Цикл Карно и максимальный КПД тепловой машины

Основная статья: Цикл Карно.

Цикл Карно в координатах T и S

Представим себе следующий цикл:

Фаза А→Б. Рабочее тело с температурой, равной температуре нагревателя, приводится в контакт с нагревателем. Нагреватель сообщает рабочему телу тепла в изотермическом процессе (при постоянной температуре), при этом объём рабочего тела увеличивается.

Фаза Б→В. Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться адиабатически (без теплообмена с окружающей средой). При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.

Фаза В→Г. Рабочее тело приводится в контакт с холодильником и передает ему тепла в изотермическом процессе. При этом объём рабочего тела уменьшается.

Фаза Г→А. Рабочее тело адиабатически сжимается до исходного размера, и его температура увеличивается до температуры нагревателя.

Его КПД равен, таким образом,

,

то есть, зависит только от температур холодильника и нагревателя. Видно, что 100%-ный КПД можно получить только в том случае, если температура холодильника есть абсолютный нуль, что недостижимо.

Можно показать, что КПД тепловой машины Карно максимален в том смысле, что никакая тепловая машина с теми же температурами нагревателя и холодильника не может обладать бо́льшим КПД.

Заметим, что мощность тепловой машины Карно равна нулю, так как передача тепла в отсутствие разности температур идёт бесконечно медленно.

Вопрос 15 Рабо́чее те́ло — в теплотехнике и термодинамике условное несменяемое материальное тело, расширяющееся при подводе к нему теплоты и сжимающееся при охлаждении и выполняющее работу по перемещению рабочего органа тепловой машины. В теоретических разработках рабочее тело обычно обладает свойствами идеального газа.

На практике рабочим телом тепловых двигателей являются продукты сгорания углеводородного топлива (бензина, дизельного топлива и др.), или водяной пар, имеющие высокие термодинамические параметры (начальные: температура, давление, скорость и т. д.)
В холодильных машинах в качестве рабочего тела используются фреоны, аммиак, гелий, водород, азот. (См. Хладагенты)

В ракетостроении рабочим телом называют отбрасываемое от ракеты с целью получения импульса тяги вещество. Например, в электрическом ракетном двигателе рабочим телом является ионизированное расходуемое вещество.

В лазерной технике рабочим телом называется оптический элемент лазера, в котором происходит формирование когерентного электромагнитного излучения.

Тепловым двигателем называется устройство, совершающее механическую работу за счет внутренней энергии топлива.

Тепловые двигатели весьма разнообразны как по конструкции, так и по назначению. Это и паровые турбины на тепловых электростанциях, и двигатели внутреннего сгорания на автомобилях, тракторах, и реактивные двигатели различных типов.

Все тепловые двигатели обладают общим свойством — периодичностью действия (цикличностью), в результате чего рабочее тело периодически возвращается в исходное состояние.

Принцип действия теплового двигателя рассмотрим на примере поршневого двигателя.

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: рабочего тела, нагревателя и холодильника (рис. 1).

Рис. 1

Рабочее тело (пар или газ) получает некоторое количество теплоты от нагревателя, у которого за счет сгорания топлива поддерживается постоянная высокая температура . Это количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа и совершение им работы . В результате газ, расширяясь, переходит из состояния 1 в состояние 2 (линия 1а2), совершая работу , равную площади фигуры В1а2С (рис. 2).

Рис. 2

Чтобы процесс был циклическим, поршень необходимо вернуть в исходное положение. Если процесс сжатия провести в обратном порядке (линия 2а1), то работы газа и над газом будут одинаковы и суммарная работа будет равна нулю. Поэтому, чтобы работа сжатия была по абсолютному значению меньше работы расширения, нужно, чтобы каждому значению объема при сжатии соответствовало меньшее давление, чем при расширении (линия 2b1). А это возможно осуществить, только если газ перед сжатием охладить. Для этого рабочее тело приводят в контакт с телом меньшей температуры (холодильником). Рабочее тело при этом отдает холодильнику некоторое количество теплоты , и при сжатии совершается работа , равная площади фигуры 1b2СВ. Полезная работа за цикл численно равна площади фигуры 1a2b1.

Вопрос 16

Дата добавления: 2015-05-26