Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Рис.8.5. Принципиальная схема тепловой машины 1 – нагреватель; 2 – холодильник; 3 – рабочее тело.

Тепловым двигателем (тепловой машиной) называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, и т. д.) конструктивно отличаются друг от друга и имеют сложное устройство. Но принципиальная схема тепловой машины (рис.8.5) достаточно проста, содержит ряд стандартных элементов и позволяет в рамках термодинамики теоретически анализировать процесс превращения теплоты 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 (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает тепловую энергию в процессе теплообмена с нагревателем, имеющим температуру Т ₁. Эта температура является начальной температурой рабочего тела.

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 рабочего тела. Круговые процессы изображаются на диаграмме (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис.8.6). При расширении газ совершает положительную работу A₁, равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A₂, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A₁ + A₂ на диаграмме (p, V) равна площади цикла. Чтобы полная работа за цикл была положительной, необходимо сжимать рабочее тело при более низкой температуре.

Холодильник - элемент тепловой машины, с помощью которого добиваются снижения температуры рабочего тела перед его сжатием. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q₁ > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q₂ < 0. Полное количество теплоты Q, полученное рабочим телом за цикл, равно

Q = Q₁ + Q₂ = Q₁ – |Q₂|. (8.14)

Совершая цикл, рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, следовательно, изменение его внутренней энергии равно нулю (ΔU = 0). Согласно первому закону термодинамики, ΔU = Q – A = 0.

Отсюда следует:

A = Q = Q₁ – |Q₂|. (8.15)

Работа A, совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Отношение работы A к количеству теплоты Q₁, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия(КПД) η тепловой машины:

. (8.15)

Рис.8.6

Рис.8.7.

Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от нагревателя, превратилась в полезную работу. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η < 1).

В двигателях, применяемых в технике, используются различные круговые процессы. На рис. 8.7 изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном двигателе внутреннего сгорания (1) и в дизельном двигателе (2). В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30 %, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Рис8.8.

В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, который сыграл важную роль в развитии учения о тепловых процессах. Он называется циклом Карно (рис. 8.8).

Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1–2) газ приводится в тепловой контакт с нагревателем, имеющим температуру T₁. Газ изотермически расширяется, совершая работу A₁₂, при этом к газу подводится некоторое количество теплоты Q₁ = A₁₂. Далее на адиабатическом участке (2–3) газ продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работу A₂₃ > 0. Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения T₂. На следующем изотермическом участке (3–4) газ приводится в тепловой контакт с холодильником при температуре T₂ < T₁. Происходит процесс изотермического сжатия. Газ совершает работу A₃₄ < 0 и отдает тепло Q₂ < 0, равное произведенной работе A₃₄. Наконец, на последнем участке адиабатического сжатия температура газа повышается до значения T₁, газ совершает работу A₄₁ < 0. Полная работа A, совершаемая газом за цикл, равна сумме работ на отдельных участках:

A = A₁₂ + A₂₃ + A₃₄ + A₄₁ . (8.16)

На диаграмме (p, V) эта работа равна площади цикла.

Как следует из первого закона термодинамики, работа газа при адиабатическом расширении (или сжатии) равна убыли ΔU его внутренней энергии. Для 1 моля газа

A₂₃ = –ΔU = –C_V (T₂ – T₁), (8.17)

где T₁ и T₂ – начальная и конечная температуры газа.

Отсюда следует, что работы, совершенные газом на двух адиабатических участках цикла Карно, одинаковы по модулю и противоположны по знакам: A₂₃ = –A₄₁.

По определению, коэффициент полезного действия η цикла Карно есть

. (8.18)

С. Карно выразил КПД цикла через температуры нагревателя T₁ и холодильника T₂:

. (8.19)

Цикл Карно– наиболее эффективный круговой процесс из всех возможных при заданных температурах нагревателя и холодильника. Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем с температурой T₁ и холодильником с температурой T₂, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины:

≤. (8.20)

Формула (8.20) дает теоретический предел для макси­мального значения КПД тепловых двигателей. Она пока­зывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холо­дильника.

Но температура холодильника (роль которого обычно играет атмосфера) практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха (Т ₂ =300К) Температура нагревателя ограничена теплостойкостью материала, из которого сделан нагреватель (Т ₁=800К). При этих температурах макси­мальное значение коэффициента полезного действия равно:

.

Действительное же значение КПД существующих сегодня тепловых машин существенно ниже. Например, двигатель Дизеля, один из самых экономичных двигателей, имеет КПД равный примерно 44%.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на по­вышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.

Важной проблемой в области использования тепловых двигателей является проблема защиты окружающей среды от вредных выбросов отработанного топлива. Поэтому сегодня актуальной научной и технической задачей является задача создания экологически чистых источников энергии.

Тема 9. (4 часа)

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА. Элементарный электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Электрическое поле. Напряженность и потенциал электрического поля. Работа поля по перемещению заряда.

Дата добавления: 2014-01-04