Обратный цикл карно реферат

Обновлено: 13.05.2024

Файлы: 1 файл

Карно.doc

Карельская государственная педагогическая академия

Факультет технологии и предпринимательства

Выполнено: ст. гр. №633

Проверено: ктн, доцент

Каждый человек мечтает о комфортном жилище: теплом зимой, и прохладном в жаркое время. Для этого люди научились использовать такие известные источники энергии как газ, уголь, нефть, торф, электроэнергию и т.д. Но невозобновляемые источники энергии рано или поздно закончатся. Также все актуальнее становится вопрос о негативной стороне использования энергоресурсов Земли, об экологической чистоте нашей планеты. В этих условиях все большее значение приобретают энергосберегающие технологии. Ныне работающие системы создания комфорта, как правило, используют именно невозобновляемые источники энергии. Резкое удорожание невозобновляемых источников энергии в Украине заставляет нас переосмыслить отношение к потреблению дешевого в прошлом природного топлива, в первую очередь – газа. Мы же рассмотрим геотермальные системы отопления и охлаждения наших жилищ. Сегодня использование геотермальной энергии – один из наиболее эффективных способов снизить уровень потребления угля, нефти, газа в Украине (не говоря о снижении уровня теплового загрязнения планеты) и предоставить людям эффективную и экономичную альтернативу традиционным системам жизнеобеспечения. Основная роль в этих технологиях отводится тепловым насосам.

По прогнозам Мирового энергетического комитета, к 2010 году в передовых странах доля отопления и горячего водоснабжения с использованием тепловых насосов составит 75 процентов. В качестве первичных источников тепловой энергии будут использоваться речки, водоемы, артскважины и т. д. При использовании первичной воды из скважины (пробивается рядом с домом) коэффициент трансформации по установленной мощности с учетом мощности скважинного насоса будет около 3,5. Кроме получения относительно дешевой тепловой энергии, отпадает необходимость завоза обычных источников энергии.

В XVII в., когда закладывались основы современной науки, были созданы первые паровые машины, появилось много теорий о природе теплоты. Но все, существовавшие тогда, многочисленные концепции, не отображали сути. Все это требовало безотлагательного осмысления протекавших процессов, сопровождавшихся поглощением и выделением тепла, на основе каких-то общих принципов. Непростую задачу, требовавшую умения мыслить абстрактно, решил молодой французский артиллерийский инженер Никола Леонар Сади Карно. Изданная им книга называлась "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу". То были действительно размышления, потому что Карно интересовало не устройство машин как механизмов, а "явление получения движения из тепла. с достаточно общей точки зрения. независимо от какого-либо механизма, какого-либо определенного агента".

Для начала Сади Карно собрал все известные к тому времени свойства теплоты, полученные из наблюдений, и скомпоновал их в виде двух положений:

тепло вещественно и количество его сохраняется;

теплород стремится восстановить равновесие, т. е. самопроизвольно тепло переходит только от нагретого тела к холодному.

Рис 1. – Замкнутый цикл Карно.

При этом "возникновение движущей силы обязано. не действительной трате теплорода, но его переходу от горячего тела к холодному", и "повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы" (для получения движущей силы недостаточно иметь нагретое тело, необходимо иметь и холодное). Одной лишь разности температур также недостаточно, поскольку при непосредственном контакте тел движущая сила не возникает, просто выравнивается их температура. Движущая сила проявляет себя только тогда, когда изменение температуры сопровождается изменением объема.

По-видимому, Карно первым осознал, что если бы мир имел повсюду одинаковую температуру, то было бы невозможно превратить тепловую энергию в работу. Процессы, сопровождающиеся превращением работы в тепло, могут протекать в однородной по температуре среде (например, вследствие трения), но их нельзя повернуть в обратном направлении и получить затраченную работу "назад". Одним словом, для работы тепловой машины необходимы как минимум два устройства: "нагреватель" и "холодильник", обладающие неодинаковыми температурами. Названия устройств, отражают условность их наименований - ведь в большинстве случаев "холодильником" служит атмосферный воздух; впрочем, он же является "нагревателем" в холодильной машине.

Умозаключение Карно о необходимости двух сред с разными температурами для работы тепловой машины составляет содержание второго закона, принципа или начала термодинамики. Первым началом термодинамики является закон сохранения энергии, также известный Карно ("тепло вещественно и количество его сохраняется"). Поскольку указанный закон, хотя и в урезанном виде, был сформулирован раньше, да и вообще справедлив по отношению ко всем процессам, то он и именуется первым.

Итак, Карно обратил внимание на то, что полезную работу можно получить только при переходе тепла от тела более нагретого к телу менее нагретому, однако и от холодного тела к горячему передать тепло все же можно, но только затратив на это некоторую работу. К такому выводу он пришел, изучая изобретенный им круговой процесс, который теперь называют циклом Карно.

Прежде чем обратиться к обсуждению этого самого цикла, в котором заключена вся суть термодинамики, рассмотрим одну особенность теплоты, открытую Карно. Он считал теплоту субстанцией, веществом, а потому, рассуждая о ней, пользовался аналогией из механики: массивное тело, падая с некоторой высоты, совершает работу, равную произведению массы на ускорение свободного падения и на высоту. Теплота же, "падая" от более высокой температуры к более низкой, по мнению Карно также способна производить движущую силу, зависящую от количества теплорода и от разности температур. Но в отличие от массы здесь имеют место два нюанса:

теплота может и не производить движущую силу (перемещающаяся масса совершает работу всегда);

механическая работа зависит только от разницы высот, которую тело преодолевает (если считать начальную скорость равной нулю), а не от абсолютного положения высоты, с какой оно падает, ведь при изменении высоты на 1 м неважно, падает ли тело со стола или с крыши дома. Доля теплоты, преобразуемой в движущую силу, в ряде случаев зависит от начальной точки отсчета, т. е. далеко не одно и то же, происходит "падение" теплоты в тепловой машине от 11 до 10°С или от 99 до 98°С. Количество движущей силы в этих случаях получается разным. Так что аналогия аналогии рознь! И это тоже следует из цикла Карно.

Основная задача, которую решал Карно, формулируется так: выяснить, универсален ли процесс получения движущей силы из теплоты. Для этого ученому надо было ответить на три вопроса:

что является источником движущей силы в тепловой машине;

зависит ли эта сила от вида рабочего вещества;

каким образом можно добиться извлечения максимума движущей силы при равном количестве подводимой теплоты.

Технически движение из теплоты получают в тепловой машине, как правило, благодаря расширению водяного пара или какого-нибудь другого аналогичного процесса. Работает такая машина следующим образом. Сначала пар нагревают (подводят к нему тепло), а потом позволяют ему расширяться. Расширяясь, пар производит работу, например, толкая поршень, и одновременно охлаждается. Все - теплота перешла в работу. Но чтобы машина продолжала указанные действия, надо проделать одно из двух:

- удалить отработанный холодный пар, взять новую его порцию, нагреть, дать расшириться и снова удалить;

- сжать отработанную порцию пара, отдавая при этом часть полученного тепла холодильнику, вернуть пар в первоначальное состояние (которое характеризуется исходными значениями температуры, объема и давления), снова нагреть, дать расшириться и т. д.

Вообще говоря, годятся оба способа. Разница в том, что первый требует неограниченных ресурсов пара и возможности его удаления, а второй - наличия холодильника. Получается замкнутый (циклический) процесс, который может повторяться любое число раз. Однако полностью цикличен только второй способ, а при использовании первого рабочее же вещество в нем постоянно меняется. Но по результатам использования оба способа совершенно равноправны.

Эффективность цикла Карно определяется формулой

Только эту относительную часть теплоты можно превратить в работу, и ничуть не больше! Величина называется также термическим коэффициентом полезного действия и зависит только от температур нагревателя и холодильника.

Позднее на основе изложенных рассуждений Уильям Томсон и Рудольф Клаузиус ввели в арсенал науки понятия "абсолютная температура" и "энтропия" и создали классическую термодинамику.

Для цикла Карно термический к.п.д. определяется только разностью температур нагревателя и холодильника

Цикл Карно - идеальная машина, и работа ее максимальна. Работа реальной машины со всевозможными потерями заведомо меньше.

Возможно, Карно сам выполнил бы всю работу до конца, если бы не ранняя смерть (в 36 лет). Интересно еще отметить, что у Карно приведенные рассуждения не сопровождались ни расчетами, ни графиками. Его книга была опубликована в 1824 г., но никакого резонанса не получила.

Лишь через десять лет, в 1834 г., другой француз, Эмиль Клапейрон, придал термодинамике Карно канонический вид. Он ввел все необходимые обозначения, проделал описанные словами вычисления и построил диаграммы. Через три года статью Клапейрона перевели на английский язык и издали вАнглии в сборнике Scientific Memoirs ("Ученые записки"). А еще через девять лет на нее обратил внимание немецкий физик и издатель И.Х. Поггендорф, перепечатал в своем журнале Annalen der Physik und Chemie ("Анналы физики и химии"), и только тогда теория Карно действительно увидела свет.

ПРЯМОЙ ЦИКЛ КАРНО

Как известно, все тепловые двигатели, превращающие тепловую энергию в механическую, работают по круговым циклам или термодинамическим циклам – идеальный цикл теплового двигателя (прямой цикл Карно) и цикл холодильной машины (обратный цикл Карно).

Рассмотрим прямой цикл Карно. Для этой цели возьмем идеальную систему, состоящую из горячего источника тепла, рабочего тела и окружающей среды. Параметры источника тепла Тг, Sг, температура окружающей среды Т₀. Рабочее тело в конечном итоге не совершает работы за счет своей собственной энергии. До начала работы и после ее завершения все параметры рабочего тела и его полная энергия остаются в точности теми же самыми. Иначе говоря, рабочее тело изменяет свои параметры по какому-то циклу, возвращаясь каждый раз в первоначальное состояние. Суммарная работа окружающей среды над телом равна нулю; никаких потерь работы нет; энтропия системы остается неизменной (DSc=0); все процессы обратимые.

При отдаче горячим источником рабочему телу тепла dQ₁ тело произведет суммарную работу dL и, для того чтобы вернутся в первоначальное состояние, отдаст окружающей среде тепло dQ2. При этом энтропия горячего источника уменьшится на величину dSг = dQ₁/T₁, а энтропия холодного источника возрастет на dSx = dQ₂/T₀ .

Поскольку согласно второму закону термодинамики энтропия рассматриваемой изолированной системы уменьшаться не может, то при dSг 0, а следовательно, и dQ₂ > 0. Значит, совершая работу с помощью циклов, тепло должно не только подводится, но и обязательно отводиться.

В идеальном случае, когда достигается максимальная работа, dSг + dSx = 0 и величина dQ₂ является минимальной. Таким образом,

где dSг берется по абсолютной величине (без отрицательного знака), т.е. dSг = dQ₁/Tг.

Согласно первому закону термодинамики, всегда

т.е. максимальная работа цикла за счет тепла Q

где (Sг₂ – Sг₁) – абсолютна величина уменьшения энтропии горячего источника, вызванная отдачей тепла Q₁.

Очевидно, что эта формула будет справедлива независимо от того, меняется или не меняется температура Тг горячего источника. Обязательными условиями ее справедливости являются только постоянство температуры окружающей среды и обратимость всех процессов цикла. Максимальная полезная работа, которая может быть совершена в идеальном (обратимом) тепловом двигателе, оказывается абсолютно одинаковой, будет ли этот двигатель работать по какому-либо обратимому циклу или в нем будут совершаться любые разомкнутые процессы.

Максимальная доля тепла, которая может быть превращена в работу, обычно выражается через отношение L_max/Q₁, называемое термическим к. п. д. теплового двигателя :

При постоянных температурах горячего Тг и холодного Т0 источников, учитывая предыдущие формулы максимальный термический к. п. д. теплового двигателя :

Можно доказать, что значение максимальной работы, а следовательно, и максимальный термический к. п. д. для случая источников тепла постоянной температуры достигается в обратимом прямом цикле Карно, состоящем из двух изотерм и двух адиабат :

Условия построения прямого цикла Карно следующие :

Поскольку подвод тепла обратимый, то при Тг = const температура тела Т₁ на протяжении всего процесса подвода тепла должна быть равной Тг и оставаться постоянной : Т₁ = Тг=const;

Ещё в давние времена люди старались использовать энергию топлива для превращения её в механическую. В XVII в. был изобретён тепловой двигатель, который в последующие годы был усовершенствован, но идея осталась той же. Во всех двигателях энергия топлива переходит сначала в энергию газа или пара, а газ (пар) расширяясь, совершает работу и охлаждается, а часть его внутренней энергии при этом превращается в механическую энергию. К сожалению, коэффициент полезного действия не высок.

Двигатель тепловой - это машина для преобразования тепловой энергии в механическую работу. В тепловом двигателе происходит расширение газа, который давит на поршень, заставляя его перемещаться, или на лопатки колеса турбины, сообщая ему вращение. Примерами поршневых двигателей являются паровые машины и двигатели внутреннего сгорания (карбюраторные и дизельные). Турбины двигателей бывают газовые (например, в авиационных турбореактивных двигателях) и паровые.

К тепловым двигателям относятся: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Их топливом является твёрдое и жидкое топливо, солнечная и атомная энергии.

Во всех типах таких двигателей непрерывное или периодически повторяющееся получение работы возможно только в том случае, когда совершающая работу машина не только получает тепло от какого-то тела (нагревателя), но и отдает часть тепла другому телу (охладителю).

В поршневых тепловых двигателях горячий газ расширяется в цилиндре, перемещая поршень, и тем самым совершает механическую работу. Для превращения прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала обычно используется кривошипно-шатунный механизм.

В двигателях внешнего сгорания (например, в паровых машинах) рабочее тело нагревают за счет сжигания топлива вне двигателя и подают в цилиндр газ (пар) под высокими температурой и давлением. Газ, расширяясь и перемещая поршень, охлаждается, а давление его падает до близкого к атмосферному. Этот отработанный газ удаляется из цилиндра, а затем в него подается новая порция газа – либо после возврата поршня в исходное положение (в двигателях одинарного действия – с односторонним впуском), либо с обратной стороны поршня (в двигателях двойного действия). В последнем случае поршень возвращается в исходное положение под действием расширяющейся новой порции газа, а в двигателях одинарного действия поршень возвращается в исходное положение маховиком, установленным на валу кривошипа. В двигателях двойного действия на каждый оборот вала приходится два рабочих хода, а в двигателях одинарного действия – только один; поэтому первые двигатели в два раза мощнее при одинаковых габаритах и скоростях.

В двигателях внутреннего сгорания горячий газ, который перемещает поршень, получают за счет сжигания смеси топлива и воздуха непосредственно в цилиндре.

Для подвода свежих порций рабочего тела и выпуска отработанного газа в двигателях применяется система клапанов. Подвод и выпуск газа производятся при строго определенных положениях поршня, что обеспечивается специальным механизмом, который управляет работой впускных и выпускных клапанов.

Теоретически любой газ можно использовать в качестве рабочего тела такого двигателя, однако на практике используется только пар, поскольку он может запасти больше энергии, чем какое-либо иное столь же доступное рабочее тело. Если в качестве рабочего тела применить воздух, то для получения той же мощности его придется разогреть до более высокой температуры. А для этого потребуется более сложный нагреватель, чем паровой котел, и более надежная теплоизоляция всех элементов системы.

В двигателях внутреннего сгорания источником тепла является химическая энергия топлива, а его сгорание происходит внутри двигателя. Поэтому для таких двигателей не требуется котел или какой-то другой внешний нагреватель. Рабочим телом теоретически могут служить многие горючие вещества, однако практически все современные двигатели такого рода работают на бензине или дизельном топливе.

Цель данной работы – рассмотреть тепловые двигатели, Цикл Карно.

Для реализации данной цели в реферате предстоит решить следующие задачи:

- изучить понятие и общие положения о тепловых двигателях;

- рассмотреть коэффициент полезного действия теплового двигателя;

- рассмотреть принцип работы Цикла Карно и его КПД.

Цель и задачи работы обусловили выбор ее структуры. Работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка использованной литературы.

1. Тепловые двигатели

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами.

Как следует из первого закона термодинамики, полученное газом количество теплоты Q полностью превращается в работу A
при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной (ΔU = 0):

Но такой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется.
Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние

1.1. Циклы теплового двигателя

Рабочий цикл любого двигателя внутреннего сгорания имеет четыре стадии: топливовоздушная смесь подается в цилиндр, затем она сжимается, сжигается, и, наконец, отработанные газы удаляются из цилиндра. После этого новый цикл начинается с подачи свежей порции смеси топлива и воздуха. В дизельных двигателях топливо и воздух подаются в рабочий цилиндр раздельно, но в остальном цикл тот же. Существуют два основных цикла работы двигателей: четырехтактный (в котором при каждом ходе поршня вверх или вниз выполняется одна из стадий) и двухтактный (в котором при каждом ходе выполняются две стадии).

Четырехтактный цикл . В четырехтактном цикле впускной клапан открывается, когда поршень находится в верхней точке цилиндра, и свежая порция топлива и воздуха засасывается в цилиндр поршнем, опускающимся вниз и создающим разрежение. Когда поршень достигает нижней точки, впускной клапан закрывается, а поршень, двигаясь вверх, сжимает смесь. Когда поршень достигает верхней точки, смесь воспламеняется, и образующиеся горячие газы, расширяясь, толкают поршень вниз. Когда поршень оказывается в нижней точке, открывается выпускной клапан, а на следующем такте поднимающийся поршень выталкивает отработанные газы, освобождая цилиндр для новой порции топливовоздушной смеси. Весь процесс совершается за четыре хода поршня (вверх или вниз), т.е. за два оборота коленчатого вала. Во время рабочего хода маховик запасает энергию, чтобы поршень мог совершить три других хода до следующего рабочего. Первый двигатель с этим циклом построил в 1876 в Германии
Н. Отто.

Двухтактный цикл . В двухтактном цикле свежая порция топливной смеси подается в цилиндр, когда поршень находится в нижней точке; затем смесь сжимается при движении поршня вверх и воспламеняется в конце хода сжатия, как и в четырехтактном цикле. В конце рабочего хода вниз отработанные газы выталкиваются из цилиндра свежей порцией смеси. Таким образом, в двухтактном цикле на каждом обороте вала совершается рабочий ход. Когда при ходе сжатия поршень поднимается, вследствие создающегося под ним разрежения в картер засасывается очередная порция топливной смеси. Во время рабочего хода эта смесь сжимается, пока клапаны не откроют доступ свежей смеси в рабочий цилиндр, а отработанным газам – в атмосферу. Можно обойтись и без клапанов, если правильно рассчитать форму поршня и расположение впускных и выпускных отверстий.

1.2. КПД теплового двигателя

Назначение теплового двигателя — производить механическую работу. Но только часть теплоты, полученной двигателем, затрачивается на совершение работы. Отношение механической работы, совершаемой двигателем, к израсходованной энергии называется коэффициентом полезного действия двигателя (к. п. д.).

Рассмотрим вопрос об учете энергии, расходуемой в двигателе. Обычно это энергия смеси: топливо — кислород воздуха. Ее легко оценить, если известны количество топлива и его удельная теплота сгорания, т. е. количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива. Удельную теплоту сгорания различных сортов топлива определяют, сжигая небольшую порцию топлива в закрытом сосуде, помещенном в калориметр.

1.3. Круговые процессы

Круговые процессы изображаются на диаграмме (p , V ) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис. 3.11.1). При расширении газ совершает положительную работу A ₁ , равную площади под кривой abc , при сжатии газ совершает отрицательную работу A ₂ , равную по модулю площади под кривой cda . Полная работа за цикл A = A ₁ + A ₂ на диаграмме (p , V ) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.

Круговой процесс на диаграмме (p , V ). abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия. Работа A в круговом процессе равна площади фигуры abcd

Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой –холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q ₁ > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q ₂ 0, A > 0, Q ₂ T

В двигателях, применяемых в технике, используются различные круговые процессы. На рис. 3.11.3 изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном и в дизельном двигателях. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30 %, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (1) и дизельного двигателя (2)

В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, который сыграл важную роль в развитии учения о тепловых процессах. Он называется циклом Карно (рис. 3.11.4).

Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1–2) газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру T ₁ . Газ изотермически расширяется, совершая работу A ₁₂ , при этом к газу подводится некоторое количество теплоты Q ₁ = A ₁₂ . Далее на адиабатическом участке (2–3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работу A ₂₃ > 0. Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения T ₂ . На следующем изотермическом участке (3–4) газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре T ₂ 0, T ₁ > T ₂

Устройство, работающее по холодильному циклу, может иметь двоякое предназначение. Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла |Q ₂ | от охлаждаемых тел (например, от продуктов в камере холодильника), то такое устройство является обычным холодильником. Эффективность работы холодильника можно охарактеризовать отношением

т. е. эффективность работы холодильника – это количество тепла, отбираемого от охлаждаемых тел на 1 джоуль затраченной работы. При таком определении β_х может быть и больше, и меньше единицы. Для обращенного цикла Карно

Если полезным эффектом является передача некоторого количества тепла |Q ₁ | нагреваемым телам (например, воздуху в помещении), то такое устройство называется тепловым насосом. Эффективность β_Т теплового насоса может быть определена как отношение

т. е. количеством теплоты, передаваемым более теплым телам на 1 джоуль затраченной работы. Из первого закона термодинамики следует:

Следовательно, β_Т всегда больше единицы. Для обращенного цикла Карно

Итак, машины, производящие механическую работу в результате обмена теплотой с окружающими телами, называются тепловыми двигателями. В большинстве таких машин нагревание получается при сгорании топлива, благодаря чему нагреватель получает достаточно высокую температуру. В этих случаях работа совершается за счет использования внутренней энергии смеси топлива с кислородом воздуха. Кроме того, существуют машины, в которых нагревание производится Солнцем, а также проекты машин, использующих разности температур морской воды. Однако пока ни те, ни другие не имеют заметного практического значения. В настоящее время эксплуатируются также тепловые машины, использующие теплоту, выделяющуюся в реакторе, где происходит расщепление и преобразование атомных ядер.

В наше время чаще встречается автомобильный транспорт, который работает на тепловом двигателе внутреннего сгорания, работающем на жидком топливе. Рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня, за четыре такта.

Для усиления мощности и лучшей системы обеспеченности равномерности вращения вала, используют 4,8 и более цилиндровых двигателей. Особенно мощные двигатели на теплоходах, тепловозах. Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока.

Тепловые двигатели - паровые турбины - устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном - поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном - ДВС и паровые турбины; на железнодорожном - тепловозы с дизельными установками; в авиации - поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта.

Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов. Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается. Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. В третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. А автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу две-три тонны - свинца.

Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды - использованием в автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей дизелей, в топливо которых не добавляют соединения свинца. Перспективными являются разработки автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей применяются электродвигатели или двигатели, использующие в качестве топлива водород.

Список использованной литературы

5. Курс физики: Учеб. Пособие для вузов/А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – 4-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2002.-718с.:ил.

Обратный цикл Карно называется идеальным циклом холодильных установок и так называемых тепловых насосов. При этом рабочим телом являются пары легкокипящих жидкостей – фенол, аммиак и т.п. Процесс перекачки теплоты от тел, помещенных в холодильную камеру, в окружающую среду происходит за счет затрат электроэнергии. Эффективность холодильной установки оценивается холодильным коэффициентом

, (1.79)

где q₂ - отведенная от охлаждаемого объекта теплота;

l_ц - работа, затраченная на это.

Используя Ts-диаграмму для описания этого процесса, последней формуле можно придать следующий вид

, (1.80)

где Т₁ – температура окружающей среды; Т₂ - температура охлаждаемого тела.

При этом чем меньше разность температур между холодильной камерой и окружающей средой, тем меньше нужно затратить энергии для передачи теплоты от холодного тела к горячему и тем выше холодильный коэффициент ε_хол.

Анализ обратного цикла Карно показывает, что передача теплоты от тела менее нагретого телу более нагретому возможна, но этот процесс требует соответствующей энергетической компенсации в системе, в виде затраченной работы или теплоты более высокого потенциала, способного совершить работу при переходе на более низкий потенциал.

В основе действия теплового насоса также лежит обратный цикл Карно. В отличие от холодильной машины, тепловой насос должен отдавать как можно больше теплоты горячему телу (например, системе отопления).

Эффективность теплового насоса оценивается так называемым отопительным коэффициентом

, (1.81)

где q₁ - теплота, переданная нагреваемому телу;

l_ц - величина работы, подведенной в данном цикле.

Аналогично выводу формулы (1.80) для e_отоп можно получить следующую формулу:

, (1.82)

где Т₁ - температура нагреваемого тела;

Т₂ - температура окружающей среды.

1.3.4. Второй закон термодинамики

При анализе термодинамических циклов тепловых двигателей следует обратить внимание на то, что эталонным является цикл Карно, построенный в том же интервале температур , в котором работает рассматриваемый цикл. Например, если известно, что термический КПД некоторого прямого цикла равен 0,1, то само по себе это значение еще ни о чем не говорит. Оно должно быть сопоставлено со значением термического КПД соответствующего цикла Карно, т.е. должен быть дополнительно задан интервал температур . Скажем, для диапазона температур 300. 2000 К термический КПД цикла Карно = 0,85 и степень совершенства цикла с термическим КПД - 0,1 мала, а для диапазона 300. 335 K = 0,104 - достаточно велика. Таким образом, для увеличения термического КПД прямого цикла необходимо стремиться к тому, чтобы средние интегральные температуры подвода и отвода теплоты в цикле были как можно ближе к своим аналогам для соответствующего цикла Карно. Никакими новыми конструкциями тепловых двигателей или применением новых рабочих тел нельзя добиться того, чтобы термический КПД цикла , стал больше . Аналогичные соображения справедливы и для циклов холодильных машин и соответственно обратного цикла Карно.

Существует несколько формулировок второго закона термодинамики. Наиболее известна формулировка, предложенная Клаузиусом в виде принципа, согласно которому теплота не может сама собой переходить от более холодного тела к более нагретому. Этот принцип или какой-то другой, ему адекватный, может быть использован при рассмотрении ряда теоретических вопросов термодинамики (например, теоремы Карно). При этом необходимо иметь в виду, что второй закон термодинамики содержит два независимых друг от друга положения. Первое из них связано с вопросом существования энтропии, т.е. с утверждением, что в равновесных процессах элементарное количество теплоты может быть рассчитано по формуле , где s - некоторая функция состояния, называемая энтропией. Второе положение формулируется обычно как принцип возрастания энтропии в необратимых процессах (т.е. для них ).

В основе II закона лежит гипотеза С. Карно о том, что необходимым условием получения работы с помощью тепловых двигателей является наличие горячего и холодного источников теплоты.

Таким образом, устанавливается, что теплота, полученная рабочим телом от горячего источника, не может быть полностью превращена в механическую работу, часть ее должна быть отдана холодному источнику теплоты.

В тепловых двигателях горячим источником служат химические реакции сжигания топлива (или ядерные реакции), а холодным источником является окружающая среда (т.е. атмосфера).

В аналитической форме второй закон термодинамики может быть представлен в виде соотношения

где знак “=” относится к обратимым процессам, а знак “>” - к необратимым.

Первый закон термодинамики представляет собой всеобщий закон природы. В отличие от него второй закон нельзя считать универсальным. Экстраполяция закономерностей, установленных в определенных условиях существования материи, на все области Вселенной не является правомерной, так как в некоторых из них эти условия могут быть совершенно иными, чем на Земле. Кроме того, необходимо дополнительно учитывать некоторые существенные физические факторы и прежде всего гравитацию. С учетом сил тяготения однородное изотермическое распределение не является наиболее вероятным состоянием Вселенной. В условиях нестатичной, расширяющейся Вселенной может происходить распад однородного вещества на отдельные объекты (например, галактики).

Отсюда следует, что количества теплоты, которая переходит от более нагретого тела к менее нагретому в естественном процессе, будет недостаточно для возвращения системы в исходное состояние, так как часть теплоты (в количестве q2) будет безвозвратно передана НИТ (компенсирующий процесс). Значит, для возвращения системы в исходное состояние должно быть затрачено больше теплоты, чем было передано… Читать ещё >

Цикл Карно. Техническая термодинамика и теплопередача ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Анализируя формулу (2.3), можно заметить, что гр возрастает при уменьшении ₂) (см. рис. 2.2).

Процесс, изображаемый линией 2—3, является процессом адиабатического расширения. Газ совершает работу, численно равную пл. (v₂—2—3—п₃) и определяемую по формуле.

где k — показатель адиабаты.

В процессе, изображаемом линией 3—4, происходит изотермическое сжатие рабочего тела с отводом теплоты q₂ к НИТ с температурой Т₂. На сжатие затрачивается работа /₃, численно равная пл. (н₄—4—3—а₃), равная количеству отведенной теплоты q₂ и определяемая по формуле.

В процессе адиабатного сжатия (линия 4—1) газ нагревается до температуры Т. Работа, затрачиваемая на сжатие, численно равна пл. (v — 1— 4—н₄) и определяется по формуле.

Если в процессе, изображаемом линией 3—4, сжимать газ, не охлаждая его (без отвода теплоты q₂), то этот процесс будет адиабатным. Ввиду того что адиабаты являются эквидистантными кривыми (не пересекаются между собой), то через одну точку (точка 3) можно провести лишь одну адиабату. Тогда в результате такого сжатия процесс будет происходить не по изотерме (линия 3—4), а по адиабате (линия 3—2). В исходное состояние рабочее тело должно быть возвращено лишь по изотерме, так как в изотермическом процессе на сжатие затрачивается наименьшее количество работы. В итоге на сжатие в процессах, изображаемых линиями 3—2 и 2—1, будет затрачено то же самое количество работы, которое было получено в процессах расширения (линии 1—2 и 2—3). Полезная работа цикла /_ц и КПД гр будут равны нулю. Отсюда можно сделать вывод: для того чтобы получить полезную работу, необходимо какую-то часть подведенной теплоты безвозмездно отдать в окружающую среду, то есть потерять.

Полезная работа /_ц цикла, соответствующего фигуре 1—2—3—4, определяется алгебраической суммой работ, полученных или затраченных в отдельных процессах цикла. Суммируя площади, выражающие работу газа в отдельных процессах цикла, с учетом знаков работы получаем.

Суммируя формулы работ для всех процессов цикла, находим.

Ив полученной формулы видно, что работы в адиабатных процессах (линии 2—3 и 4—1) оказываются одинаковыми, но с разными знаками. Тогда формула (2.4) примет вид.

Коэффициент полезного действия любого цикла тепловой машины (в том числе и цикла Карно) определяется по формуле Отсюда

Для адиабат 2—3 и 4—1 справедливы следующие зависимости:

После деления первого уравнения на второе получим.

Логарифмируя последнее соотношение, будем иметь.

Формула (2.5), учитывая (2.6), примет вид.

Анализируя формулу (2.7), приходим к выводу о том, что гр может быть равен единице лишь в случаях, когда Т —* °° либо Т₂ = О К. Эти условия невозможно осуществить даже в идеальном цикле, так как температура ВИТ 7, равная бесконечности, практически недостижима. Недостижима также и температура НИТ Г₂, равная абсолютному нулю температур Г₂ = О К = = -273,15°С (22, "https://referat.bookap.info").

Анализ никла Карно позволяет сделать также следующий важный вывод: невозможно превращение теплоты в работу без компенсации. Трудность усвоения формулировок второго закона термодинамики, содержащих понятие компенсации, связана со сложностью самого этого понятия.

Необходимо учитывать, что различают компенсацию двух родов. Компенсация первого рода имеет место в случае, когда процесс превращения теплоты в работу сопровождается изменением термодинамического состояния рабочего тела. Например, при изотермическом расширении идеального газа внутренняя его энергия, как известно, остается постоянной, и вся теплота, сообщаемая газу, превращается в работу. Увеличение объема газа, представляющее компенсацию первого рода, является здесь необходимым условием превращения теплоты в работу.

В случае, когда превращение теплоты в работу влечет за собой изменение состояния не только рабочего тела, но и других тел, имеем компенсацию второго рода. В тепловых машинах такими телами обычно являются НИТ.

Из этой формулировки следует, что для превращения теплоты в работу недостаточно одного только процесса передачи теплоты от ВИТ к рабочему телу. По второму закону термодинамики здесь предполагается наличие некоторого дополнительного процесса. Для теплового двигателя таким дополнительным процессом является передача теплоты к ПИТ. Этот дополнительный процесс и представляет компенсацию второго рода.

В природе существуют процессы, которые могут протекать самостоятельно, без сопровождения их другими процессами (без компенсации). Такие процессы являются самопроизвольными, естественными или некомпенсированными.

Примером самопроизвольного процесса может служить процесс превращения работы в теплоту при трении, который может протекать без сопровождения его какими-либо другими процессами — без компенсации. Работа здесь полностью превращается в теплоту, тогда как процесс превращения теплоты в работу, являющийся обратным по отношению к прямому процессу превращения работы в теплоту, нельзя провести без компенсации. Такие процессы, которые не могут протекать без того, чтобы вместе с ними не протекал какой-либо дополнительный процесс, считаются несамопроизвольными.

Таким образом, процесс превращения механической работы в теплоту — самопроизвольный, а процесс превращения теплоты в работу — несамопроизвольный.

В природе существует большое количество процессов, протекающих в одном направлении самопроизвольно, не требуя каких-либо дополнительных процессов. Однако в обратном направлении эти же процессы не могут осуществляться самостоятельно. Например, переход теплоты от горячего тела к холодному есть процесс самопроизвольный, но обратный процесс перехода теплоты от холодного тела к горячему без каких либо дополнительных процессов невозможен. Это связано с тем, что передача теплоты от более холодного тела к более горячему может быть выполнена лишь путем затраты работы теплового двигателя. Работа теплового двигателя возможна лишь в случае, когда есть компенсирующий процесс передачи теплоты НИТ.

Отсюда следует, что количества теплоты, которая переходит от более нагретого тела к менее нагретому в естественном процессе, будет недостаточно для возвращения системы в исходное состояние, так как часть теплоты (в количестве q₂) будет безвозвратно передана НИТ (компенсирующий процесс). Значит, для возвращения системы в исходное состояние должно быть затрачено больше теплоты, чем было передано в прямом процессе. Отсюда следует вывод, что прямой теплообмен при конечной разности температур необратим.

Анализируя формулу (2.7), можно сделать еще один важный вывод: КПД цикла Карно зависит лишь от температур верхнего и нижнего источников теплоты и, следовательно, не зависит от рода рабочего тела. Это утверждение является содержанием теоремы Карно, доказательство которой можно найти в [58].

Читайте также: