Тепловой двигатель

КПД теплового двигателя. Можно привести бесконечное количество примеров существования необратимых процессов в природе. Так камень, падая с некоторой высоты, передает свою потенциальную энергию в теплоту песка, в котором он застревает. Обратное, когда тепло Земли сконцентрируется в энергии камня, а затем превратится в кинетическую энергию камня, который взлетит вверх, невозможно. Можно смешать соль и сахар, насыпанные слоями в кружке, обратно, сколько не трясите кружку, их разделить не удастся. Подобного рода процессы не нарушают первого начала термодинамики.

Отсутствие обратимости ряда термодинамических процессов привело к формулировке второго начала термодинамики, которое указывает на направленность термодинамических процессов. Примером таких процессов могут служить необратимые процессы, которые идут с конечной постоянной скоростью.

В 1865 году формулировка второго начала динамики звучала следующим образом: теплота в естественных условиях переходит от горячего тела к холодному, в то время как от холодного тела к горячему теплота сама по себе не переходит.

Трудно представить, чтобы газ, заполняющий баллон, был выпущен в помещении, а затем он самопроизвольно собрался вновь в баллоне.

Формулировка второго начала термодинамики разрабатывалась в экспериментальных исследованиях тепловых двигателей.

Тепловым двигателем [3] называют устройство, которое переводит теплоту в механическую работу.

Физическая идея, лежащая в основе работы теплового двигателя, заключается в том, что часть тепла, переходящего от горячего тела к холодному можно превратить в механическую работу. Условиями работы любого теплового двигателя являются периодичность процесса, наличие рабочего тела, нагревателя и холодильника. Температуры нагревателя Т_н и холодильника Т_х называются рабочими температурами теплового двигателя. Рабочим телом парового двигателя называется вещество (как правило, пар или горючие вещества), которое нагревается и затем, охлаждаясь, часть своего тепла превращает в работу. Схема теплового двигателя представлена на рис.7.7. Часть тепла от нагревателя передается рабочему телу и превращается в механическую работу, другая часть возвращается холодильнику.

Рис.7.7. Схема работы теплового двигателя.

Принцип действия обратного устройства – холодильника заключается в обращении стадий работы теплового двигателя. На рис.7.8 видно, что, совершая работу можно отнять часть тепла у холодного тела. Это осуществляется, когда используемый в качестве рабочего тела газ – фреон нагревается в холодильнике.

Рис.7.8. Схема работы холодильника.

Затем он поступает в компрессор, который с помощью мотора выбрасывает его в конденсатор, работающий при комнатной температуре. Там часть тепла передается окружающей среде, а затем разряженный газ вновь попадает в холодильник. В обычном холодильнике газ фреон движется по трубкам внутри холодильника, отбирая из него тепло. Затем тепло передается металлическому радиатору, который охлаждается под действием воздуха. Этот процесс происходит периодически. Если температура в холодильнике стала слишком низкой, то он на некоторое время отключается. Мы хорошо знаем, что со стороны задней стенки холодильника всегда теплее, чем в комнате, где он находится.

Эффективность работы любого двигателя определяется его коэффициентом полезного действия (КПД) η – отношением полезной работы теплового двигателя А к затраченной теплоте Q:

, (7.4.1)

или

. (7.4.2)

Для повышения КПД двигателя необходимо повышать температуру нагревателя, либо понижать температуру холодильника. Температуру нагревателя ограничивает прочность материалов, из которых построен двигатель, а температура холодильника не может быть ниже температуры окружающей среды. Поскольку, как показал экспериментальный опыт, температура холодильника Т_Х не может быть равна абсолютному нулю и всегда больше нуля, то КПД любого двигателя всегда меньше единицы η<1. Если бы температуру холодильника можно было бы уменьшить по сравнению с температурой окружающей среды до абсолютного нуля, то создание идеального двигателя с КПД=100%[4] оказалось бы возможным (рис 7.5).

Невозможность создания идеального теплового двигателя также представляет другой вариант формулировки второго начала термодинамики: невозможен периодический процесс, единственным результатом которого было бы преобразование полученного от нагревателя тепла полностью в работу.

Двигатель Карно. Цикл Карно. В начале девятнадцатого века французский ученый Сади Карно (1796-1832) детально изучал работу тепловых двигателей. В 1824 году он предложил идеализированный тип двигателя (рис.7.9) на основе обратимых процессов, объяснив принцип действия всех тепловых двигателей. В двигателе Карно происходят обратимые процессы. Обратимый процесс – это процесс, протекающий очень медленно, который можно рассматривать как переход от одного равновесного состояния к другому (обратимые процессы можно вести в обратном направлении). В реальном двигателе всегда существует трение, хотя его величина может быть очень маленькой. Чтобы в них периодический процесс максимально можно было бы приблизить к обратимому процессу, например, уменьшают трение поршней о цилиндры, совершенствуя масла для двигателей.

Рис.7.9. Схема работы идеального двигателя.

Работа двигателя Карно описывается теоремой Карно: ни один необратимый двигатель, работающий между термостатами, не может иметь коэффициент полезного действия (КПД) больше, чем обратимый ( ).

Другое определение теоремы Карно: все обратимые двигатели, работающие между термостатами с одинаковыми температурами термостатов, имеют одинаковый КПД.

Согласно теореме Карно из всех возможных двигателей максимальным КПД будет обладать двигатель, каждый цикл которого представляет собой замкнутый процесс. Он установил, что КПД определяется лишь температурой нагревателя и холодильника:

(7.4.3)

В двигателе Карно используется цикл Карно, который состоит из двух изотерм и двух адиабат (рис.7.10). На каждом из этих участков процесс является обратимым. По теореме Карно для всех обратимых процессов справедливо выражение, которое следует из выражения (7.4.2):

. (7.4.4)

Рис.7.10. Цикл Карно.

Объясним работу цикла Карно на примере парового двигателя. Работу двигателя делят на четыре такта. На верхней изотерме при температуре Т_Н происходит расширение, например, пара на участке 1-2 и движение поршня парового двигателя. Этот цикл является рабочим, приводящим к движению паровой машины.

Далее, во втором такте работы двигателя, расширяющийся пар в котел с поршнем не поступает (в точке 2 перекрывается связь с окружающей средой). Поэтому происходит расширение пара, как бы по инерции без поступления тепла, по адиабате 2 -3. При этом температура пара снижается до температуры холодильника.

В третьем такте работы двигателя, на участке 3 – 4 пар выпускается наружу в изотермическом процессе (ΔТ=0) при Т_Х. При этом уменьшается объем пара под поршнем.

Далее, в четвертом такте, контакт с внешней средой прекращается, и процесс работы двигателя завершается адиабатически (ΔQ=0) на участке 4–1. При этом температура газа вновь возрастает. Аналогичным образом работает и двигатель внутреннего сгорания, где вместо пара используется бензино – воздушная смесь, которая при зажигании о свечу создает высокую температуру, как и пар.

Любой обратимый процесс можно представить в виде последовательности циклов Карно. Выражение (7.4.4) в этом случае представимо в виде:

. (7.4.5)

Для бесконечного числа циклов Карно соотношение (7.4.5) применимо к любому обратимому процессу, и приобретает вид:

(7.4.6)

Дата добавления: 2014-01-07