Цикл Карно

Цикл Карно - ідеальний термодинамічний цикл. Теплова машина Карно, працююча по цьому циклу, володіє максимальним ККД з усіх машин, у яких максимальна і мінімальна температури здійснюваного циклу збігаються відповідно з максимальною і мінімальною температурами циклу Карно. Складається з 2 адіабатичних і 2 ізотермічних процесів.

Цикл Карно названий на честь французького військового інженера Сади Карно, який вперше його досліджував в 1824 році.

Одним з важливих властивостей циклу Карно є його оборотність: він може бути проведений як в прямому, так і в зворотному напрямку, при цьому ентропія адіабатично ізольованої (без теплообміну з навколишнім середовищем) системи не змінюється.

Теорема Карно: із всіх періодично діючих теплових машин, що мають однакові температури нагрівачів і холодильників, найбільший К.К.Д. мають оборотні машини; при цьому К.К.Д. оборотних машин, що працюють при однакових температурах нагрівачів і холодильників, дорівнюють один одному і не залежать від конструкції машини.

4.Будова, принцип дії

Цикл Карно складається з двох ізотерм і двох адіабат.

Ізотермічне розширення і стиск задані відповідно кривими 1-2 і 3-4, адіабатне розширення і стиск - кривими 2-3 і 4-1. Для виконання циклу Карно необхідні термостат з температурою Т₁ (нагрівник) і термостат з температурою Т₂ (холодильник), причому Т₁>Т₂. При проходженні адіабатних ділянок циклу система повинна бути термоізольованою від навколишнього середовища.

Визначимо К.К.Д. циклу Карно. При ізотермічному процесі і робота розширення газу дорівнює кількості теплоти , що отримав газ від нагрівника:

При адіабатному розширенні робота виконується за рахунок зміни внутрішньої енергії:

При ізотермічному стисканні газу виконується робота і газ віддає холодильнику кількість теплоти :

Робота адіабатного стискання:

В результаті колового циклу виконується робота:

Термічний К.К.Д. циклу Карно:

Використаємо рівняння адіабат і: , ,

Звідси:

Тоді:

Отже:

Для циклу Карно К.К.Д. визначається лише температурами нагрівника і холодильника.

5.ККД теплових двигунів

Коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна називають відно­шення корисної роботи, виконаної двигуном, до кількості теплоти, отриманої від нагрівача:

Оскільки А_к=Q₁-Q₂, то

де Q₁ — кількість теплоти, отримана від нагрівача; Q₂ — кількість теплоти, передана холодильнику.

Виходячи з цього, коефіцієнт корисної дії завжди менший за 100 %, отже, перетворити на механічну роботу можна лише час­тину кількості теплоти, отриману від нагрівача.

Від чого залежить ККД теплового двигуна, який може мати максимальний ККД, дослідив французький вчений С. Карно. Він довів, що максимальний ККД має так звана «ідеальна машина». Під час роботи такої машини виконується цикл Карно (слайд рис. 2), у якому робоче тіло отримує від нагрівача деяку кількість тепло­ти за температури, що дорівнює температурі нагрівача; адіабатно розширюється, охолоджуючись до температури холодильника; віддає холодильникові деяку кількість теплоти за температури, що дорівнює температурі холодильника; адіабатно стискається, нагріваючись до температури нагрівача.

Карно довів, що максимально можливий ККД дорівнює:

ККД сучасних теплових двигунів становить 40-50 %.

6.Холодильні машини

Холодильна машина — це машина, яка підтримує в холодиль­ній камері температуру нижчу, ніж у навколишньому середовищі.

Ознайомимося з такими видами холодильних машин, як хо­лодильник, кондиціонер, тепловий насос.

Холодильник (рис.) передає тепло від холоднішого тіла (на­приклад, холодних продуктів) до теплішого тіла (повітря у при­міщенні). Щоб здійснити потік тепла в зворотному напрямку (від холодного тіла до теплого), доводиться стискати газ за високої температури, а за низької температури він розширюється. Стис­кає газ в холодильній машині компресор, який споживає енергію з електромережі.

Ефективність роботи холодильної машини характеризують холодильним коефіцієнтом k:

де Q₁ — кількість теплоти, яку передає робоче тіло при стисканні в оточуюче середовище; Q₂ — кількість теплоти, яку воно забирає у холодильної камери.

7.Поняття оборотних і необоротних теплових процесів

Оборотним термодинамічним процесом називається така зміна стану системи, яка, будучи проведена у зворотному напрямку, повертає її в початковий стан так, щоб система пройшла через ті самі проміжні стани, що і у прямому процесі, але у зворотній послідовності, а стан тіл поза системою залишився незмінним.

Необоротним називається процес, коли зворотний перехід через ті самі проміжні стани неможливий.

Будь-який рівноважний процес є оборотним.

Оборотні процеси - це до деякої міри ідеалізація реальних процесів. Всі реальні процеси є необоротними.

8.Екологічні проблеми, пов’язані з використанням теплових двигунів

Для спалювання палива в теплових машинах витрачається велика кількість кисню. На згоряння різноманітного палива витрачається від 10 до 25 % кисню, який виробляють зелені рослини.

Теплові машини не тільки спалюють кисень, а й викидають в атмосферу еквівалентні кількості оксиду карбону (вуглекислого газу). Згоряння палива в топках промислових підприємств і теплових електростанцій майже ніколи не буває повним, тому відбувається забруднення повітря золою, сажею. Нині в усьому світі енергетичні установки вики­дають в атмосферу щороку 200—250 млн тонн золи і близько 600 млн тонн оксиду сульфуру (SO₂). Повітря забруднюють і різні види транспорту, насамперед автомобільний, жителі великих міст задихаються від вихлопних газів автомобільних двигунів.

У всіх країнах світу з розвинутою промисловістю ведуться роботи щодо зниження і повної ліквідації забруднення повітря.

На теплоцентралях і теплових електростанціях встановлюють газоочисне і пиловловлююче обладнання, а самі станції зміщують за межами міст, між станціями і селищами створюють зелені зони.

Інтенсивні роботи ведуться зі зниження забруднення повітря вихлопними газами автомобільних двигунів: на них встановлюють фільтри; опрацьовують зразки газотурбінних, роторних і навіть парових двигунів. Тепер уже не допускаються до експлуатації автомобілі з підвищеним вмістом чадного газу (СО) у відпрацьованих газах. Найперспективнішими вважаються електромобілі й автомобілі з двигунами на водні, продуктом згоряння яких є звичайна вода. В багатьох країнах створені і випробовуються автомобілі з електричними і водневими двигунами.

Дата добавления: 2014-11-29