Принцип дії теплової машини

Ми знаємо, що в результаті виконання над газом роботи або передачі йому певної кількості теплоти можна збільшити його внутрішню енергію і, навпаки, за рахунок внутрішньої енергії газу може бути виконана механічна робота. Внутрішня енергія є одним з найдешевших видів енергії. Її можна дістати, спалюючи різні види палива, використовуючи енер­гію сонячних променів тощо. Разом з тим, на виробництві, транспорті для роботи різних механізмів потрібна механічна енергія. Тому перетворення внутрішньої енергії в механічну є надзвичайно важливим для практичної діяльності людини. Таке перетворення здійснюється за допомогою теплових машин.

З курсу фізики 8-го класу вам відомо, що кожна теплова машина має нагрівник, робоче тіло, яке внаслідок нагрівання виконує роботу (приводить в обертання вал турбіни, рухає поршень тощо), і холодильник.

Як робоче тіло використовується газ (пара). Якщо він знаходиться в циліндрі з рухомим поршнем, то під час його розширення виконується робота, і внутрішня енергія газу (в основному — це кінетична енергія його молекул) частково перетворюється в механічну енергію поршня. Розширення газу може відбуватися ізотермічно чи адіабатно. Щоб у про­цесі ізотермічного розширення температура залишалася сталою, газу слід передавати кількість теплоти, яка дорівнює зміні його внутрішньої енергії протягом процесу і виконаній поршнем роботі. Під час адіабатного розширення виконана рухомим поршнем робота дорівнює зменшенню внутрішньої енергії газу.

Оскільки циліндр має обмежені розміри, за один хід пор­шня можна перетворити в механічну енергію також обмежену кількість теплоти. Для того щоб газ міг виконувати роботу і далі, його треба повернути у вихідний стан, тобто надати йому певну кількість теплоти для повернення в початковий стан з більшою внутрішньою енергією. Таку сукупність змін стану газу, в результаті яких він повертається у вихідний стан, називають круговим процесом, або циклом.

За яких змін стану можна дістати цикл? Очевидно, якщо здійснити спочатку розширення газу в якомусь процесі, а потім його стиснути в цьому ж процесі, то не буде виконано корисної роботи, оскільки додатна робота розширення газу дорівнює від’ємній роботі стискання. Щоб дістати в резуль­таті здійснення циклу корисну роботу, треба використати різні процеси: розширення газу за високих тиску та темпера­тури і стискання його за нижчих тиску й температури. Фран­цузький фізик Саді Карно у 1824 р. показав, що вигід­нішим є цикл, який складається з двох процесів — ізотерміч­ного й адіабатного.

Нехай ідеальний газ об’ємом V1 міститься в закритому ци­ліндрі з поршнем під тиском р1. Поставимо циліндр на нагрів­ник, температура якого Т1 підтримується сталою (мал.74, а). Під час ізотермічного (дуже повільного) розширення газу де об’єму V₂ і тиску р₂ він виконує роботу А1 за рахунок кількості теплоти Q1,

одержаної від нагрів­ника. На графіку в системі коор­динат р, V процес зображується ізотермою 1—2 (мал. 75).

Припустимо, що ми теплоізолю- вали циліндр і надали газові змогу розширятися адіабатно від стану з об’ємом V₂ і тиском р₂ до стану з об’є­мом V₃ і тиском р₃ (див. мал. 74, б).

Газ виконує додатну роботу розши­рення А₂ за рахунок внутрішньої енергії. При цьому температура його знижується від Т1 до Т₂.

Цьому процесу на малюнку 75 від­повідає адіабата 2 — 3.

Далі приведемо циліндр у контакт із холодильником, температура якого Т₂ підтримується сталою. Стискатимемо газ ізотермічно від стану з об’ємом V₃ і тиском р₃ до стану з об’ємом V₄ і тиском p4 (див. мал. 74, в). Стан V₄, р₄ підбираємо так, щоб подальше адіабатне стискання при досягненні температури Т1 привело газ до об’єму V_1, інакше цикл не замкнеться. (Зовнішні сили виконують у даному випадку від’ємну роботу на стискання газу (-А₃), і, щоб температура газу не змінилася, він має віддати холодильнику еквівалентну кількість теплоти: (Q = Аз) Цей процес зображено на малюнку 75 ізотермою З — 4.

Нарешті, знову теплоізолюємо циліндр (див. мал. 74, г) і адіабатним стисканням повернемо газ у вихідний стан (див. мал. 74, ґ). На графіку цьому процесу відповідає адіа­бата 4 — 1.

Від стискання газу відбуваються збільшення його внут­рішньої енергії і підвищення температури до Т₁.

У результаті здійснено один цикл в роботі ідеальної теплової машини. Цей цикл, що складається з двох ізо­термічних і двох адіабатних процесів, дістав назву циклу Карно. Під час розширення робоче тіло виконує роботу, а в результаті стискання роботу над ним виконують зовнішні сили. Після кожного циклу робоче тіло повертається у вихідний стан.

З графіка (мал. 75) видно, що в результаті даного циклу робоче тіло виконує корисну роботу, яка чисельно дорівнює площі, описаній циклом, тобто площі 12341. Справді, робота розширення газу чисельно дорівнює площі 123У₃Уі1, а робота на стискання газу чисельно дорівнює площі 143V3V11. Різниця цих робіт дорівнює площі, обмеженій циклом.

Закон збереження й перетворення енергії для циклу Карно полягає в тому, що енергія, одержа­на робочим тілом від навколишнього середовища, дорівнює енергії, пере­даній ним навколишньому середо­вищу. Навколишнім середовищем передано кількість теплоти Q1 під час розширення робочого тіла і виконано роботу А₃ + А₄ на стис­кання (мал. 76). Робоче тіло вико­нало роботу А1 + А₂ під час розши­рення і передало кількість теплоти Q ₂ під час стискання.

Отже, Q1+ А3 + А4 = Q2 + A1 +A2, або, враховуючи, що A2 = A4,

А₁-А₃ = Q₁-Q2

РІЗНИЦЯ робіт А1 - А₃ є корисною роботою, яку виконує робоче тіло в результаті даного циклічного процесу. Вона дорівнює різниці кількостей теплоти, підведеної під час розширення газу і відведеної під час його стискання.

Для характеристики ефективності циклу перетворення внутрішньої енергії в механічну, а значить, і теплової ма­шини, вводиться коефіцієнт корисної дії (ККД) циклу, або машини. Він дорівнює відношенню роботи А1 - А₃, яка використовується в даному циклі, до роботи А₁ яку можна було б дістати внаслідок повного перетворення в неї всієї кількості теплоти Q1, підведеної до газу:

або, враховуючи попередню рівність, маємо:

За умови ідеального процесу перетворення внутрішньої енергії в механічну найвищий тепловий ККД був би

де Т1 — максимальна температура робочого тіла (газу, пари), Т₂ — мінімальна температура, за якої робоче тіло віддає частину внутрішньої енергії холодильнику. Оскільки Т₂ — температура холодильника або відпрацьованих продуктів горіння — не може дорівнювати абсолютному нулеві, то максимальний тепловий ККД машини не може дорівнювати одиниці (100 %).

З формули (39.4) випливає, що для збільшення ККД теплових машин необхідно прагнути до підвищення темпе­ратури нагрівника і до зниження температури холодильника. Тому в сучасній техніці використовують пару високих пара­метрів (температури і тиску) або, що значно вигідніше, засто­совують газові двигуни внутрішнього згоряння і газові турбіни, в яких можуть бути досягнуті ще вищі температури.

Однак максимальна температура нагрівника Т1 навіть те­оретично не може перевищувати температуру плавлення матеріалів, з яких виготовлено двигун. Тому збільшити ККД двигуна за рахунок підвищення T1 можна лише у певних межах. Так само не можна його збільшити за рахунок зни­ження температури холодильника Т₂, оскільки практично не має смислу добиватися температури Т₂, нижчої за температу­ру навколишнього повітря. Отже, щоб збільшити ККД тепло­вих двигунів, шукають способи підвищити жаростійкість і жароміцність матеріалів для виготовлення двигунів.

Однак, крім температури нагрівника й холодильника, іс­тотне значення у підвищенні ККД теплової машини мають й інші фактори, наприклад, зниження втрат енергії на подолан­ня тертя в деталях машини, зменшення теплопередачі навко­лишньому повітрю тощо.

У таблиці 6 вказано кілька типів теплових машин, їх ККД і наближені значення температур нагрівника і холодильника. Як бачимо, ККД реальних машин значно нижчий, ніж макси­мально можливі їх теоретичні значення.

Підвищення ККД теплових машин має велике народногос­подарське значення, оскільки вони широко використовуються у промисловості, на транспорті, а також для перетворення енергії палива в електричну енергію.

Теплова машина	Робоче	Температура, К		ККД
		.	машини, %
	тіло	нагрівни	холодиль­ ника	%
Поршнева парова	Пара				7—15
машина
Парова турбіна	Пара				20—25
Дизель	Продукти згоряння палива	2000—2100			30—39
Карбюра-­ торний	Продукти згоряння				18—24
двигун	палива

Ті самі складові частини необхідні для холодильної машини, в якій цикл проходить у зворотному напрямі. Принцип роботи цієї машини такий: розширення робочого тіла відбувається тоді, коли воно перебуває в контакті з холодильником. Холодне тіло під час циклу охолоджується ще сильніше. Далі, щоб цикл став можливим, робоче тіло стискається і йому передається кількість теплоти, одержана від холодильника. Це виконується при контакті робочого тіла з нагрівником, який таким чином нагрівається ще більше.

Дата добавления: 2015-05-23