Принцип работы тепловой машины. КПД системы

Тепловой машиной называется такое устройство, которое преобразует теплоту в работу. Первая тепловая машина была изобретена в конце XVIII века (паровая). Сейчас существуют двигатели внутреннего сгорания, дизельные и т.д.

Любая тепловая машина состоит из трех частей: теплоотдатчика, рабочего тела и теплоприемника. Теплоотдатчик имеет температуру Т₁ и отдает некоторое количество теплоты Q₁ рабочему телу. Рабочее тело (газ, пар, нагретая жидкость) совершает работу. Причем, не вся теплота Q₁ превращается в работу, а только некоторая ее часть

А = Q₁ – Q₂ (4.8)

Другая часть теплоты Q₂ передается телу с более низкой температурой (Т₂) – теплоприемнику. Таким образом, сущность работы тепловой машины заключается не только в получении теплоты Q₁ от теплоотдатчика и совершении работы А, но и передаче некоторого количества теплоты Q₂ теплоприемнику, температура которого ниже чем температура теплоотдатчика (Т₁ > Т₂). Вечный двигатель второго рода состоит из первых двух частей, то есть, теплота Q₁ полностью переходит в работу А, а это невозможно. Там, где нет перепада температур (Т₁ = Т₂), невозможно превратить теплоту в работу.

Чтобы получить математическое выражение второго начала термодинамики, рассматривают действие идеальной тепловой машины. Идеальной называют машину, которая работает без трения и потерь тепла. В ней рабочим телом является идеальный газ. Работа машины основана на принципе обратимого термодинамического цикла, называемого циклом Карно.

Цикл Карно состоит из четырех последовательно совершаемых процессов: изотермического расширения, адиабатического расширения, изотермического сжатия, адиабатического сжатия газа. Все процессы проводят обратимо, в результате чего газ возвращается в исходное положение.

В результате математических преобразований получают

(Q₁ – Q₂)/Q₁ = (Т₁ – Т₂)/Т₁ (4.9)

или h = А/Q₁; h = (Т₁ – Т₂)/Т₁ (4.10)

где h – коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины.

Коэффициентом полезного действия тепловой машины h называется отношение количества полученной работы А к количеству поглощенной теплоты Q₁. На основании этого соотношения второму закону термодинамики можно дать следующую формулировку: коэффициент полезного действия тепловой машины не зависит от природы и вида тел, участвующих в процессе, а зависит только от разности температур теплообменника (Т₁) и теплоприемника (Т₂). Современные тепловые машины имеют КПД, не превышающие 33 - 35 %.

Дата добавления: 2013-12-12