Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ.



Анализируя работу тепловых двигателей, французский инженер Карно в 1824 г пришел к выводу, что более выгодным круговым процессом является цикл, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных процессов, т.к. он характеризуется наибольшим к.п.д. В цикле Карно рабочее тело изотермически, а затем адиабатно расширяется, после чего снова изотермически (при более низкой температуре) и потом адиабатно сжимается. Цикл, который совершает идеальный газ некоторой массы, складывается из четырех процессов.

1. Рабочее тело приводят в контакт с нагревателем-источником тепла постоянной температуры Тн. При изотермическом расширении на участке 1-2 от нагревателя отбирается тепло Qн. Вследствие этого температура газа остается неизменной.

2. Отсоединяем нагреватель от рабочего тела и при тепловой изоляции даем газу адиабатно расширяться. Внутренняя энергия газа уменьшается и его температура падает до Тх.

3. Приводим газ в контакт с холодильником, имеющим постоянную температуру Тх, причем Тх< Тн. После этого газ сжимаем изотермически, и выделяющееся при этом тепло Qх отбирается холодильником.

4. Рабочее тело отсоединяем от холодильника и в условиях тепловой изоляции газ адиабатно сжимается до исходного состояния. Таким образом, нагреватель отдал газу теплоту Qн, а холодильник отобрал теплоту Qх. Разность (Qн-Qх) определяет полезную работу за один цикл, т.е. A=(Qн-Qх), а работа на адиабатных участках взаимно компенсируется.

Рис. 98. Принцип работы теплового двигателя.

Отношение полезной работы А газа, совершенной за цикл, к затраченной энергии нагревателя есть к.п.д. тепловой машины: hмакс=(Qн-Qх)/Qн. (15.1.)

Либо к.п.д. численно равен отношению разности температур нагревателя Тн и холодильника Т к абсолютной температуре нагревателя. hм =(Tн-Tх)/Tн. (15.2.)

Работа, совершаемая газом в результате изменений его состояний по любому замкнутому циклу, пропорциональна площади цикла на диаграмме pV. В тепловом двигателе от нагревателя с высокой температурой Т1, за цикл отнимается теплота Q1, а холодильнику с низкой температурой Т2, за цикл передается теплота Q2, при этом совершается работа: A = Q1 - Q2. (15.3.)

Чтобы термический К.П.Д. двигателя h = 1, должно быть выполняться условие Q2 = 0, т.е. тепловой двигатель должен иметь один только источник теплоты, что невозможно. Процесс, обратный происходящему в тепловом двигателе, используется в холодильной машине. Системой за цикл от термостата с более низкой температурой Т2 отнимается количество теплоты Q2 и отдается термостату с более высокой температурой Т1 количество теплоты Q1. Для кругового процесса Q=A, но, по условию, Q= Q2 - Q1 < 0, поэтому

A< 0 (15.4.)

и

Q2 - Q1 = - A, (15.5.)

или

Q1 = Q2 + A, (15.6.)

т.е. количество теплоты Q1, отданное системой источнику теплоты при высокой температуре Т1, больше количества теплоты Q2, полученной от источника теплоты при низкой температуре Т2, на величину работы, совершенной над системой. Без совершения работы нельзя отнять теплоту от менее нагретого тела и отдавать ее более нагретому телу.

В цикле Карно изотермические расширение и сжатие заданы соответственно кривыми 2 - 3 и 3 - 4, а адиабатические расширение и сжатие - кривыми 2 - 3 и 4 - 1. При изотермическом процессе: U = const, поэтому количество теплоты Q1, полученное газом от нагревателя, равно работе расширения ( A12 ) совершаемой, газом при переходе из состояния 1 в состояние 2:

A12 = (m/m)RT1.ln(V2/V1). (15.7.)

При адиабатическом расширении 2 — 3 отсутствует теплообмен с окружающей средой и работа расширения А23 совершается за счет изменения внутренней энергии:

A23 = - (m/m)cv(T2 - T1). (15.8.)

Рис. 99. Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (1) и дизельного двигателя (2).

Количество теплоты Q2, отданное газом холодильнику при изотермическом сжатии, равно работе сжатия:

A34 = (m/m)RT.ln(V4/V3) = - Q2. (15.9.)

Работа адиабатического сжатия:

A41 = - (m/m)cv(T1 - T2) = - A23. (15.10.)

Работа, совершаемая в результате кругового процесса:

A = A12 + A23 + + A34 + A41 = Q1 + A23 - Q2 - A23 = Q1 - Q2. (15.11.)

и, определяется площадью S между кривыми.

Термический К.П.Д. цикла Карно,

h = A/Q1 = (Q1 - Q2)/Q1. (15.12.)

Применив уравнение для адиабат 2-3 и 4- 1, получим

T1V2g-1 = T2V3g-1, (15.13.)

и

T1V1g-1 = T2V4g-1, (15.14.)

откуда

V2/V1 = V3/V4. (15.15.)

И в результате можно получить

h = (Q1 - Q2)/Q1 =

= {(m/m)RT1.ln(V2/V1) - (m/m)RT2.ln(V3/V4)}/(m/m).ln(V2/V1), (15.16.)

т.е. для цикла Карно К.П.Д. действительно определяется только температурами нагревателя и холодильника. Для его повышения необходимо увеличить разность температур нагревателя и холодильника. К.П.Д. реальных тепловых двигателей из-за трения и тепловых потерь меньше вычисленного для цикла Карно. Обратный цикл Карно лежит в основе действия тепловых насосов.


Поделиться:



Популярное:

Последнее изменение этой страницы: 2016-06-04; Просмотров: 708; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.018 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь