Тепловые машины

Тепловой машиной (тепловым двигателем) называется периодически действующее устройство, которое преобразует полученную тепловую энергию в механическую работу.

Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества, например пары бензина, воздух, водяной пар. Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами.

В частности, при изотермическом процессе, количество теплоты Q, полученное газом, полностью превращается в работу A: A = Q.

Однако такой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса, т.к. рабочее тело должно вернуться в исходное состояние. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т.д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние.

Круговым процессом (термодинамическим циклом) называется такой термодинамический процесс, при котором термодинамическая система после ряда изменений возвращается в исходное состояние.

Круговой процесс изображается в координатах PV в виде замкнутой кривой (рис. 2.9.1 и 2.9.2).

Рис. 2.9.1. Рис. 2.9.2.

При расширении (участок кривой 1 a 2) газ совершает положительную работу A₁, равную площади под кривой 1a2, при сжатии газ совершает отрицательную работу A₂, равную по модулю площади под кривой 2b1. Полная работа за цикл равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке (рис. 2.9.1), и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении (рис. 2.9.2).

Рассмотрим подробнее круговой процесс, совершаемый с идеальным газом (рис. 2.9.3). На участке 1- a -2 (рис. 2.9.3) газ расширяется, совершая положительную работу. Чтобы замкнуть этот цикл, есть три возможности.

Рис. 2.9.3.

1. Возвратиться в исходное состояние по той же самой кривой 2- a -1. Тогда полная работа за цикл равна нулю.

2. Возвратиться в исходное состояние по штриховой кривой 2- c -1. В этом случае полная работа, совершаемая газом A < 0. Такой круговой процесс совершается в холодильной, но не тепловой машине.

3. Вернуться в исходное состояние по кривой 2- b -1. Работа равна площади фигуры, ограниченной графиком цикла, A > 0. В этом случае состояниям на кривой 1- a -2 и кривой 2- b -1 с одинаковыми объёмами соответствуют при обратном ходе меньшие давления, а, следовательно, и меньшие температуры. Значит, при обратном ходе 2- b -1 тепловой машины газ необходимо охлаждать, т.е. отбирать у него тепло.

Таким образом, общим свойством всех круговых процессов, по которым работают тепловые машины, является невозможность провести их, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Таких тепловых резервуаров должно быть, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником.

Схематическое устройство тепловой машины (рис. 2.9.4).

Рис. 2.9.4.

Рабочее тело – тело, которое в рабочей части тепловой машины совершает механическую работу.

Нагреватель – часть тепловой машины, где рабочее тело получает тепловую энергию.

Холодильник – часть тепловой машины, которая забирает некоторое количество тепла у рабочего тела.

Энергетический баланс тепловой машины.

Рассмотрим тепловую машину, работающую по циклу 1 a 2 b, изображенному на рис. 2.9.3.

В процессе расширения 1 a 2 рабочее тело получает от нагревателя количество тепла , совершая при этом работу , в результате чего внутренняя энергия рабочего тела изменяется на величину , что описывается уравнением:

. (2.9.1)

В процессе сжатия 2 b 1 рабочее тело отдает холодильнику количество тепла . При этом над рабочим телом совершается работа . Внутренняя энергия рабочего тела изменяется на величину . Первое начало термодинамики для процесса 2 b 1 имеет вид:

. (2.9.2)

Если сложить уравнения (2.9.1) и (2.9.2), то получим величину полной работы, совершенной тепловой машиной за цикл.

. (2.9.3)

Работа A, совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты .

Коэффициентом полезного действия тепловой машины (КПД) называется отношение полезной работы A к количеству теплоты Q ₁, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя.

. (2.9.4)

Коэффициент полезного действия показывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть (1 – η) была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы.

Дата добавления: 2014-01-05