki. W związku z tym współczynnik pożyteczna akcja cykl, a więc i cała maszyna, będzie równa

Opisany proces działania silnika cieplnego jest oczywiście schematem abstrakcyjnym. Jednak najbardziej istotne cechy każdego silnika cieplnego są przekazywane przez ten schemat. Czynnikiem roboczym jest rozszerzający się i kurczący gaz lub para, otoczenie pełni rolę lodówki. Podgrzewaczem jest kocioł parowy lub, w silnikach spalinowych, palna mieszanka.

Te same trzy systemy są również niezbędne dla maszyny chłodniczej, w której odbywa się cykl Odwrotna strona. Zasada działania tej maszyny jest następująca: ekspansja płynu roboczego odbywa się, gdy styka się on z lodówką. To jeszcze bardziej schładza zimne ciało, co jest zadaniem maszyny chłodniczej. Ponadto, aby cykl stał się możliwy, konieczne jest sprężenie płynu roboczego i przekazanie ciepła otrzymanego z lodówki. Odbywa się to, gdy płyn roboczy wchodzi w kontakt z grzejnikiem. W ten sposób cieplejsze ciało nagrzewa się jeszcze bardziej. „Nienaturalny” transfer ciepła z ciała mniej nagrzanego do ciała „opłacanego” pracą. Rzeczywiście, gdy cykl jest wykonywany w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, równość energii przekazanej do ośrodka i energii pobranej z ośrodka (tj. lub tam, gdzie nadal odnosimy indeks 1 do części procesu, która zachodzi w kontakcie z cieplejszym ciałem) ma następujące znaczenie: ilość ciepła usuwanego z układu musi być kompensowana przez równą ilość pracy mechanicznej.

Druga zasada termodynamiki nakłada pewien warunek na działanie silnika cieplnego. Jeżeli przyjmiemy, że proces jest odwracalny, to zmiana entropii płynu roboczego po przejściu przez cykl powinna być równa zeru. Innymi słowy, zmiana

entropia podczas ekspansji powinna być równa (z przeciwnym znakiem) zmianie entropii podczas kompresji, tj.

W przypadku procesu nieodwracalnego entropia układu zamkniętego składającego się z grzejnika, lodówki i płynu roboczego wzrośnie, a zatem

(Przypominamy, że istnieje wielkość algebraiczna. Ciepło wchodzące do układu jest uważane za dodatnie.) Obliczając wartości tych całek dla określonych procesów, w niektórych przypadkach dość łatwo jest znaleźć wartość maksymalnej wydajności określony cykl silnika cieplnego.

« Fizyka - klasa 10"

Co to jest układ termodynamiczny i jakie parametry charakteryzują jego stan.
Podaj pierwszą i drugą zasadę termodynamiki.

To właśnie stworzenie teorii silników cieplnych doprowadziło do sformułowania drugiej zasady termodynamiki.

Zapasy energii wewnętrznej w skorupie ziemskiej i oceanach można uznać za praktycznie nieograniczone. Ale aby rozwiązać praktyczne problemy, posiadanie rezerw energii wciąż nie wystarcza. Konieczna jest również umiejętność wykorzystania energii do wprawienia w ruch maszyn w fabrykach i zakładach, pojazdów, traktorów i innych maszyn, do obracania wirników generatorów. prąd elektryczny itp. Ludzkość potrzebuje silników - urządzeń zdolnych do wykonywania pracy. Większość silników na Ziemi jest silniki cieplne.

Silniki cieplne - Są to urządzenia, które zamieniają energię wewnętrzną paliwa na pracę mechaniczną.

Zasada działania silników cieplnych.

Aby silnik działał, potrzebna jest różnica ciśnień po obu stronach tłoka silnika lub łopatek turbiny. We wszystkich silnikach cieplnych tę różnicę ciśnień uzyskuje się przez zwiększenie temperatury ciało robocze(gaz) setki lub tysiące stopni powyżej temperatury otoczenia. Ten wzrost temperatury występuje podczas spalania paliwa.

Jedną z głównych części silnika jest naczynie wypełnione gazem z ruchomym tłokiem. Czynnikiem roboczym we wszystkich silnikach cieplnych jest gaz, który działa podczas rozprężania. Oznaczmy początkową temperaturę płynu roboczego (gazu) przez T 1 . Ta temperatura w turbiny parowe lub maszyny nabywają parę w kotle parowym. w silnikach spalinowych i Turbiny gazowe wzrost temperatury występuje, gdy paliwo jest spalane w samym silniku. Nazywa się temperaturę T 1 temperatura grzałki.

Rola lodówki

Podczas wykonywania pracy gaz traci energię i nieuchronnie ochładza się do pewnej temperatury T 2 , która jest zwykle nieco wyższa niż temperatura otoczenia. Nazywają ją temperatura lodówki. Lodówka to atmosfera lub specjalne urządzenia do chłodzenia i skraplania pary wylotowej - kondensatory. W tym drugim przypadku temperatura lodówki może być nieco niższa niż temperatura otoczenia.

Tak więc w silniku płyn roboczy podczas rozprężania nie może oddać całej swojej energii wewnętrznej do wykonania pracy. Część ciepła jest nieuchronnie przenoszona do lodówki (atmosfery) wraz z parą wylotową lub spaliny silniki spalinowe i turbiny gazowe.

Ta część energii wewnętrznej paliwa jest tracona. Silnik cieplny wykonuje pracę dzięki energii wewnętrznej płynu roboczego. Ponadto w tym procesie ciepło jest przekazywane z ciał cieplejszych (grzałka) do zimniejszych (lodówka). Schemat obwodu silnik cieplny pokazano na rysunku 13.13.

Płyn roboczy silnika odbiera z grzałki podczas spalania paliwa ilość ciepła Q 1, wykonuje pracę A” i przekazuje ilość ciepła do lodówki Q2< Q 1 .

Aby silnik pracował w sposób ciągły, konieczne jest przywrócenie płynu roboczego do stanu początkowego, w którym temperatura płynu roboczego jest równa T 1 . Wynika z tego, że praca silnika odbywa się zgodnie z okresowo powtarzającymi się zamkniętymi procesami lub, jak mówią, zgodnie z cyklem.

Cykl to ciąg procesów, w wyniku których system powraca do stanu początkowego.

Współczynnik wydajności (COP) silnika cieplnego.

Niemożność całkowitej zamiany energii wewnętrznej gazu na pracę silników cieplnych wynika z nieodwracalności procesów zachodzących w przyrodzie. Gdyby ciepło mogło spontanicznie powracać z lodówki do grzejnika, wówczas energia wewnętrzna mogłaby zostać całkowicie przekształcona w użyteczną pracę przy użyciu dowolnego silnika cieplnego. Drugą zasadę termodynamiki można sformułować w następujący sposób:

Druga zasada termodynamiki:
niemożliwe do stworzenia Maszyna ruchu wiecznego drugiego rodzaju, który całkowicie zamieniłby ciepło na pracę mechaniczną.

Zgodnie z zasadą zachowania energii praca wykonana przez silnik to:

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

gdzie Q 1 - ilość ciepła odbieranego z grzejnika, a Q2 - ilość ciepła dostarczanego do lodówki.

Współczynnik wydajności (COP) silnika cieplnego to stosunek pracy A "wykonywanej przez silnik do ilości ciepła odbieranego z grzejnika:

Ponieważ we wszystkich silnikach pewna ilość ciepła jest przekazywana do lodówki, to η< 1.

Maksymalny wartość wydajności silniki cieplne.

Prawa termodynamiki pozwalają nam obliczyć maksimum możliwe wydajność termiczna silnik pracujący z grzałką o temperaturze T 1 i lodówką o temperaturze T 2 , a także określenie sposobów jej zwiększenia.

Po raz pierwszy maksymalną możliwą wydajność silnika cieplnego obliczył francuski inżynier i naukowiec Sadi Carnot (1796-1832) w swojej pracy „Refleksje o sile napędowej ognia i maszynach zdolnych do rozwinięcia tej siły” (1824 r. ).

Carnot wymyślił idealny silnik cieplny gaz doskonały jako ciało robocze. Idealny silnik cieplny Carnota pracuje w cyklu składającym się z dwóch izoterm i dwóch adiabatów, a procesy te uważa się za odwracalne (ryc. 13.14). Najpierw naczynie z gazem styka się z grzejnikiem, gaz rozpręża się izotermicznie, wykonując pracę dodatnią, w temperaturze T 1 , podczas gdy odbiera pewną ilość ciepła Q 1 .

Następnie naczynie jest izolowane termicznie, gaz nadal rozszerza się już adiabatycznie, podczas gdy jego temperatura spada do temperatury lodówki T 2 . Następnie gaz jest doprowadzany do kontaktu z lodówką, pod izotermiczną kompresją, oddaje ilość ciepła Q 2 do lodówki, sprężając się do objętości 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:

Jak wynika ze wzoru (13.17), wydajność maszyny Carnot jest wprost proporcjonalny do różnicy temperatury bezwzględne grzejnik i lodówka.

Główne znaczenie tego wzoru polega na tym, że wskazuje sposób na zwiększenie wydajności, w tym celu konieczne jest zwiększenie temperatury grzejnika lub obniżenie temperatury lodówki.

Każdy rzeczywisty silnik cieplny pracujący z grzejnikiem o temperaturze T 1 i lodówką o temperaturze T 2 nie może mieć sprawności przekraczającej sprawność idealnego silnika cieplnego: Procesy składające się na cykl prawdziwego silnika cieplnego nie są odwracalne.

Wzór (13.17) podaje teoretyczną granicę maksymalnej wartości sprawności silników cieplnych. Pokazuje, że silnik cieplny jest tym bardziej wydajny, im większa różnica temperatur między grzejnikiem a lodówką.

Tylko w temperaturze lodówki, równej zeru absolutnemu, η = 1. Ponadto udowodniono, że wydajność obliczona ze wzoru (13.17) nie zależy od substancji roboczej.

Ale temperatura lodówki, której rolę zwykle odgrywa atmosfera, praktycznie nie może być niższa niż temperatura otoczenia. Możesz zwiększyć temperaturę grzejnika. Jednak każdy materiał (ciało stałe) ma ograniczoną odporność na ciepło lub odporność na ciepło. Po podgrzaniu stopniowo traci swoje właściwości sprężyste, a gdy już dostatecznie wysoka temperatura topi się.

Teraz główne wysiłki inżynierów mają na celu zwiększenie Sprawność silnika poprzez zmniejszenie tarcia ich części, straty paliwa spowodowane jego niecałkowitym spalaniem itp.

Dla turbina parowa początkowa i końcowa temperatura pary wynosi w przybliżeniu: T 1 - 800 K i T 2 - 300 K. W tych temperaturach maksymalna wydajność wynosi 62% (należy pamiętać, że wydajność jest zwykle mierzona w procentach). Rzeczywista wartość sprawności z powodu różnego rodzaju strat energii wynosi około 40%. Silniki Diesla mają maksymalną sprawność - około 44%.

Ochrona środowiska.

Trudno to sobie wyobrazić nowoczesny świat bez silników cieplnych. Zapewniają nam wygodne życie. Silniki cieplne napędzają pojazdy. Około 80% energii elektrycznej, pomimo obecności elektrowni jądrowych, wytwarzane jest za pomocą silników cieplnych.

Jednak podczas pracy silników cieplnych dochodzi do nieuniknionego zanieczyszczenia środowiska. Jest to sprzeczność: z jednej strony ludzkość z roku na rok potrzebuje coraz więcej energii, której główną część uzyskuje poprzez spalanie paliwa, z drugiej strony procesom spalania nieuchronnie towarzyszy zanieczyszczenie środowiska.

Podczas spalania paliwa zawartość tlenu w atmosferze spada. Ponadto tworzą się same produkty spalania związki chemiczne szkodliwe dla organizmów żywych. Zanieczyszczenia występują nie tylko na ziemi, ale także w powietrzu, ponieważ każdemu lotowi samolotu towarzyszy emisja szkodliwych zanieczyszczeń do atmosfery.

Jednym ze skutków pracy silników jest powstawanie dwutlenku węgla, który pochłania promieniowanie podczerwone z powierzchni Ziemi, co prowadzi do wzrostu temperatury atmosfery. Ten tzw Efekt cieplarniany. Pomiary pokazują, że temperatura atmosfery wzrasta o 0,05°C rocznie. Taki ciągły wzrost temperatury może spowodować topnienie lodu, co z kolei doprowadzi do zmiany poziomu wody w oceanach, czyli do zalania kontynentów.

Zwróćmy uwagę na jeszcze jeden punkt ujemny przy stosowaniu silników cieplnych. Czasami do chłodzenia silników używana jest woda z rzek i jezior. Podgrzana woda jest następnie zawracana. Wzrost temperatury w zbiornikach wodnych zaburza naturalną równowagę, zjawisko to nazywane jest zanieczyszczeniem termicznym.

Dla ochrony środowiska, różne czyszczenie filtrów zapobieganie przedostaniu się do atmosfery szkodliwe substancje projekty silników są udoskonalane. Następuje ciągłe doskonalenie paliwa, które podczas spalania daje mniej szkodliwych substancji, a także technologii jego spalania. Aktywnie rozwijany alternatywne źródła energia wykorzystująca wiatr, promieniowanie słoneczne, energia jądrowa. Produkowane są już pojazdy elektryczne i pojazdy zasilane energią słoneczną.

silnik cieplny - urządzenie przetwarzające energię wewnętrzną spalonego paliwa na energię mechaniczną. Rodzaje silników cieplnych : 1) silniki spalinowe: a) wysokoprężne, b) gaźnikowe; 2) silniki parowe; 3) turbiny: a) gazowe, b) parowe.

Wszystkie te silniki cieplne mają inną konstrukcję, ale składają się z trzy główne części : grzałka, czynnik roboczy i lodówka. Podgrzewacz dostarcza ciepło do silnika. ciało robocze zamienia część otrzymanego ciepła na pracę mechaniczną. Lodówka pobiera część ciepła z płynu roboczego.

T1– temperatura grzałki;

T2– temperatura lodówki;

Q1- odebrane ciepło

z grzejnika;

Q2- wydzielane ciepło

lodówka;

A"- robota skończona

silnik.

Działanie każdego silnika cieplnego składa się z powtarzalnych cyklicznych procesów - cykli. Cykl - jest to taka sekwencja procesów termodynamicznych, w wyniku której układ powraca do stanu początkowego.

Współczynnik wydajności (COP) silnik cieplny to stosunek pracy wykonanej przez silnik do ilości ciepła otrzymanego z grzejnika: .

Rozważał francuski inżynier Sadi Carnot idealny silnik cieplny z gazem doskonałym jako płynem roboczym. Znalazł najlepsze idealny cykl silnik cieplny, składający się z dwóch odwracalnych procesów izotermicznych i dwóch adiabatycznych - cykl Carnota . Sprawność takiego silnika cieplnego z grzałką o temperaturze i lodówką o temperaturze: . Niezależnie od konstrukcji, doboru płynu roboczego i rodzaju procesów zachodzących w silniku cieplnym, jego sprawność nie może być większa niż sprawność silnika cieplnego pracującego zgodnie z cyklem Carnota i mającego takie same temperatury nagrzewnicy i chłodnicy jak ten silnik cieplny.

Sprawność silników cieplnych jest niska, dlatego najważniejszym zadaniem technicznym jest jej zwiększenie. Silniki cieplne mają dwa istotne braki. Po pierwsze, większość silników cieplnych używa paliwo organiczne, którego wydobycie szybko wyczerpuje zasoby planety. Po drugie, w wyniku spalania paliwa do środowiska uwalniana jest ogromna ilość szkodliwych substancji, co stwarza poważne problemy środowiskowe.

Odkrycie w 1850 r. przez niemieckiego fizyka R. Clasiusa wiąże się z badaniem zagadnienia maksymalnej sprawności silników cieplnych druga zasada termodynamiki : taki proces jest niemożliwy, w którym ciepło spontanicznie przechodziłoby z ciał zimniejszych do ciał cieplejszych.

Wielkości fizyczne i ich jednostki miary:

Wartość nazwy	Przeznaczenie	Jednostka	Formuła
Względna masa cząsteczkowa	Pan(uhm)	wielkość bezwymiarowa
Masa jednej cząsteczki (atomu)	m0	kg
Waga	M	kg
Masa cząsteczkowa	M
Ilość substancji	ν (nagi)	kret(mol)	;
Liczba cząstek	N(pl)	wielkość bezwymiarowa
Ciśnienie	P(pe)	Rocznie(paskal)
Stężenie	N(pl)
Tom	V(ve)
Średnia energia kinetyczna ruch do przodu Cząsteczki		J(dżul)
Temperatura Celsjusza	T	°C
Temperatura Kelvina	T	DO(kelwin)
Średnia kwadratowa prędkości cząsteczek
Napięcie powierzchniowe	σ (sigma)
Wilgotność bezwzględna	ρ (ro)
Wilgotność względna	φ (fi)	%
Energia wewnętrzna	u(y)	J(dżul)
Stanowisko	A(A)	J(dżul)
Ilość ciepła	Q(ku)	J(dżul)