1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое рабочее тело в тепловом двигателе

Тепловая машина Карно — Carnot heat engine

Тепловой двигатель Карно представляет собой теоретический двигатель , который работает на цикле Карно . Базовая модель для этого двигателя была разработана Николя Леонардом Сади Карно в 1824 году. Модель двигателя Карно была графически расширена Бенуа Полем Эмилем Клапейроном в 1834 году и математически исследована Рудольфом Клаузиусом в 1857 году, работа, которая привела к фундаментальной термодинамической концепции энтропии .

Каждая термодинамическая система существует в определенном состоянии . Термодинамический цикл происходит , когда система берется через ряд различных состояний, и , наконец , возвращается в исходное состояние. В процессе прохождения этого цикла система может выполнять работу со своим окружением, тем самым действуя как тепловой двигатель .

Тепловой двигатель действует, передавая энергию из теплой области в прохладную область пространства и, при этом, преобразуя часть этой энергии в механическую работу . Цикл также может быть обратным. На систему можно воздействовать внешней силой, и в процессе она может передавать тепловую энергию от более холодной системы к более теплой, тем самым действуя как холодильник или тепловой насос, а не как тепловая машина.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Диаграмма Карно
  • 2 Современная диаграмма
  • 3 цикл Карно
  • 4 Теорема Карно
  • 5 КПД реальных тепловых машин
  • 6 Примечания
  • 7 ссылки

Диаграмма Карно

В соседней диаграмме, с 1824 года работы Карно, Размышления о движущей силе огня , есть «два тела А и В , держали каждый при температуре постоянной, что из А выше , чем у B . Эти два тела , к которым мы могут отдавать или отводить тепло, не изменяя их температуру, выполнять функции двух неограниченных резервуаров калорий . Первый мы назовем печью, а второй — холодильником ». Затем Карно объясняет, как мы можем получить движущую силу , т. Е. «Работу», перенося определенное количество тепла от тела A к телу B. Оно также действует как охладитель и, следовательно, также может действовать как холодильник.

Современная диаграмма

На предыдущем изображении показана оригинальная диаграмма поршня и цилиндра, которую Карно использовал при обсуждении своих идеальных двигателей. На рисунке справа показана блок-схема типового теплового двигателя, такого как двигатель Карно. На схеме «рабочее тело» (система), термин, введенный Клаузиусом в 1850 году, может быть любым жидким или парообразным телом, через которое тепло Q может вводиться или передаваться для производства работы. Карно постулировал, что жидким телом может быть любое вещество, способное к расширению, такое как пар воды, пар спирта, пары ртути, постоянный газ или воздух и т. Д. из конфигураций, как правило, Q H подавался от бойлера, в котором вода кипятилась над печью; Q C обычно подавался потоком холодной проточной воды в виде конденсатора, расположенного на отдельной части двигателя. Выходная работа W представляет собой движение поршня, когда он используется для поворота кривошипа, который, в свою очередь, обычно использовался для привода шкива, чтобы поднимать воду из затопленных соляных шахт. Карно определил работу как «поднятие тяжестей на высоту».

Цикл Карно

Цикл Карно при работе в качестве теплового двигателя состоит из следующих этапов:

  1. Обратимое изотермическое расширение газа при «горячей» температуре TH (изотермическое добавление или поглощение тепла). На этом этапе (от A до B ) газ расширяется, и он воздействует на окружающую среду. Температура газа не изменяется во время процесса, и поэтому расширение является изотермическим. Расширение газа происходит за счет поглощения тепловой энергии QH и энтропии из высокотемпературного резервуара. Δ S ЧАС знак равно Q ЧАС / Т ЧАС < displaystyle Delta S _ < text > = Q _ < text > / T _ < text >>
  2. Изэнтропическое ( обратимое адиабатическое ) расширение газа (изэнтропическая работа на выходе). Для этого этапа (от B до C ) предполагается, что поршень и цилиндр имеют теплоизоляцию, поэтому они не получают и не теряют тепло. Газ продолжает расширяться, воздействуя на окружающую среду и теряя эквивалентное количество внутренней энергии. Расширение газа вызывает его для охлаждения до «холодной» температуры, TC . Энтропия остается неизменной.
  3. Реверсивное изотермическое сжатие газа при температуре «холодной», TC . (отвод изотермического тепла) (от C до D ) Теперь газ подвергается воздействию холодного температурного резервуара, в то время как окружающая среда воздействует на газ, сжимая его (например, за счет обратного сжатия поршня), вызывая при этом некоторое количество тепловой энергии QC и энтропии, вытекающей из газа в низкотемпературный резервуар. (Это такое же количество энтропии, поглощенное на этапе 1.) Эта работа меньше, чем работа, выполняемая с окружающей средой на этапе 1, потому что она происходит при более низком давлении, учитывая отвод тепла в холодный резервуар, когда происходит сжатие (т. Е. сопротивление сжатию ниже на этапе 3, чем сила расширения на этапе 1). Δ S C знак равно Q C / Т C < displaystyle Delta S _ < text > = Q _ < text > / T _ < text >>
  4. Изэнтропическое сжатие газа (ввод изэнтропической работы). ( DA ) И снова предполагается, что поршень и цилиндр имеют теплоизоляцию, а резервуар для холодной температуры удален. Во время этого этапа окружающая среда продолжает работать над дальнейшим сжатием газа, при этом температура и давление повышаются теперь, когда радиатор был удален. Эта дополнительная работа увеличивает внутреннюю энергию газа, сжимая ее и вызывая температуру подняться до TH . Энтропия остается неизменной. В этот момент газ находится в том же состоянии, что и в начале шага 1.

Теорема Карно

Теорема Карно является формальным утверждением этого факта: никакой двигатель, работающий между двумя тепловыми резервуарами, не может быть более эффективным, чем двигатель Карно, работающий между одними и теми же резервуарами.

η я знак равно W Q ЧАС знак равно 1 — Т C Т ЧАС < displaystyle eta _ = < frac >>> = 1 — < frac>>>>>>

Пояснение
Этот максимальный КПД определяется, как указано выше: η я < displaystyle eta _ < text >>

W — работа, совершаемая системой (энергия, выходящая из системы как работа), Q ЧАС < displaystyle Q _ < text >> это тепло, вложенное в систему (тепловая энергия, поступающая в систему), Т C < displaystyle T _ < text >> — абсолютная температура холодного резервуара, а Т ЧАС < displaystyle T _ < text >> — абсолютная температура горячего резервуара.

Следствие теоремы Карно гласит, что: Все реверсивные двигатели, работающие между одними и теми же тепловыми резервуарами, одинаково эффективны.

Легко показать, что эффективность η максимальна, когда весь циклический процесс является обратимым . Это означает, что полная энтропия чистой системы (энтропии горячей печи, «рабочего тела» теплового двигателя и холодного стока) остается постоянной, когда «рабочее тело» завершает один цикл и возвращается в исходное состояние. (В общем случае полная энтропия этой комбинированной системы увеличилась бы в общем необратимом процессе).

Поскольку «рабочая жидкость» возвращается в то же состояние после одного цикла, а энтропия системы является функцией состояния; изменение энтропии системы «рабочая жидкость» равно 0. Таким образом, это означает, что полное изменение энтропии печи и стока равно нулю, чтобы процесс был обратимым, а эффективность двигателя была максимальной. Этот вывод проводится в следующем разделе.

Коэффициент полезного действия (COP) теплового двигателя обратно пропорционален его КПД.

КПД реальных тепловых машин

Для настоящего теплового двигателя полный термодинамический процесс обычно необратим. Рабочая жидкость возвращается в исходное состояние после одного цикла, и, таким образом, изменение энтропии жидкостной системы равно 0, но сумма изменений энтропии в горячем и холодном резервуаре в этом циклическом процессе больше 0.

Внутренняя энергия жидкости также является переменной состояния, поэтому ее полное изменение за один цикл равно 0. Таким образом, общая работа, выполняемая системой W , равна теплу, вложенному в систему, за вычетом отведенного тепла . Q ЧАС < displaystyle Q _ < text >> Q C < displaystyle Q _ < text >>

Для реальных двигателей — разделы 1 и 3 цикла Карно; в котором тепло поглощается «рабочей жидкостью» из горячего резервуара и передается им соответственно в холодный резервуар; больше не остаются идеально обратимыми, и существует разница температур между температурой резервуара и температурой жидкости во время теплообмена.

Во время передачи тепла от горячего резервуара к текучей среде температура текучей среды будет немного ниже, чем , и процесс для текучей среды не обязательно может оставаться изотермическим. Пусть будет полное изменение энтропии жидкости в процессе поглощения тепла. Т ЧАС < displaystyle T _ < text >> Т ЧАС < displaystyle T _ < text >> Δ S ЧАС < displaystyle Delta S _ < text >>

Виды тепловых двигателей

Теловой двигатель

Ежедневно мы имеем дело с двигателями, приводящими в движение автомобили, корабли, производственную технику, железнодорожные локомотивы и самолеты. Именно появление и широкое использование тепловых машин быстро продвинуло вперед промышленность.

· Тепловой двигатель – тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует теплового решения вещества от температуры. Обычно работа совершается за счет изменения объёма вещества, но иногда используется изменение формы рабочего тела (в твёрдотельных двигателях).

Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики. Для работы необходимо создать разность давления по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Для работы двигателя обязательно наличие разницы температур, производится нагревание рабочего тела (газа), который совершает работу за счёт изменения своей внутренней энергии. Повышение и понижение температуры осуществляется, соответственно, нагревателем (например, при сжигании топлива) и охладителем, в роли которой используется окружающая среда.

Миллионы автомобилей на двигателях внутреннего сгорания занимаются перевозом пассажиров и грузов. По железным дорогам ходят мощные тепловозы, по водным траекториям – теплоходы. Самолеты и вертолеты снабжены поршневыми, турбореактивными и турбовинтовыми двигателями. Ракетные двигатели «толкают» в космическое пространство станции, корабли и спутники Земли. Двигатели внутреннего сгорания в сельском хозяйстве устанавливают на комбайнах, насосных станциях, тракторах и прочих объектах.

Применение теплового двигателя

1. Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей (в основном мощных паровых турбин) на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Около 80% всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях.

2. Тепловые двигатели (паровые турбины) устанавливают также на атомных электростанциях. На этих станциях для получения пара высокой температуры используется энергия атомных ядер.

3. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели). Эти же двигатели устанавливаются на тракторах.

4. На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. Но и электровозы получают энергию от тепловых двигателей электростанций.

5. На водном транспорте используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные турбины для крупных судов.

6. В авиации на легких самолетах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах — турбовинтовые и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах.

7. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы дешевую электроэнергию и были бы лишены всех видов современного скоростного транспорта

Виды тепловых двигателей

1. Двигатель Стирлинга — тепловая машина, в которой рабочее тело, в виде газа или жидкости, движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочей площадки с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года.

В современной научной литература этот узел называется «регенератором»

Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. Чаще всего регенератор представляет собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа).

Газ, проходя через наполнитель в одну сторону, отдаёт тепло регенератору, а при движении в другую сторону отбирает его. Регенератор может быть внешним по отношению к цилиндрам, а может быть размещён на поршне-вытеснителе в β- и γ-конфигурациях. В последнем случае размеры и вес машины оказываются меньше.

Частично роль регенератора выполняет зазор между вытеснителем и стенками цилиндра (при длинном цилиндре надобность в таком устройстве вообще исчезает, но появляются значительные потери из-за вязкости газа). В α-стирлинге регенератор может быть только внешним. Он устанавливается последовательно с теплообменником, в котором происходит нагрев рабочего тела, со стороны холодного поршня.

2. Паровая машина – тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно – поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразует энергию пара в механическую работу.

Первая паровая машина построена в XVII в. Папеном и представляла цилиндр с поршнем, который поднимался действием пара, а опускался давлением атмосферы после сгущения отработавшего пара. На этом же принципе были построены в 1705 году вакуумные паровые машины Севери и Ньюкомена для выкачивания воды из копей. Значительные усовершенствования в вакуумной паровой машине были сделаны Джеймсом Уаттом в 1769 году. Дальнейшее значительное усовершенствование парового двигателя (применение на рабочем ходу пара высокого давления вместо вакуума) было сделано американцем Оливер Эвансом в 1769 году и англичанином Ричардом Тревитиком в 1800 году.

3. Поршневой двигатель –двигатель внутреннего сгорания, в котором тепловая энергия расширяющихся газов, образовавшаяся в результате сгорания топлива в замкнутом объёме, преобразуется в механическую работу поступательного движения поршня за счёт расширения рабочего тела (газообразных продуктов сгорания топлива) в цилиндре, в который вставлен поршень. Поступательное движение поршня преобразуется во вращение коленчатого вала кривошипно-шатунным механизмом.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания сегодня является самым распространённым тепловым двигателем. Он используется для привода средств наземного, воздушного и водного транспорта, боевой, сельскохозяйственной и строительной техники, электрогенераторов, компрессоров, водяных насосов, помп, моторизованного инструмента (бензорезок (бензо-болгарок), газонокосилок, бензопил) и прочих машин, как мобильных, так и стационарных, и производится в мире ежегодно в количестве нескольких десятков миллионов изделий.

Полный цикл работы двигателя складывается из последовательности тактов — однонаправленных поступательных ходов поршня. Различают двухтактные и четырехтактные двигатели.

4. Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания — примером такого устройства является тепловая электрическая станция в базовом режиме. Таким образом, колёса локомотива (электровоза) также, как и в 19 веке, вращает энергия пара. Но тут есть два существенных отличия.

Первое отличие заключается в том, что паровоз 19 века работал на качественном дорогом топливе, например на антраците. Современные же паротурбинные установки работают на дешевом топливе, например на канско — ачинском угле, который добывается открытым способом шагающими экскаваторами. Но в подобном топливе много пустого балласта, который транспорту приходится возить с собой вместо полезного груза. Электровозу не надо возить не только балласт, но и топливо вообще.

Второе отличие заключается в том, что тепловая электрическая станция работает по циклу Ренкина, который близок к циклу Карно. Цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм. Цикл Ренкина состоит из двух адиабат, изотермы и изобары с регенерацией тепла, которая приближает этот цикл к идеальному циклу Карно. На транспорте трудно сделать такой идеальный цикл, так как у транспортного средства есть ограничения по массе и габаритам, которые практически отсутствуют у стационарной установки.

5. Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания —примером такого устройства является тепловая электрическая станция в пиковом режиме. Порой в качестве газотурбинной установки используют списанные по технике безопасности воздушно – реактивные двигатели.

6. Реактивные и ракетные двигатели —представляет собой совмещенный тепловой двигатель и движетель, в нём внутренняя энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию реактивной струи разогретого рабочего тела. Реактивные двигатели отбрасывают нагретое рабочее тело с большой скоростью, за счет его проистечения, в соответствии с законом сохранения импульса, образуется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении. В тепловых реактивных двигателях обычно используется химическое топливо в газообразном, жидком или твердом состоянии, порождающее разогретый газ при сгорании.

Воздушно – реактивные двигатели используют газообразный окислитель из окружающей среды, тогда как ракетные двигатели снабжаются запасами всех компонентов рабочего тела с носителя и способны работать в любой среде, в том числе и в безвоздушном пространстве. Используются для приведения в движение самолётов, ракет и космических аппаратов

7. Твердотельные двигатели —такие двигатели используют твёрдый материал (вещество в твёрдой фазе) в качестве рабочего тела. Работа совершается при изменении формы рабочего тела. Позволяют использовать малые перепады температур.

Тепловые двигатели. Второй закон термодинамики

1. Принцип действия и основные элементы теплового двигателя

В курсе физики основной школы вы уже познакомились с различными видами тепловых двигателей и их устройством. Тепловые двигатели сыграли большую роль в истории человечества и сохраняют огромное значение сегодня. Они движут автомобили, вращают турбины тепловых электростанций, разгоняют космические корабли.

Принцип действия теплового двигателя

Тепловые двигатели названы так потому, что в них сжигают топливо (например, газ или бензин) для получения высокой температуры. Она нужна для того, чтобы увеличить давление газа, который совершает работу при расширении (например, двигая поршень, соединенный передаточным механизмом с ведущими колесами автомобиля). Этот газ называют рабочим телом.

При расширении газу передается количество теплоты Q1. На рисунке 43.1 график зависимости p(V) при расширении газа схематически показан красной линией. Как вы уже знаете, работа Aг, совершенная при этом газом, численно равна площади фигуры под этим графиком (на рисунке она закрашена).

Действие теплового двигателя имеет циклический характер, то есть представляет собой последовательность повторяющихся одинаковых процессов. Поэтому после того, как газ расширился, совершив работу, его надо сжать до прежнего объема, чтобы он снова смог совершить работу при следующем расширении.

Сжимая газ, надо совершать работу над газом. Чтобы двигатель совершал полезную работу, работа по сжатию газа должна быть меньше работы газа при его расширении. Для этого надо сжимать газ при меньшем давлении. А чтобы уменьшить давление газа, надо понизить его температуру, Для этого при сжатии надо охлаждать газ, то есть отбирать у него некоторое количество теплоты Q2.

График зависимости p(V) при сжатии более холодного газа изображен на графике (рис. 43.2) синей линией. Работа Aвнеш внешних сил, совершаемая при этом над газом, численно равна площади фигуры под этим графиком (на рисунке она закрашена).

Полезная работа Aпол совершенная двигателем за один цикл, равна разности работы газа Aг и работы внешних сил Aвнеш:

Из этого соотношения следует, что полезная работа численно равна площади, заключенной внутри цикла в координатах p, V. Она закрашена на рисунке 43.3.

Подсказка. Воспользуйтесь первым законом термодинамики и тем, что при возвращении в начальное состояние внутренняя энергия газа не изменилась.

Основные элементы теплового двигателя

Итак, тепловой двигатель состоит из следующих основных элементов (рис. 43.4).

  • Нагреватель – сжигаемое топливо. Нагреватель имеет высокую температуру T1 и при контакте с рабочим телом передает ему количество теплоты Q1.
  • Рабочее тело – обычно газ.
  • Холодильник – обычно окружающий воздух или вода водоема. Температура T2 холодильника ниже температуры нагревателя: T2 0, коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше 100 %.

? 2. За некоторое время нагреватель передал рабочему телу количество теплоты 5 кДж, а рабочее тело отдало холодильнику количество теплоты 4 кДж. Чему равен КПД?

Максимально возможный КПД теплового двигателя

Исследуя различные циклические процессы, французский ученый С. Карно доказал, что

максимально возможный коэффициент полезного действия теплового двигателя

В этой формуле T1 – температура нагревателя, а T2 – температура холодильника.

Как увеличить КПД теплового двигателя? Из формулы (5) следует, что этого можно достичь двумя способами: повышая температуру T1 нагревателя и понижая температуру T2 холодильника. Какой способ более эффективен?

Чтобы ответить на этот вопрос, заметим, что температура холодильника T2 не может быть ниже температуры окружающего воздуха, поэтому особенно сильно понизить ее невозможно. Следовательно, единственно возможный путь – повышать насколько возможно температуру T1 нагревателя. Однако и тут есть ограничение: температура нагревателя не должна превышать температуру плавления материалов, из которых изготовлен двигатель.

Формула (5) соответствует максимально возможному КПД теплового двигателя. У реальных тепловых двигателей он существенно меньше максимально возможного. Например, КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 30–40 %.

? 3. Чему равен максимально возможный КПД теплового двигателя, если температура нагревателя 1000 ºС, а температура холодильника 20 ºC?

3. Пример расчета КПД цикла

Вычисление КПД для циклов реальных тепловых двигателей требует использования высшей математики. Мы рассмотрим упрощенный циклический процесс a – b – c – d – a, происходящий с идеальным одноатомным газом (рис. 43.5).

Прежде чем начинать расчеты, проведем качественное рассмотрение.

? 4. В следующей таблице приведены качественные характеристики некоторых этапов указанного циклического процесса. Перенесите таблицу в тетрадь и объясните содержание заполненных ячеек таблицы. Заполните остальные ячейки.

Итак, мы видим, что газ получает от нагревателя некоторое количество теплоты только на этапах a – b и b – c.

Напомним теперь, что коэффициент полезного действия равен отношению полезной работы Aпол к полученному от нагревателя количеству теплоты Q. Мы установили,что это количество теплоты газ получил в процессе a – b – c.

Согласно первому закону термодинамики:

где Aг и ∆U – работа газа и изменение его внутренней энергии в процессе a – b – c.

? 5. Чему равна работа газа Aг в процессе a – b – c?
Подсказка. Воспользуйтесь тем, что работа газа численно равна площади фигуры под графиком зависимости p(V).

Для нахождения изменения внутренней энергии газа воспользуемся формулой (§ 42):

В состоянии с произведение давления газа на его объем равно 2p * 2V = 4pV, а в состоянии a это произведение равно pV. Следовательно,

? 6. Чему равно количество теплоты Q, полученное газом от нагревателя за один цикл?
Подсказка. Воспользуйтесь формулой (6), результатом задания 4 и формулой (7).

Для нахождения КПД осталось найти полезную работу газа за один цикл.

? 7. Чему равна полезная работа газа за один цикл?
Подсказка. Воспользуйтесь тем, что полезная работа численно равна площади, заключенной внутри цикла в координатах (p, V).

Теперь можно найти КПД данного цикла.

? 8. Чему равен КПД данного цикла?
Подсказка. Воспользуйтесь результатами заданий 5–7.

4. Второй закон термодинамики

Обратимые и необратимые процессы и явления Среди происходящих вокруг нас явлений есть такие, которые могут протекать практически одинаково как в прямом, так и в обратном направлении во времени – как в фильме, который показывают в обратном порядке, от конца к началу. Такие явления называют обратимыми.

Явления же, которые могут протекать только в одном направлении, называют необратимыми.

Практически обратимыми являются механические явления, в которых очень мала роль трения: например, колебания груза на нити или на пружине.

Если заснять их, а затем показывать фильм в обратном порядке, зрители не заметят «обращения времени»: им будет казаться, что они наблюдают реальный процесс.

Однако те механические явления, в которых трение играет существенную роль, являются необратимыми: если показывать фильм о таких явлениях в обратном порядке, зрители сразу же это заметят.

Например, при прямом показе фильма катящийся по траве мяч замедляется и останавливается, а при обратном показе лежащий на траве мяч вдруг ни с того ни с сего начинает катиться, причем с возрастающей скоростью.

Среди тепловых явлений также есть обратимые и необратимые. Например, при адиабатном сжатии и расширении газа (то есть при отсутствии теплопередачи) газ ведет себя подобно пружине: если надавить на поршень, под которым находится газ в теплоизолированном цилиндрическом сосуде, а затем отпустить поршень, то он начнет совершать колебания – как груз на пружине.

Однако те тепловые явления, в которых существенную роль играет теплопередача, нельзя рассматривать как обратимые даже приближенно, так как теплопередача направлена всегда в одну сторону – от горячего тела к холодному.

Поскольку трение или теплопередача в той или иной степени присутствуют в любом процессе, все происходящие в природе процессы являются необратимыми. Например, колебания груза, подвешенного на нити или на пружине, могут продолжаться довольно долго, но постепенно они затухают и в конце концов прекращаются.

Второй закон термодинамики

Необратимость процессов обусловлена тем, что более упорядоченное состояние вещества со временем переходит в менее упорядоченное. (Закономерность такого перехода обосновывается с помощью теории вероятностей, но это обоснование выходит за рамки нашего курса.)

Например, вследствие трения кинетическая энергия тела, движущегося как единое целое, превращается в энергию хаотического движения молекул. При теплопередаче упорядоченность также уменьшается: у тел с разной температурой молекулы «рассортированы» по энергиям (средняя энергия молекул одного тела больше средней энергии молекул другого тела), а после выравнивания температур средние энергии молекул обоих тел становятся одинаковыми.

Утверждение о необратимости процессов в природе называют вторым законом термодинамики. Есть несколько равноценных с физической точки зрения формулировок этого закона. Например, немецкий ученый Р. Клаузиус предложил такую формулировку:
невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача некоторого количества теплоты от холодного тела к горячему.

В этой формулировке речь идет о передаче некоторого количества теплоты как единственном результате. Домашний холодильник осуществляет передачу тепла в обратном направлении – от холодных продуктов в морозильной камере к теплому окружающему воздуху, но при этом электродвигатель холодильника потребляет электроэнергию, которая вырабатывается на электростанции. Выработка же электроэнергии сопровождается необратимыми процессами. Поэтому охлаждение продуктов в морозильной камере – не единственный результат всего процесса.

5. Энергетический и экологический кризисы

Энергетический кризис понимают как недостаток энергии для развития промышленного производства. Он является сегодня одной из острых проблем цивилизации. Но как согласовать энергетический кризис с законом сохранения энергии: ведь если энергия сохраняется, то как ее может не хватать?
Дело в том, что энергетический кризис состоит прежде всего в недостатке энергии, пригодной для преобразования в механическую. Например, мы видели, что при работе тепловых двигателей происходит преобразование химической энергии топлива в механическую энергию, которая затем превращается в энергию хаотического движения частиц. Это преобразование энергии является необратимым.

Запасы топлива на нашей планете неуклонно уменьшаются: например, разведанных запасов нефти при нынешнем темпе ее использования хватит всего на несколько десятилетий. Таким образом, энергетический кризис является следствием необратимости процессов, происходящих в природе и технике.

Не менее серьезной проблемой, стоящей перед человечеством, является экологический кризис.

Огромные масштабы преобразования энергии уже начали оказывать воздействие на климат Земли и состав атмосферы.

Во всех тепловых двигателях в качестве холодильника используется окружающая среда (атмосферный воздух и вода открытых водоемов). В результате происходит повышение температуры окружающей среды, называемое тепловым загрязнением (рис. 43.6).

Оно усугубляется тем, что при сгорании огромного количества топлива повышается концентрация углекислого газа в земной атмосфере. В результате атмосфера не пропускает в космическое пространство тепловое излучение нагретой Солнцем поверхности Земли. Из-за этого возникает так называемый парниковый эффект, вследствие которого температура может повыситься еще больше.

Ученые установили, что средняя температура на Земле в течение последних десятилетий неуклонно повышается. Одной из причин этого может быть работа большого и все возрастающего количества тепловых двигателей – в основном на электростанциях и в автомобилях. Это грозит глобальным потеплением с весьма нежелательными последствиями. К их числу относятся таяние ледников и подъем уровня мирового океана.

Кроме того, при сжигании топлива в тепловых двигателях расходуется необходимый для жизни атмосферный кислород, а также образуются вредные вещества, загрязняющие атмосферу. Качество воздуха в больших городах оставляет желать лучшего.

Чтобы смягчить негативные последствия работы тепловых двигателей, стараются максимально повысить их КПД и уменьшить выбросы вредных веществ.

Что такое рабочее тело в тепловом двигателе

С древнейших времен люди пользовались энергией топлива для приготовления пищи, обогрева жилища и обработки металлов. Но после появления тепловых двигателей особое значение приобрело применение энергии топлива для приведения в движение различных механизмов. Понятно поэтому, насколько важно знать способы наиболее эффективного использования топлива для совершения работы.

Для использования внутренней энергии тела нужно ее «отнять» у тела. Это можно осуществить двумя способами – в процессе теплопередачи, когда тело отдает некоторое количества теплоты, или при совершении телом работы.

Теплопередачей пользуются, например, в ряде технологических процессов, связанных с нагреванием тел, а также для обогрева помещений за счет внутренней энергии горячего пара или воды. Но наибольшее значение имеет использование внутренней энергии тел для совершения работы.

Механическая работа совершается лишь тогда, когда происходит упорядоченное движение – перемещение тела. Внутренняя же энергия – это энергия беспорядочно движущихся молекул. Следовательно, для того чтобы за счет внутренней энергии совершалась работа, необходимо найти способ, позволяющий преобразовать хаотическое движение молекул в упорядоченное движение какого-либо макроскопического тела. И задача эта весьма непростая. Любое упорядоченное движение тел в реальных условиях (при наличии трения) частично «преобразуется» в беспорядочное движение молекул (тела нагреваются). Обратное же преобразование хаотического движения молекул в упорядоченное требует специальных условий.

Такие условия могут быть созданы, например, при использовании цилиндра с поршнем. Беспорядочное перемещение молекул газа в цилиндре вызывает перемещение поршня. Цилиндр с поршнем составляет главную часть огнестрельного оружия. За счет внутренней энергии газов, возникающих при сгорании топлива (пороха) в стволе (цилиндре) совершается механическая работа по перемещению снаряда. Огнестрельное оружие, таким образом, является своеобразным тепловым двигателем. Но это не есть двигатель непрерывного действия. Тепловая машина, для того чтобы быть периодически действующим устройством, должна совершать замкнутый процесс или цикл.


Рис. 4.11

Механическая работа совершается при расширении газа в цилиндре, при котором газ проходит через ряд состояний вдоль некоторой кривой а (рис. 4.11). Для того чтобы газ вернулся в первоначальное состояние 1, его нужно сжать, для чего над ним придется совершить работу. Но эта работа обязательно должна быть меньше, чем работа, совершенная газом при его расширении. Напомним, что работа газа при расширении на P-V-диаграмме численно равна площади криволинейной трапеции под кривой а. Чтобы при сжатии газа совершалась меньшая работа, кривая сжатия b должна лежать ниже кривой а. При постоянном объеме V давление выше там, где выше температура (Pa > Pb). Следовательно, расширяться газ должен нагретым, а сжиматься – холодным. Разность площадей под кривыми а и b, то есть площадь, ограниченная замкнутой кривой 1а2b1, равна работе А, совершаемой за цикл. Газ вернулся в исходное состояние, следовательно, его внутренняя энергия не изменилась, то есть ΔU = 0. Таким образом, работа, совершенная газом за цикл, на основании первого начала термодинамики равна:

,(4.38)

где Q1 – количество теплоты, полученной газом на стадии расширения (участок 1а2), Q2 – количество теплоты, отведенное от газа на стадии сжатия (участок 2б1).

Отношение совершенной за цикл работы А к количеству теплоты Q1, полученному за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия машины.

.(4.39)

Рис. 4.12

Рассмотрев принцип работы тепловой машины, можно представить ее принципиальную схему, отвлекаясь при этом от конструктивных особенностей (рис. 4.12).

Обязательными составляющими тепловой машины являются два тепловых резервуара: нагреватель с температурой Т1 и холодильник с температурой Т2 < T1. Если просто привести нагреватель в тепловой контакт с холодильником, то внутренняя энергия нагревателя будет передаваться холодильнику путем теплопередачи без совершения работы. Для совершения механической работы обязательно должно быть промежуточное звено – так называемое рабочее тело, в качестве которого, например, может быть использован газ в цилиндре.

Отметим еще, что на первых порах охлаждение газа перед сжатием достигалось путем приведения его в контакт с телами более низкой температуры. Но в этом случае энергия хаотического движения молекул газа преобразуется также в энергию хаотического движения молекул других тел, и для совершения работы она будет потеряна. Вот почему первые тепловые двигатели имели очень низкий к.п.д. (

5 %). Очевидно, нужно было найти другой способ охлаждения газа.

Итак, внутренняя энергия, отнятая у нагретого тела при соприкосновении его с более холодным телом, абсолютно бесполезна для совершения работы. Поэтому, если мы хотим получить максимальную работу при расширении газа, надо чтобы газ в этом процессе не соприкасался с телами, имеющими более низкую температуру.


Рис. 4.13

Исключить контакт рабочего тела с более холодными телами можно двумя способами: поместить газ в сосуд, стенки которого сделаны из теплоизолирующего материала, или поддерживать постоянный контакт газа с телами, имеющими ту же температуру, что и он сам. Очевидно, что в первом случае состояние газа меняется в условиях адиабатического процесса (рис. 4.13а), во втором – при изотермическом процессе (рис. 4.13б).

Напомним, что при адиабатном расширении газа его внутренняя энергия уменьшается как раз на величину совершенной работы. При этом происходит понижение температуры. Напротив, при адиабатном сжатии газа его внутренняя энергия увеличивается за счет работы, совершенной над газом, вследствие чего температура газа повышается.

Рассмотрим изменение состояния газа в ходе изотермического процесса при условии, что цилиндр, в котором находится газ, соприкасается теплопроводящим дном с телами такой же, как у него, температуры, которая поддерживается постоянной. Предоставим газу возможность расширяться и совершать работу. Так как работа совершается газом за счет внутренней энергии, его температура начнет понижаться. Но тогда температура источника тепла окажется чуть-чуть выше, чем температура газа, и тотчас же от источника к газу будет передаваться такое количество теплоты, которое приведет к выравниванию температур газа и источника. Отдавать же какое-либо количество теплоты газ не может, так как он не соприкасается с телами более низкой температуры. Таким образом, температура газа практически будет всегда оставаться постоянной, постоянной будет и внутренняя энергия (для идеального газа она есть только функция его температуры). Тогда из первого закона термодинамики следует, что Q = A. Не представляет труда рассмотреть процесс изотермического сжатия газа, в ходе которого за счет работы внешних сил внутренняя энергия и температура газа должны повышаться, что приведет к передаче некоторого количества энергии от рабочего тела термостату.

Итак, в адиабатном и изотермическом процессах наиболее полно используется внутренняя энергия для совершения работы. В этих процессах газ отдает энергию только для совершения работы. Очевидно, что для получения максимальной работы цикл тепловой машины должен состоять из адиабатического и изотермического процессов, поскольку только эти процессы позволяют исключить контакт горячего тела с холодным, то есть исключить уменьшение энергии без совершения работы

голоса
Рейтинг статьи
Читать еще:  Двигатель бензиновый gx 160 характеристики
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector