Передача тепловой энергии осуществляет рабочее тело, т. е. веществом, способным воспринимать теплоту и совершать работу. В отопительно-котельной технике рабочее тело это горячая вода и водяной пар.
В водогрейных или паровых котлах и парогенераторах теплота продуктов сгорания, образующаяся при сжигании топлива, передается через стенки котла (площадь поверхности нагрева) к воде, которая нагревается до определенной температуры или преобразуется в пар. В результате сообщения теплоты рабочее тело изменяет свое состояние, характеризующееся параметрами состояния рабочего тела: температурой, удельным объемом, давлением. Часто эти параметры называют основными.
Температура — мера нагретости тела, которая является величиной, определяющей направление самопроизвольной передачи теплоты.
Температура измеряется в градусах. Градус — одна сотая часть расстояния на столбике ртути между точками, соответствующими температурам плавления льда и кипения воды при атмосферном давлении 101,3 кПа (760 мм рт. ст.). Шкалу температур, полученную таким образом, называют стоградусной, или шкалой Цельсия °С. Температуру, выраженную по этой шкале, принято обозначать буквой t.
Стоградусная, или международная, практическая шкала применяется наравне с основной в международной системе (СИ) термодинамической шкалой температур Кельвина.
За начало отсчета температур по этой шкале принят абсолютный нуль (- 273 °С) — наинизшая теоретически возможная температура, при которой отсутствует движение молекул. При этом размер градуса оставлен таким же, как в практической шкале.
Выраженную по шкале Кельвина температуру обозначают буквой Т, а единицу ее измерения — (Кельвин) К. Температура, выраженная в Кельвинах, связана с температурой в градусах Цельсия соотношением:
T = t + 273.
Таким образом, по данной шкале температура таяния льда равна 273 К, а температура кипения воды 373 К. Однако следует отметить, что температура кипения зависит от давления. При давлении выше атмосферного вода закипает при температуре более 100 °С. Например, при давлении 0,17 МПа температура кипения составит 115 С.
- Удельный объем v — это объем единицы массы вещества
- v = V/M,
- где V — объем тела, м3; М — масса тела, кг.
- Величина, обратная удельному объему, называется плотностью и обозначается буквой р:
- p =1/v = M/V.
- Давление — сила, действующая на единицу площади поверхности тела (нормально или перпендикулярно последней).
Чтобы определить давление Р, надо силу F разделить на площадь S, на которую она действует, т. е.
P=F/S.
В Международной системе СИ за единицу давления принят Паскаль (Па=Н/м2) — давление силы, равной 1 Ньютону, на 1 квадратный метр.
Эта единица давления очень мала и пользоваться ею практически неудобно, поэтому употребляют более крупные кратные единицы: 1 МПа (мегапаскаль) = 106 Па (для измерения, например давления пара в котле), 1 кПа (килопаскаль) — 103 Па (для измерения, например барометрического давления).
Широкое распространение в технике имеет внесистемная единица давления — техническая атмосфера (или кратко атмосфера): 1ат = 98,0665 × 103Па = 0,0981 МПа = 1 кгс/см2 = 104 кгс/м2.
Небольшие давления, а также разрежения измеряют иногда высотой столба жидкости (например, воды, ртути). Единицы измерения 1 мм вод. ст. и 1 м вод. ст. широко используются в технике (1 мм вод. ст. = 9,807 Па).
В закрытых сосудах различают давление избыточное, разрежение (или вакуум) и абсолютное. Давление в закрытом сосуде, превышающее атмосферное, называется избыточным (ати), а давление меньше атмосферного разрежением или вакуумом. Абсолютное давление (ата) равно сумме измеренного избыточного и атмосферного давлений или разности атмосферного давления и измеренного разрежения.
Избыточное или рабочее давление в котлах, трубопроводах и других сосудах измеряют приборами, которые называются манометрами, а вакуум или разрежение измеряют вакуумметрами.
Например, манометр показывает давление пара в котле 0,07 МПа (0,7 кгс/см2). Это значит, что давление в котле 0,7 ати.
Для того чтобы получить абсолютное давление пара в котле, необходимо к 0,7 ати прибавить атмосферное давление, т. е, 0,7 + 1 = 1,7 ата (атмосферы абсолютные).
- Если в каком-либо сосуде имеется разрежение, равное 0,5 ата, то абсолютное давление составит 1 — 0,5 = 0,5 ата или 0,05 МПа.
- Обозначив Ра — атмосферное давление; Рм — избыточное или манометрическое давление, Р — абсолютное давление, Рв — разрежение или вакуум, имеем следующие формулы соотношения давлений:
- Рм = Р — Ра; Р = Рк + Ра; Рв = Ра — Р
Атмосферное давление. Земля окружена воздушной оболочкой (атмосферой) толщиной в несколько сотен километров. Поверхность земли и находящиеся на ней предметы подвержены действию атмосферного давления.
Давление в 1 атмосферу уравновешивается столбиком ртути высотой 760 мм (физическая атмосфера). Зная плотность ртути, можно подсчитать величину физической атмосферы в другие единицах, например в кгс/м : 13595×0,76=10331,2 кгс/м2, или 1,033 кгс/см2.
Таким образом, физическая атмосфера равна 760 мм рт. ст., или 1,033 кгс/см2 или 101,3 кПа, Физическая атмосфера сокращенно обозначается атм. В отличие от физической, техническая атмосфера (1 ат) равна 1 кгс/см3, или 735,6 мм рт. ст.
, или 98 кПа; 1 кгс/м2 = 1 мм вод. ст.
Атмосферное давление зависит от состояния погоды и высоты местности над уровнем моря. Атмосферное давление на уровне моря равно 101,3 кПа (760 мм рт. ст.).
Чем выше над уровнем моря точка поверхности земли, тем меньше атмосферное давление. Этим и объясняется то, что температура кипения воды высоко в горах менее 100 °С. Атмосферное давление измеряется приборами, которые называют барометрами.
Помимо основных параметров рабочее тело имеет теплоемкость, теплопроводность.
Теплоемкость — количество теплоты, необходимое для изменения температуры какого-либо вещества на один градус.
Тепловые свойства вещества характеризуются теплоемкостью его единицы количества (1 кг, 1 м3, 1 киломоль), которую соответственно называют удельной массовой, объемной или киломольной теплоемкостью.
Единицами измерения указанных удельных теплоемкостей являются в Международной системе единиц СИ кДж/(кг×град); кДж/(м3×град); кДж/(кмоль×град) или ккал/(кг×град); ккал/(м3×град); ккал/(кмоль×град).
Для газов удельная теплоемкость зависит от того, в каких условиях происходит нагревание. При этом различают удельную теплоемкость при постоянном объеме Сv и удельную теплоемкость при постоянном давлении Ср. Причем Ср всегда больше, чем Сv. Для твердых тел и жидкостей эти теплоемкости не различаются.
Зная удельную теплоемкость вещества, по формуле
Q=Cm(t2 – t1)
Можно рассчитать количество теплоты (кДж или ккал), идущее на нагревание или охлаждение тела. В данной формуле С — удельная теплоемкость; m — единица количества вещества; t1 – t2 — разность температур.
Значения удельной теплоемкости веществ и материалов, наиболее часто встречающихся в отопительно-котельной технике, приводятся ниже, кДж/ (кг×град) ккал/(кг×град).
В табл. 1 даны значения Ср и Cv для некоторых газов при температуре 0 °С.
Водяной пар и его свойства. Водяной пар получают в паровых котлах при постоянном давлении (Р = const). В отопительных котельных малой мощности давление пара не превышает 0,07 МПа (0,7 кгс/см2).
Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием, а из газообразного состояния в жидкое — конденсацией. Процесс парообразования протекает следующим образом.
Сначала происходит нагрев воды до температуры кипения при соответствующем давлении. При дальнейшем сообщении теплоты кипящая вода превращается в пар и ее температура до полного испарения воды остается постоянной.
Кипение есть процесс парообразования во всем объеме жидкости.
Количество теплоты, которое необходимо сообщить воде для превращения ее из жидкого состояния в парообразное при температуре кипения, называется скрытой теплотой парообразования или теплотой испарения.
В теплотехнических расчетах часто приходится иметь дело с энтальпией, которая может быть оценена как суммарное количество теплоты, которое требуется для превращения 1 кг воды, взятой при 0°С, в пар при постоянном давлении. Энтальпия (или теплосодержание) — параметр состояния газа.
Например, в открытом сосуде энтальпия кипящей воды составит около 420 кДж/кг (100 ккал/кг). Скрытая теплота парообразования воды при атмосферном давлении равна 2260 кДж/кг (539 ккал/кг). Следовательно, энтальпия пара при атмосферном давлении составит 420 + 2260 = 2680 кДж/кг (100 + 539 = 639 ккал/кг).
С увеличением давления пара скрытая теплота парообразования уменьшается, а энтальпия пара повышается.
Различают пар насыщенный и перегретый.
Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью и имеющий одинаковые с жидкостью температуру и давление, называется насыщенным.
Обычно в процессе парообразования в пар попадают капельки котловой воды. Такой пар называется влажным насыщенным. Насыщенный пар, не имеющий капелек воды, называется сухим насыщенным. Доля сухого насыщенного пара во влажном называется степенью сухости пара и обозначается х. При этом влажность пара будет равна 1 — х. Для сухого насыщенного пара х = 1.
Таблица 1. Массовая удельная теплоемкость некоторых газов при постоянных давлениях и объеме
Влажность насыщенного пара нормально работающих паровых чугунных котлов составляет 1-3 %.
Если сообщить теплоту сухому насыщенному пару при данном постоянном давлении, то получится перегретый пар. Перегретый пар не содержит в себе влаги и его температура при данном давлении выше температуры котловой воды. В отопительных установках перегретый пар обычно не применяют.
Разновидностью процесса парообразования является испарение воды.
Испарение воды в открытом сосуде при атмосферном давлении может происходить и при температуре меньше 100 °С, В отличие от кипения, когда паровые пузыри возникают во всем объеме, испарение воды происходит только с поверхности жидкости. Чем меньше паров воды в окружающем воздухе и чем выше температура воды, тем интенсивнее идет испарение с ее поверхности.
Обычно зависимости между параметрами состояния рабочего тела изучают и устанавливают для упрощенной модели рабочего тела, например идеального газа, в котором отсутствуют силы взаимодействия между молекулами газа, а сами молекулы принимаются за материальные точки, не имеющие объема. С методической точки зрения такой подход более удобен.
Однако законы термодинамики и полученные на их основе соотношения, справедливы не только для газа, а вообще для всяких тел независимо от их агрегатного состояния.
Несмотря на то, что в природе идеальный газ отсутствует, в теплотехнических расчетах вполне допустимо (без особой погрешности для точности расчетов) принимать за идеальные все газы, с которыми в теплотехнике приходится иметь дело, за исключением водяного пара, который относится к реальным газам.
Уравнения состояния реальных газов (в отличие от идеальных) имеют сложный характер и для практических расчетов неудобны, поэтому их обычно используют для составления диаграмм, пригодных для теплотехнических расчетов, и таблиц термодинамических свойств реальных газов, важных для техники.
Рабочие тела тепловых машин и термодинамические процессы
В качестве рабочего тела в тепловых машинах чаще всего используются газы и пары, т.к. они наиболее сильно реагируют на подведенную теплоту изменением объема, по сравнению с твердыми телами и жидкостями. Для тепловых машин термодинамическая система это и есть рабочее тело.
В т/д для упрощения расчетов часто используется понятие «идеальный газ».
Идеальный газ – газ, молекулы которого не имеют размеров (материальные точки), между его молекулами отсутствует силовое взаимодействие. Идеальные газы строго подчиняются законам идеальных газов. Реальные газы тем ближе соответствуют понятию идеального газа, чем выше температура и меньше давление, (т.е. чем дальше от состояния конденсации).
Пар – в отличие от газа, это неустойчивое рабочее тело, которое в ходе термодинамического процесса может менять свое агрегатное состояние.
Компонентами смеси газов называют любую химически различную (состоящую из одних молекул: химический состав постоянен, химические реакции отсутствуют) составляющую смеси. Молекулы такой составляющей химически независимы.
Также компонентами смеси называются чистые вещества, составляющие смесь. Чистым веществом называется вещество, все молекулы которого одинаковы (вода, спирты, азот, аммиак и т.п.).
Смеси идеальных газов также являются идеальным газам и подчиняются всем законам идеальных газов.
- Термодинамический процесс – это процесс изменения состояния системы в результате ее взаимодействия с ОС.
- Равновесный ТД процесс – это процесс, в ходе которого система проходит через бесконечное множество бесконечно близких равновесных состояний. Равновесный процесс обладает следующими свойствами:
- 1) он может быть изображен графически в плоскости 2х координат (как правило, используются координаты p-v, T-s и i-s)
2) равновесный т/д процесс обратим – это т/д процесс, в результате осуществления которого в прямом и обратном направлении, система возвращается в исходное состояние, а ни в системе, ни в ОС не происходит никаких изменений. Все реальные процессы неравновесны и необратимы.
Круговой процесс или цикл – это процесс, в результате которого ТДС возвращается в исходное состояние. Круговые процессы являются основой при создании тепловых машин. В любой системе координат они изображаются замкнутыми кривыми.
В зависимости от особенностей преобразования энергии различают ряд термодинамических процессов: изобарный (давление постоянно); изохорный (объем постоянен); изотермический (температура постоянна); адиабатный (отсутствует теплообмен с ОС). Для идеального газа обобщающим процессом является политропный процесс (процесс при постоянной теплоемкости)
Конечный термодинамический процесс характеризуется теплоемкостью.
Теплоемкость «C» рабочего тела в некотором процессе – это количество тепла, необходимое для того, чтобы изменить температуру этого тела на 1К:
В результате осуществления термодинамического процесса происходит какое-либо преобразование рабочего тела или термодинамической системы. Например, совершается работа, происходит теплообмен, изменяется внутренняя энергия ТДС и т.п.
Работа– в общем случае это передача энергии от одного тела к другому, при которой происходит макроскопическое перемещение в некотором направлении макроскопического количества частиц – носителей энергии. Это макроскопическая форма передачи энергии. Количество энергии, переданной в этом случае, называют работой процесса «А», [Дж].
- где Х – обобщенная сила данного взаимодействия;
- П – термодинамический потенциал данного рода взаимодействия;
- х – координата взаимодействия.
- Работа объемной деформации«L»– работа, совершаемая вследствие деформации контрольной поверхности термодинамической системы.
- dL=pdV
- Располагаемая (полезная) работа «L0» – это работа, которая может быть получена за счет падения давления
- dL0= – Vdp
Теплообмен – это способ передачи энергии, при котором передача энергии осуществляется за счет хаотического, ненаправленного движения микрочастиц. Это микрофизическая форма передачи энергии. Количество энергии, переданное таким образом, называют теплотой процесса «Q» (или количеством теплоты, или теплотой) [Дж].
Выводы общей термодинамики используются при анализе тепловых машин.
Тепловая машина – термодинамическая система непрерывного действия, осуществляющая круговой процесс (цикл), в результате которого подведенная теплота превращается в работу (машины – двигатели) или теплота передается от менее нагретого рабочего тела к более нагретому телу (машины – холодильники).
Основная цель термодинамики как дисциплины – научить студента принципам термодинамического анализа для возможности оценки эффективности работы тепловых машин различных схем, отличающихся друг от друга видом рабочего тела и осуществляющимися термодинамическими процессами. Таким образом, понимание общей термодинамики является абсолютно необходимой базой для изучения технической термодинамики.
Тепловые машины
Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: принципы действия тепловых машин, КПД тепловой машины, тепловые двигатели и охрана окружающей среды
Коротко говоря, тепловые машины преобразуют теплоту в работу или, наоборот, работу в теплоту.
Тепловые машины бывают двух видов — в зависимости от направления протекающих в них процессов.
1. Тепловые двигатели преобразуют теплоту, поступающую от внешнего источника, в механическую работу.
2. Холодильные машины передают тепло от менее нагретого тела к более нагретому за счёт механической работы внешнего источника.
Рассмотрим эти виды тепловых машин более подробно.
Тепловые двигатели
Мы знаем, что совершение над телом работы есть один из способов изменения его внутренней энергии: совершённая работа как бы растворяется в теле, переходя в энергию беспорядочного движения и взаимодействия его частиц.
Рис. 1. Тепловой двигатель
Тепловой двигатель — это устройство, которое, наоборот, извлекает полезную работу из «хаотической» внутренней энергии тела. Изобретение теплового двигателя радикально изменило облик человеческой цивилизации.
Принципиальную схему теплового двигателя можно изобразить следующим образом (рис. 1). Давайте разбираться, что означают элементы данной схемы.
Рабочее тело двигателя — это газ. Он расширяется, двигает поршень и совершает тем самым полезную механическую работу.
Но чтобы заставить газ расширяться, преодолевая внешние силы, нужно нагреть его до температуры, которая существенно выше температуры окружающей среды. Для этого газ приводится в контакт с нагревателем — сгорающим топливом.
В процессе сгорания топлива выделяется значительная энергия, часть которой идёт на нагревание газа. Газ получает от нагревателя количество теплоты . Именно за счёт этого тепла двигатель совершает полезную работу .
Это всё понятно. Что такое холодильник и зачем он нужен?
При однократном расширении газа мы можем использовать поступающее тепло максимально эффективно и целиком превратить его в работу. Для этого надо расширять газ изотермически: первый закон термодинамики, как мы знаем, даёт нам в этом случае .
Но однократное расширение никому не нужно. Двигатель должен работать циклически, обеспечивая периодическую повторяемость движений поршня. Следовательно, по окончании расширения газ нужно сжимать, возвращая его в исходное состояние.
В процессе расширения газ совершает некоторую положительную работу . В процессе сжатия над газом совершается положительная работа (а сам газ совершает отрицательную работу ). В итоге полезная работа газа за цикл: .
Разумеется, должно быть , или (иначе никакого смысла в двигателе нет).
Сжимая газ, мы должны совершить меньшую работу, чем совершил газ при расширении.
Как этого достичь? Ответ: сжимать газ под меньшими давлениями, чем были в ходе расширения. Иными словами, на -диаграмме процесс сжатия должен идти ниже процесса расширения, т. е. цикл должен проходиться по часовой стрелке (рис. 2).
Рис. 2. Цикл теплового двигателя
Например, в цикле на рисунке работа газа при расширении равна площади криволинейной трапеции . Аналогично, работа газа при сжатии равна площади криволинейной трапеции со знаком минус. В результате работа газа за цикл оказывается положительной и равной площади цикла .
Хорошо, но как заставить газ возвращаться в исходное состояние по более низкой кривой, т. е. через состояния с меньшими давлениями? Вспомним, что при данном объёме давление газа тем меньше, чем ниже температура. Стало быть, при сжатии газ должен проходить состояния с меньшими температурами.
Вот именно для этого и нужен холодильник: чтобы охлаждать газ в процессе сжатия.
Холодильником может служить атмосфера (для двигателей внутреннего сгорания) или охлаждающая проточная вода (для паровых турбин). При охлаждении газ отдаёт холодильнику некоторое количество теплоты .
Суммарное количество теплоты, полученное газом за цикл, оказывается равным . Согласно первому закону термодинамики:
где — изменение внутренней энергии газа за цикл. Оно равно нулю: , так как газ вернулся в исходное состояние (а внутренняя энергия, как мы помним, является функцией состояния). В итоге работа газа за цикл получается равна:
(1)
Как видите, : не удаётся полностью превратить в работу поступающее от нагревателя тепло. Часть теплоты приходится отдавать холодильнику — для обеспечения цикличности процесса.
- Показателем эффективности превращения энергии сгорающего топлива в механическую работу служит коэффициент полезного действия теплового двигателя.
- КПД теплового двигателя — это отношение механической работы к количеству теплоты , поступившему от нагревателя:
- С учётом соотношения (1) имеем также
- (2)
КПД теплового двигателя, как видим, всегда меньше единицы. Например, КПД паровых турбин приблизительно , а КПД двигателей внутреннего сгорания около .
Холодильные машины
Житейский опыт и физические эксперименты говорят нам о том, что в процессе теплообмена теплота передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот.
Никогда не наблюдаются процессы, в которых за счёт теплообмена энергия самопроизвольно переходит от холодного тела к горячему, в результате чего холодное тело ещё больше остывало бы, а горячее тело — ещё больше нагревалось.
Рис. 3. Холодильная машина
Ключевое слово здесь — «самопроизвольно». Если использовать внешний источник энергии, то осуществить процесс передачи тепла от холодного тела к горячему оказывается вполне возможным. Это и делают холодильные
машины.
По сравнению с тепловым двигателем процессы в холодильной машине имеют противоположное направление (рис. 3).
Рабочее тело холодильной машины называют также хладагентом. Мы для простоты будем считать его газом, который поглощает теплоту при расширении и отдаёт при сжатии (в реальных холодильных установках хладагент — это летучий раствор с низкой температурой кипения, который забирает теплоту в процессе испарения и отдаёт при конденсации).
Холодильник в холодильной машине — это тело, от которого отводится теплота. Холодильник передаёт рабочему телу (газу) количество теплоты , в результате чего газ расширяется.
В ходе сжатия газ отдаёт теплоту более нагретому телу — нагревателю. Чтобы такая теплопередача осуществлялась, надо сжимать газ при более высоких температурах, чем были при расширении.
Это возможно лишь за счёт работы , совершаемой внешним источником (например, электродвигателем (в реальных холодильных агрегатах электродвигатель создаёт в испарителе низкое давление, в результате чего хладагент вскипает и забирает тепло; наоборот, в конденсаторе электродвигатель создаёт высокое давление, под которым хладагент конденсируется и отдаёт тепло)). Поэтому количество теплоты, передаваемое нагревателю, оказывается больше количества теплоты, забираемого от холодильника, как раз на величину :
Таким образом, на -диаграмме рабочий цикл холодильной машины идёт против часовой стрелки. Площадь цикла — это работа , совершаемая внешним источником (рис. 4).
Рис. 4. Цикл холодильной машины
Основное назначение холодильной машины — охлаждение некоторого резервуара (например, морозильной камеры). В таком случае данный резервуар играет роль холодильника, а нагревателем служит окружающая среда — в неё рассеивается отводимое от резервуара тепло.
Показателем эффективности работы холодильной машины является холодильный коэффициент, равный отношению отведённого от холодильника тепла к работе внешнего источника:
Холодильный коэффициент может быть и больше единицы. В реальных холодильниках он принимает значения приблизительно от 1 до 3.
Имеется ещё одно интересное применение: холодильная машина может работать как тепловой насос. Тогда её назначение — нагревание некоторого резервуара (например, обогрев помещения) за счёт тепла, отводимого от окружающей среды. В данном случае этот резервуар будет нагревателем, а окружающая среда — холодильником.
- Показателем эффективности работы теплового насоса служит отопительный коэффициент, равный отношению количества теплоты, переданного обогреваемому резервуару, к работе внешнего источника:
- Значения отопительного коэффициента реальных тепловых насосов находятся обычно в диапазоне от 3 до 5.
Тепловая машина Карно
Важными характеристиками тепловой машины являются наибольшее и наименьшее значения температуры рабочего тела в ходе цикла. Эти значения называются соответственно температурой нагревателя и температурой холодильника.
Мы видели, что КПД теплового двигателя строго меньше единицы. Возникает естественный вопрос: каков наибольший возможный КПД теплового двигателя с фиксированными значениями температуры нагревателя и температуры холодильника ?
Пусть, например, максимальная температура рабочего тела двигателя равна , а минимальная — . Каков теоретический предел КПД такого двигателя?
Ответ на поставленный вопрос дал французский физик и инженер Сади Карно в 1824 году.
Он придумал и исследовал замечательную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Эта машина работает по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат.
Рассмотрим прямой цикл машины Карно, идущий по часовой стрелке (рис. 5). В этом случае машина функционирует как тепловой двигатель.
Рис. 5. Цикл Карно
Изотерма . На участке газ приводится в тепловой контакт с нагревателем температуры и расширяется изотермически. От нагревателя поступает количество теплоты и целиком превращается в работу на этом участке: .
Адиабата . В целях последующего сжатия нужно перевести газ в зону более низких температур. Для этого газ теплоизолируется, а затем расширяется адиабатно на учатке .
При расширении газ совершает положительную работу , и за счёт этого уменьшается его внутренняя энергия: .
Изотерма . Теплоизоляция снимается, газ приводится в тепловой контакт с холодильником температуры . Происходит изотермическое сжатие. Газ отдаёт холодильнику количество теплоты и совершает отрицательную работу .
Адиабата . Этот участок необходим для возврата газа в исходное состояние. В ходе адиабатного сжатия газ совершает отрицательную работу , а изменение внутренней энергии положительно: . Газ нагревается до исходной температуры .
- Карно нашёл КПД этого цикла (вычисления, к сожалению, выходят за рамки школьной программы):
- (3)
- Кроме того, он доказал, что КПД цикла Карно является максимально возможным для всех тепловых двигателей с температурой нагревателя и температурой холодильника .
- Так, в приведённом выше примере имеем:
- В чём смысл использования именно изотерм и адиабат, а не каких-то других процессов?
Оказывается, изотермические и адиабатные процессы делают машину Карно обратимой. Её можно запустить по обратному циклу (против часовой стрелки) между теми же нагревателем и холодильником, не привлекая другие устройства. В таком случае машина Карно будет функционировать как холодильная машина.
Возможность запуска машины Карно в обоих направлениях играет очень большую роль в термодинамике. Например, данный факт служит звеном доказательства максимальности КПД цикла Карно. Мы ещё вернёмся к этому в следующей статье, посвящённой второму закону термодинамики.
Тепловые двигатели и охрана окружающей среды
Тепловые двигатели наносят серьёзный ущерб окружающей среде. Их повсеместное использование приводит к целому ряду негативных эффектов.
• Рассеяние в атмосферу огромного количества тепловой энергии приводит к повышению температуры на планете. Потепление климата грозит обернуться таянием ледников и катастрофическими бедствиями.
• К потеплению климата ведёт также накопление в атмосфере углекислого газа, который замедляет уход теплового излучения Земли в космос (парниковый эффект).
• Из-за высокой концентрации продуктов сгорания топлива ухудшается экологическая ситуация.
Это — проблемы в масштабе всей цивилизации. Для борьбы с вредными последствиями работы тепловых двигателей следует повышать их КПД, снижать выбросы токсичных веществ, разрабатывать новые виды топлива и экономно расходовать энергию.
Принцип работы теплового двигателя
Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.
Согласно механическую работу за счет охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего тела (нагревателя), но при этом отдает теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Следовательно, на совершение работы идет не все количество теплоты, полученное от нагревателя, а только часть ее.
- Таким образом, основными элементами любого теплового двигателя являются:
- 1) рабочее тело (газ или пар), совершающее работу;
- 2) нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу;
- 3) холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего тела.
Тепловые двигатели: принцип действия, устройство, схема
Рассмотрим тепловые двигатели, принцип действия этих механизмов. В земной коре и мировом океане запасы внутренней энергии можно считать неограниченными. Для того чтобы решать практические задачи, ее явно недостаточно.
Устройство и принцип действия теплового двигателя необходимо знать для того, чтобы приводить в движение токарные станки, транспортные средства. Человек нуждается в таких устройствах, которые могут совершать полезную работу.
Тепловые двигатели, принцип действия которых мы рассмотрим, являются основными на нашей планете. Именно в них происходит превращение внутренней энергии в механический вид.
Особенности теплового двигателя
Каков принцип действия теплового двигателя? Кратко его можно представить на простом опыте. Если в пробирку налить воду, закрыть пробкой, довести до кипения, она вылетит. Причина выскакивания пробки заключается в совершении паром внутренней работы.
Процесс сопровождается превращением внутренней энергии пара в кинетическую величину для пробки. Тепловые двигатели, принцип действия которых аналогичен описанному эксперименту, отличаются строением. Вместо пробирки используется металлический цилиндр.
Пробка заменена поршнем, плотно прилегающим к стенкам, перемещающимся вдоль цилиндра.
Алгоритм действия
Тепловыми машинами называют механизмы, где наблюдается превращение внутренней энергии топлива в механический вид.
Для совершения двигателем полезной работы, должна быть создана разность давлений с обеих сторон поршня либо лопастей мощной турбины. Для достижения такой разности давлений происходит повышение температуры рабочего тела на тысячи градусов в сравнении с ее средним показателем в окружающей среде. Происходит подобное повышение температуры в процессе сгорания топлива.
Изменения температур
У всех современных тепловых машин выделяют рабочее тело. Им принято называть газ, совершающий в процессе расширения полезную работу. Начальную температуру, обозначаемую Т1, он приобретает в паровом котле машины или турбины. Называют этот показатель температурой нагревателя.
В процессе совершения работы происходит постепенная потеря газом энергии. Это приводит к неизбежному охлаждению рабочего тела до некоторого показателя Т2.
Значение температуры должно быть ниже показателя окружающей среды, иначе давление газа будет иметь меньший показатель, чем атмосферное давление, и работа двигателем не будет совершена.
Показатель Т2 называют температурой холодильника. В его качестве выступает атмосфера либо специальное устройство, необходимое для конденсации и охлаждения отработанного пара.
Некоторые факты
Итак, тепловые двигатели, принцип действия которых основывается на расширении рабочего тела, не способны отдавать для совершения работы всю внутреннюю энергию. В любом случае часть тепла будет передаваться атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром либо выхлопными газами турбин или двигателей внутреннего сгорания.
Кпд тепловых машин
Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом.
С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений.
В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.
Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах.
Таков принцип действия теплового двигателя. Схема его понятна и проста, доступна даже ученикам средней школы.
Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.
Изобретение тепловой машины
Первым изобретателем машины, использующей тепло, стал Сади Карно. Он разработал идеальную машину, в которой рабочим телом выступал идеальный газ. Кроме того, ученому удалось определить показатель КПД для такого устройства, используя значения температуры холодильника и нагревателя.
Карно удалось определить зависимость между реальной тепловой машиной, функционирующей на основе нагревателя, и холодильником, в качестве которого выступает воздух или конденсатор. Благодаря математической формуле, предложенной Карно для его первой идеальной тепловой машины, определяется максимальное значение КПД. Между температурой нагревателя и холодильника существует прямая связь.
Для того чтобы машина полноценно функционировала, значение температуры не должно быть меньше ее показателя в окружающем воздухе. При желании можно повышать температуру нагревателя, не забывая о том, что у каждого твердого тела есть определенная жаропрочность. По мере нагревания оно теряет свою упругость, а при достижении температуры плавления просто плавится.
Благодаря инновациям, которые достигнуты в современной инженерной промышленности, происходит постепенное повышение КПД теплового двигателя. Например, снижается трение между его отдельными частями, устраняются потери, возникающие из-за неполного сгорания топлива.
Двигатель внутреннего сгорания
Он представляет собой тепловую машину, где в виде рабочего тела применяют высокотемпературные газы, получаемые в процессе сгорания разного вида топлива внутри камеры. Выделяют четыре такта в работе автомобильного двигателя. Среди составных его частей назовем впускной и выпускной клапаны, камеру сгорания, поршень, цилиндр, свечу, шатун, а также маховик.
На первом этапе наблюдается плавное передвижение клапана вниз, процесс происходит благодаря заполнению камеры рабочей смесью. В конце первого такта впускной клапан закрывается. Далее поршень передвигается вверх, при этом происходит сжатие рабочей смеси.
Появление искры в свече приводит к воспламенению горючей смеси. Давление, которое оказывают пары воздуха и бензина на поршень, приводят к его самопроизвольному движению вниз, поэтому такт называют «рабочим ходом». В движение приводится коленчатый вал.
На четвертом этапе открывается выпускной клапан, происходит выталкивание в атмосферу отработанных газов.
Принципы действия тепловых машин
Кпд тепловых машин
Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом.
С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений.
В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.
Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах.
Таков принцип действия теплового двигателя. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.
Как работают тепловые двигатели
Функция тепловых двигателей – преобразование тепловой энергии в полезную механическую работу. Рабочим телом в таких установках служит газ. Он с усилием давит на лопатки турбины или на поршень, приводя их в движение. Самые простые примеры тепловых двигателей – это паровые машины, а также карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания.
Инструкция
- Поршневые тепловые двигатели имеют в своем составе один или несколько цилиндров, внутри которых находится поршень. В объеме цилиндра происходит расширение горячего газа. При этом поршень под воздействием газа перемещается и совершает механическую работу.
Такой тепловой двигатель преобразует возвратно-поступательное движение поршневой системы во вращение вала. Для этой цели двигатель оснащается кривошипно-шатунным механизмом.
- К тепловым двигателям внешнего сгорания относятся паровые машины, в которых рабочее тело разогревается в момент сжигания топлива за пределами двигателя.
Нагретый газ или пар под сильным давлением и при высокой температуре подается в цилиндр. Поршень при этом перемещается, а газ постепенно охлаждается, после чего давление в системе становится почти равным атмосферному.
- Отработавший свое газ выводится из цилиндра, в который немедленно подается очередная порция.
Для возврата поршня в начальное положение применяют маховики, которые крепят на вал кривошипа. Подобные тепловые двигатели могут обеспечивать одинарное или двойное действие. В двигателях с двойным действием на один оборот вала приходится две стадии рабочего хода поршня, в установках одинарного действия поршень совершает за то же время один ход.
- Отличие двигателей внутреннего сгорания от описанных выше систем состоит в том, что горячий газ здесь получается при сжигании топливно-воздушной смеси непосредственно в цилиндре, а не вне его. Подвод очередной порции горючего и выведение отработанных газов производится через систему клапанов.
Они позволяют подавать горючее в строго ограниченном количестве и в нужное время.
- Источник тепла в двигателях внутреннего сгорания – химическая энергия топливной смеси. Для данного типа теплового двигателя не нужен котел или нагреватель внешнего типа.
В качестве рабочего тела здесь выступают самые разные горючие вещества, из которых самым распространенным являются бензин или дизельное топливо. К недостаткам двигателей внутреннего сгорания можно отнести их высокую чувствительность к качеству топливной смеси.
- Двигатели внутреннего сгорания по своей конструкции могут быть двух- и четырехтактными.
Устройства первого вида проще в конструкции и не так массивны, но при одинаковой мощности требуют значительно больше топлива, чем четырехтактные. Двигатели, работа которых построена на двух тактах, чаще всего применяют в небольших мотоциклах или газонокосилках. Более серьезные машины оснащают тепловыми двигателями четырехтактного типа.
Видео по теме
//www.youtube.com/embed/wfZuvZiU4Qk
Как устроены и как работают тепловые двигатели
Наша сегодняшняя встреча посвящена тепловым двигателям. Именно они приводят в движение большинство видов транспорта, позволяют получать электроэнергию, несущую нам тепло, свет и комфорт. Как устроены и каков принцип действия тепловых машин?
Понятие и виды тепловых двигателей
- Тепловые двигатели — устройства, обеспечивающие превращение химической энергии топлива в механическую работу.
- Осуществляется это следующим образом: расширяющийся газ давит либо на поршень, вызывая его перемещение, либо на лопасти турбины, сообщая ей вращение.
- Взаимодействие газа (пара) с поршнем имеет место в паровых машинах, карбюраторных и дизельных двигателях (ДВС).
- Примером действия газа, создающим вращение является работа авиационных турбореактивный двигателей.
Структурная схема работы теплового двигателя
Несмотря на отличия в их конструкции, все тепловые машины имеют нагреватель, рабочее вещество (газ или пар) и холодильник.
В нагревателе происходит сгорание топлива, в результате чего выделяется количество теплоты Q1, а сам нагреватель при этом нагревается до температуры T1. Рабочее вещество, расширяясь, совершает работу A.
Но теплота Q1 не может полностью превратится в работу. Определенная ее часть Q2 через теплопередачу от нагревшегося корпуса, выделяется в окружающую среду, условно называемую холодильником с температурой T2.
Загрузка...
