Преобразования теплоты в механическую работу

I. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ

Теоретические циклы ПДВС

Величина кровопотери.

Наблюдение за пациентом в ходе обезболивания.

По ходу анестезии контроль осуществляют по следую­щим показателям:

1. Внешний вид пациента: цвет, температура и влаж­ность кожных покровов (гиперемия, потливость могут свидетельство­вать о гиперкапнии; синюшность – о гипоксии; мрамор­ная холодная кожа – при спазме периферических сосудов); размер и форма зрачков (расширение зрачков наблюдают при недостаточном обезболивании, развитии гипоксии, анизокория (различная ширина зрачков) – при нарушении мозгового кро­вообращения).

2. Состояние сердечно-сосудистой системы: пульс, ар­териальное и венозное давление, ЭКГ. Необходимо срав­нение этих показателей с исходными, поэтому электро­кардиограмма, выполненная до операции, должна всегда быть перед глазами врача во время анестезии.

3. Состояние системы дыхания: при спонтанном ды­хании отмечают частоту, равномерность дыхания, минут­ную вентиляцию легких; при ИВЛ – дыхательный и ми­нутный объем дыхания, давление на вдохе и выдохе. Об адекватности ИВЛ судят по клиническим признакам и газовому составу крови.

4. Состояние ЦНС – на основании вышеописанных клинических данных и специального метода – электроэнцефалографии.

5. Функция почек – почасовой диурез. Олигурия и анурия в наркозе могут развиваться в результате неадекватного обезболивания, гиповолемии и причин, связан­ных с особенностями операции.

6. Температура тела. Кроме температуры кожи при больших операциях в грудной и брюшной полости, при использовании гипотермии и искусственного кровообра­щения, у детей, измеряют температуру в пищеводе и пря­мой кишке. Понижение температуры тела может быть в результате охлаждения в операционной, после большой кровопотери, оста­новки сердца, плохой анестезии.

8. Лабораторные данные, объем которых зависит от тяжести пациента, операции и особенностей анестезии, возможностей в каждом учреждении. Обычные определе­ния: гемоглобин, гематокритное число, данные кислотно-основного равновесия, сахар крови и мочи, время сверты­вания, по показаниям – электролиты плазмы и крови, коагулограмма.

Тепловой двигатель является машиной, в которой теплота, как форма аккумулирования энергии в виде кинетической энергии структурных частиц вещества, преобразуется в работу.

В основе такого преобразования лежит известный физический эффект изменения объёма тел при нагревании и охлаждении. Газам это присуще в большой степени. Они способны при нагревании вызывать перемещение стенок, ограничивающих их объем, т.е. производить работу. Газообразный носитель, аккумулирующий теплоту при нагревании и, расширяясь, оказывающий силовое воздействие на подвижные элементы двигателя, называется рабочим телом.

Однако в результате такого расширения можно произвести работу только в течение ограниченного времени, определяемого техническими возможностями по перемещению стенок, образующих рабочую полость. После достижения пределов возможного расширения, что обычно ограничивается конструкцией двигателя, рабочее тело должно быть возвращено в исходное состояние. То есть необходимо осуществить замкнутую совокупность процессов, образующих круговой процесс, состоящий из расширения и сжатия, называемый циклом. Кроме того, если расширение нагретого рабочего тела сопровождается полезным эффектом, т.е. газ, оказывая давление на подвижной элемент, производит работу, то для возвращения рабочего тела в исходное состояние тоже нужно произвести работу.

Если линия сжатия в координатах P-V, где р – давление; v – объём (рис. 2.1.а, кривая 1), проходит выше линии расширение (кривая 2), то осуществление такого цикла нуждается в подводе работы (L₁ > L₂) и сопровождается отводом теплоты. Такой цикл называется обратным. Он лежит в основе рабочих процессов холодильных машин и тепловых насосов. Когда линии сжатия и расширения совпадают (рис. 2.1.б), т.е. деформация рабочего тела осуществляется без теплообмена, то работы сжатия и расширения равны по модулю и противоположны по знаку.

Рисунок 2.1 - Соотношения между работами в различных круговых процессах:

а – обратный процесс; б – нулевой процесс; в – прямой процесс

Такой процесс при L₂ = L₁ не имеет практического значения.

Очевидно, что полезный эффект работы при осуществлении цикла будет иметь место, когда положительная работа расширения превышает отрицательную работу сжатия L₂ > L₁. Такое соотношение между L₂ и L₁ может быть получено только если от рабочего тела при его возвращении в исходное состояние отводить теплоту Q₂. При этом давление в процессе сжатия уменьшается по сравнению с давлением в ходе расширения (Рис. 2.1.в), а работа, затрачиваемая на возвращение рабочего тела L₁, становится меньше работы расширения (L₂>L₁). Такой цикл называется прямым. Он лежит в основе работы тепловых двигателей.

Из выше сказанного следует, что осуществление прямого цикла с положительным балансом работ требует не только подвода теплоты Q₁, но и оказывается несущественным без отвода ее части Q₂ путем охлаждения рабочего тела при возвращении его в исходное состояние. Эта отводимая теплота составляет тепловую потерю цикла.

Таким образом, для преобразования теплоты в работу в течение заданного длительного времени необходимо осуществлять последовательно циклы термодеформирования рабочего тела, сопровождающего поочерёдным подводом и отводом теплоты.

Теоретически наибольший энергетический эффект и полезную работу можно получить в результате кругового замкнутого цикла, называемого термодинамическим.

Задачи анализа эффективности циклов двигателя

Процессы, протекающие в действительном цикле являются необратимыми. Необратимость циклов вызвана:

1. Наличием теплообмена с конечной разностью температур между рабочим телом и стенками цилиндра

2. Неоднородностью параметров рабочего тела в цилиндрах

3. Потерями на трение при движении рабочего тела (РТ)

Необратимость процессов снижает эффективность преобразования теплоты в работу. В отличие от действительного цикла, в термодинамическом цикле - все процессы обратимы.

Рассмотрение и анализ теоретических циклов позволяет решить 3 основные задачи:

1. оценить влияние термодинамических фак­торов на изменение термического КПД и среднего давления для данного цикла и на этой основе установить оптимальные значения термодинамических факторов для получения наилучшей экономич­ности и максимальной удельной работы цикла;

2. провести сравне­ние различных теоретических циклов с точки зрения их экономич­ности и работоспособности при одинаковых условиях;

3. получить конкретные числовые значения термического КПД и среднего дав­ления цикла, которые могут являться критериями для оценки степе­ни совершенства реальных двигателей по экономичности и удель­ной работе (мощности).

Показатели эффективности циклов двигателя

Каждый теоретический цикл характеризуется двумя основными показателями: термическим КПД и средним давлением цикла.

1. Термическим КПД называют отношение работы обратимого термодинамического цикла к теплоте подведенной к рабочему телу от горячего источника

, (2.1)

где: Q₁ – подводимая теплота при температуре Т₁, Дж;

Q₂ – отводимая теплота при температуре Т₂, Дж;

L_t – работа ТДЦ, эквивалентная разности подведённой и отведённой теплоты, Дж (Н·м). Это полезно использованная теплота.

и - удельные показатели теплоты на массу тела.

G – масса рабочего тела.

2. Среднее давление цикла – отношение работы цикла к рабочему объему цилиндра.

, Дж/м³ = Н·м/м³ = Н/м² = Па (2.2)

где: V_а – полный объём цилиндра, м³; V_с – объём камеры сгорания, м³; V_h - рабочий объём, м³.

Среднее давление равно некоторому условному постоянному давлению, действующему на поршень в период рабочего хода и совершающего работу равную работе цикла.

Допущения при исследовании обратимых термодинамических циклов

Теория двигателей внутреннего сгорания основана на исполь­зовании термодинамических зависимостей и приближения их к дей­ствительным условиям путем учета реальных факторов. Поэтому глубокое изучение теоретических циклов, основанное на знании термодинамики, является необходимым условием успешного изуче­ния процессов, происходящих в цилиндрах реальных автомобиль­ных и тракторных двигателей.

Замкнутые теоретические (термодинамические) циклы в отличие от действительных процессов, происходящих в цилиндрах двига­телей, осуществляются в воображаемой тепловой машине (рис. 2.1) и характеризуются следующими особенностями (допущениями).

1. Все процессы цикла осуществляются без теплообмена рабоче­го тела с окружающей средой и являются обратимыми.

2. Преобразование теплоты в механическую работу осуществля­ется в замкнутом объеме одним и тем же несменяемым рабочим телом.

3. Состав и теплоемкость рабочего тела остаются постоянными на всем протяжении цикла.

4. Подвод теплоты производится от постороннего (воображаемого) ис­точника при постоянном объеме (по изохоре), или при постоянном давле­нии (по изобаре), или при смешанном (по изохоре и изобаре).

5. Процессы сжатия и расширения протекают по адиабатам с постоян­ными показателями.

6. В теоретических циклах отсут­ствуют какие-либо потери теплоты (в том числе на трение, излучение, гид­равлические потери и т. п.), кроме от­вода теплоты холодному источнику. Эта потеря является единственной и обязательной для замкнутого теоре­тического цикла.

Дата добавления: 2015-03-31