Основные части тепловой машины. Выясним, какие основные части должна иметь тепловая машина, предназначенная для совершения механической работыА" за счет количества теплотыQ , полученного при сжигании топлива. Обычно в тепловых машинах механическая работа совершается расширяющимся газом. Газ, совершающий работу при расширении, называетсярабочим телом. Рабочим телом часто служит воздух или водяные пары. Расширение газа происходит в результате повышения его температуры и давления при нагревании. Устройство, от которого рабочее тело получает количество теплоты Q, называетсянагревателем.
Упрощенная модель тепловой машины, состоит из цилиндра, заполненного воздухом, и поршня.
Поместим на поршень тело массой т, предварительно приняв меры против сжатия газа в цилиндре под действием груза (например, установив специальные упоры внутри цилиндра, предотвращающие дальнейшее опускание поршня). Расположим под цилиндром нагреватель. По мере нагревания газа в цилиндре его давление возрастает, однако объем остается неизменным до тех пор, пока при некотором значении температуры Т2 давление не достигнет значениярг, при котором вес поршня с грузомmg и сила атмосферного давления, равнаяp 1 S , уравниваются с силой давления газа на поршеньрг S . Этому процессу соответствует изохора.
При дальнейшем нагревании газа поршень придет в движение. Давление поршня с грузом на газ остается постоянным, поэтому расширение происходит по изобарному закону. При подъеме груза на высоту h объем газа в цилиндре увеличивается от V1 доV 2, температура в конце изобарного процесса расширения газа достигает значения Тз. Этому процессу соответствует изобара. Когда поршень коснется ограничителя в верхней части цилиндра, снимем груз и прекратим нагревание. Цель достигнута, груз поднят. Однако подобная машина одноразового действия не представляет интереса для практики. Чтобы поднять другой груз, необходимо опустить поршень, т. е. сжать газ. Но если сжимать газ при температуре Тз до объемаV 1, то работа, совершаемая при сжатии газа, окажется больше работы, совершенной газом при изобарном расширении. Следовательно, таким путем не удастся осуществить периодический процесс совершения механической работы засчет передачи теплоты от нагревателя рабочему телу машины. Для уменьшения работы, совершаемой при сжатии газа в цилиндре, его нужно перед сжатием охладить. Тогда сжатие будет происходить при давленииp 1 меньшемрг, и работа, совершаемая при сжатии, окажется меньше работы, совершенной газом при расширении. Следовательно, для периодической работы тепловой машины необходима еще одна часть машины, называемаяхолодильником.
Рабочий цикл тепловой машины. Для охлаждения газа направим на дно цилиндра струю холодной воды. Понижение температуры газа будет происходить при неизменном объеме до тех пор, пока давление газа в цилиндре не достигнет значенияp 1 при температуреТ4. Этому процессу ответствует изохора. Для возвращения газа в исходное состояние, характеризуемое давлениемp 1, объемомV 1 и температуройТ1, необходимо продолжить его охлаждение до температурыT1. Этому процессу соответствует изобара. Процессы, в результате совершения которых газ возвращается в исходное состояние, называют круговыми илициклическими. Рабочий цикл рассмотренной тепловой машины состоит из двух изохор и двух изобар, (образующих прямоугольник.).
Рабочий цикл тепловой машины и ее КПД. В результате совершения рабочего цикла газ возвращается в начальное состояние, его внутренняя энергия принимает первоначальное значение. Следовательно, за цикл изменение внутренней энергии рабочего тела равно нулю: U =0.
Согласно первому закону термодинамики U=Q-A"=0, илиA "= Q .
Работа А", совершенная рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплотыQ. Количество теплотыQ , полученное рабочим телом за цикл, равно разности количества теплотыQ1, полученного от нагревателя, и количества теплотыQ 2, отданного холодильнику: Q = Q 1- Q 2.
Следовательно, A"=Q1-Q2.
Коэффициент полезного действия , равный отношению полезно использованной энергии к затраченной энергии, для тепловой машины оказывается равным
= A "/ Q1, или= (Q1-Q2) / Q1
Французский инженер Сади Карно (1796-1832)в 1824г. установил чрезвычайно важную для практики зависимость КПД тепловой машины от температурыT1 нагревателя и температурыТ2 холодильника: независимо от конструкции и выбора рабочего тела максимальное значение- КПД тепловой машины определяется выражением (max) = (Т1 –Т2) / Т1.
Любая реальная тепловая машина может иметь КПД, не превышающий это максимальное значение:
(Т1 –Т2) / Т1
Выражение для максимального значения КПД тепловой машины показывает, что для повышения коэффициента полезного действия тепловых машин существует два пути -повышение температурыT1 нагревателя и понижение температурыT2 холодильника. КПД тепловой машины мог бы стать равным единице, если бы имелась возможность использовать холодильник с температурой, равной абсолютному нулю.
Однако этот путь даже теоретически неосуществим, так как абсолютный нуль, согласно представлениям термодинамики, не может быть достигнут. Наиболее приемлемыми холодильниками для реальных тепловых машин являются атмосферный воздух или вода при температуре около 300К. Следовательно, основной путь повышения КПД тепловых машин -это повышение температуры нагревателя.
Галина Денисенко
06.02.2016 11:31
Если gm это тепло, переданное нагревателем тепловой машины, то работа будет вычисляться как РАЗНОСТЬ, а не СУММА gm и Q холодильника. Просьба проверить правильный вариант ответа и заменить "4" на "3". Спасибо, с уважением Денисенко Г.Б. учитель физики.
Антон
Условие задачи некорректно. Указано, что , поэтому его приходится прибавлять.
Гость
03.03.2016 19:29
Доброго времени суток!
Считаю, что условие данной задачи некорректным по следующим основаниям.
В условии задачи сказано, что "рабочее тело машины передало
холодильнику количество теплоты Qхол < 0". Но если Qхол - это
количество теплоты, переданной от рабочего тела холодильнику, то знак
Qхол > 0 - означает направление потока тепла - от холодильника к
нагревателю, а знак же (как в условии задачи) Qхол < 0 - означает, что
поток тепла направлен от холодильника к нагревателю (!), что
противоречит Второму закону (началу) термодинамики!
Традиционно, Qхол - количество теплоты, переданной рабочим телом
машины холодильнику, - величина большая нуля (положительная), что
отражает соответствие законам термодинамики.
Формула для к.п.д. тепловой машины в виде n = (Q1+Q2)/Q1 (со знаком
"+" между Q1 и Q2) содержатся в некоторой учебной и справочной
литературе, но в это случае считают, что Q1 - это количество теплоты,
полученной рабочим тело за от нагревателя, а Q2 - это количество
теплоты, ПОЛУЧЕННОЙ рабочим телом от холодильника, при этом Q2 < 0 ,
и это означает, что рабочее тело передаёт холодильнику количество
теплоты -Q2 (со знаком "минус"). Смотрите, например: Яворский Б.М. и
Детлаф А.А. Справочник по физике: 2-е изд., перераб. - М., Главная
редакция физико-математической литературы, 1985, - стр.119, пункт 7.
С учетом изложенного, считаю, что условие данной задачи и её решение
должны быть переработаны (исправлены) соответствующим образом.
С другой стороны, и сама постановка
с выбором "правильных" формул глуповатая, даже если исправить знак в неравенстве.
С уважением, Ершов Александр Петрович, док. физ.-мат. наук, профессор, Заведующий лабораторией Физики взрыва
Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева
Сибирского отделения Российской академии наук
http://www.hydro.nsc.ru/structure/persons/index.php?id=68
Гость
05.03.2016 16:41
Уважаемый редактор! В термодинамике есть правило: если за Q принимается количество теплоты, отданное телом, то Q>0 - означает, что поток тепла направлен от тела к другому(им) телу(ам) (тело теряет тепло в количестве Q), а Q<0 при этом означает, что поток тепла направлен к телу (тело получает тепло в количестве |Q|). Поэтому, условие Qхол<0 означает, что рабочее тело фактически не передало, а получило от холодильника количество теплоты |Qхол|, а это - абсурд. Пожалуйста, верно расставляйте акценты в оценке данного обстоятельства: это не просто некорректность условия задачи, а явная ошибка составителей данной задачи, показывающая их достаточно низкий уровень. Всего Вам доброго и успехов в Ваших начинаниях.
Тепловой машиной называется такое устройство, которое преобразует теплоту в работу. Первая тепловая машина была изобретена в конце XVIII века (паровая). Сейчас существуют двигатели внутреннего сгорания, дизельные и т.д.
Любая тепловая машина состоит из трех частей: теплоотдатчика, рабочего тела и теплоприемника. Теплоотдатчик имеет температуру Т 1 и отдает некоторое количество теплоты Q 1 рабочему телу. Рабочее тело (газ, пар, нагретая жидкость) совершает работу. Причем, не вся теплота Q 1 превращается в работу, а только некоторая ее часть
А = Q 1 – Q 2 (4.8)
Другая часть теплоты Q 2 передается телу с более низкой температурой (Т 2) – теплоприемнику. Таким образом, сущность работы тепловой машины заключается не только в получении теплоты Q 1 от теплоотдатчика и совершении работы А, но и передаче некоторого количества теплоты Q 2 теплоприемнику, температура которого ниже чем температура теплоотдатчика (Т 1 > Т 2). Вечный двигатель второго рода состоит из первых двух частей, то есть, теплота Q 1 полностью переходит в работу А, а это невозможно. Там, где нет перепада температур (Т 1 = Т 2), невозможно превратить теплоту в работу.
Чтобы получить математическое выражение второго начала термодинамики, рассматривают действие идеальной тепловой машины. Идеальной называют машину , которая работает без трения и потерь тепла. В ней рабочим телом является идеальный газ. Работа машины основана на принципе обратимого термодинамического цикла, называемого циклом Карно.
Цикл Карно состоит из четырех последовательно совершаемых процессов: изотермического расширения, адиабатического расширения, изотермического сжатия, адиабатического сжатия газа. Все процессы проводят обратимо, в результате чего газ возвращается в исходное положение.
В результате математических преобразований получают
(Q 1 – Q 2)/Q 1 = (Т 1 – Т 2)/Т 1 (4.9)
или h = А/Q 1 ; h = (Т 1 – Т 2)/Т 1 (4.10)
где h – коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины.
Коэффициентом полезного действия тепловой машины h называется отношение количества полученной работы А к количеству поглощенной теплоты Q 1 . На основании этого соотношения второму закону термодинамики можно дать следующую формулировку: коэффициент полезного действия тепловой машины не зависит от природы и вида тел, участвующих в процессе, а зависит только от разности температур теплообменника (Т 1) и теплоприемника (Т 2). Современные тепловые машины имеют КПД, не превышающие 33 - 35 %.
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
| Твитнуть |
Все темы данного раздела:
Воронеж 2011
Лекция № 1 (2ч)
Введение
Вопросы:
1. Предмет химии. Значение химии в изучении природы и развитии техники.
2. Осно
Основные количественные законы химии
К основным количественным законам химии относятся:закон постоянства состава, закон кратных отношений и закон эквивалентов. Эти законы были открыты в конце XIII – начале XIX веков, и
Современная модель строения атома
В основе современной теории строения атома лежат работы Дж. Томсона (который в 1897 г. открыл электрон, а в 1904 г. предложил модель строения атома, согласно которой атом – это заряженная сфера с в
Орбитальное квантовое число 0 1 2 3 4
Каждому значению l соответствует орбиталь особой формы, например s-орбиталь имеет сферическую форму, р-орбиталь – гантель.
В одной и той же оболочке энергия подуровней возрастает в ряду E
Строение многоэлектронных атомов
Подобно любой системе, атомы стремятся к минимуму энергии. Это достигается при определенном состоянии электронов, т.e. при определенном распределении электронов по орбиталям. Запись
Периодические свойства элементов
Так как электронное строение элементов изменяется периодически, то, соответственно, периодически изменяются и свойства элементов, определяемые их электронным строением, такие как энергия ионизации,
Периодическая система элементов Д.И.Менделеева
В 1869 г. Д. И. Менделеев сообщил об открытии периодического закона, современная формулировка которого следующая: свойство элементов, а также формы и свойства их соединений
Общая характеристика химической связи
Учение о строении вещества объясняет причины многообразия структуры веществ в различных агрегатных состояниях. Современные физические и физико-химические методы позволяют экспериментально определят
Типы химической связи
К основным типам химической связи относят ковалентную (полярную и неполярную), ионную и металлическую связи.
Ковалентной связью называют химическую связь, образованную
Типы межмолекулярных взаимодействий
Связи, при образовании которых перестройка электронных оболочек не происходит, называются взаимодействием между молекулами. К основным видам взаимодействия молекул следует о
Пространственная структура молекул
Пространственная структура молекул зависит от пространственной направленности перекрывания электронных облаков числом атомов в молекуле и числом электронных пар связей за счет непод
Общая характеристика агрегатного состояния вещества
Почти все известные вещества в зависимости от условий находятся в газообразном, жидком, твердом или плазменном состоянии. Это и называется агрегатным состоянием вещества. Аг
Газообразное состояние вещества. Законы идеальных газов. Реальные газы
Газы распространены в природе и находят широкое применение в технике. Их используют в качестве топлива, теплоносителей, сырья для химической промышленности, рабочего тела для выполнения механическо
Характеристика жидкого состояния вещества
Жидкости по своим свойствам занимают промежуточное положение между газообразными и твердыми телами. Вблизи точки кипения они проявляют сходство с газами: текучи, не имеют определенной формы, аморфн
Характеристики некоторых веществ
Вещество
Вид кристалла
Энергия кристаллической решетки, кДж/моль
Темпер
Общие понятия термодинамики
Термодинамика – наука, изучающая превращения различных форм энергии друг в друга и устанавливающая законы этих превращений. Как самостоятельная дисциплин
Термохимия. Тепловые эффекты химических реакций
Любые химические процессы, а также ряд физических превращений веществ (испарение, конденсация, плавление, полиморфные превращения и др.) всегда сопровождаются изменением запаса внут
Закон Гесса и следствия из него
На основе многочисленных экспериментальных исследований русским академиком Г. И. Гессом был открыт основной закон термохимии (1840 г.) – закон постоянства сумм теплот реа
Свободная и связанная энергии. Энтропия системы
Известно, что любая форма энергии может полностью преобразовываться в теплоту, но теплота преобразуется в другие виды энергии лишь частично, условно запас внутренней энергии системы
Влияние температуры на направление химических реакций
DH
DS
DG
Направление реакции
DH < 0
DS > 0
DG < 0
Понятие о химической кинетике
Химической кинетикой называется учение о скорости химических реакций и ее зависимости от различных факторов – природы и концентрации реагирующих веществ, давления,
Факторы, влияющие на скорость химических реакций. Закон действующих масс
На скорость химических реакций оказывают влияние следующие факторы: природа и концентрации реагирующих веществ; температура, природа растворителя, присутствие катализатора и т.д.
Теория активизации молекул. Уравнение Аррениуса
Скорость любой химической реакции зависит от числа столкновений реагирующих молекул, так как число столкновения пропорционально концентрациям реагирующих веществ. Однако не все стол
Особенности каталитических реакций. Теории катализа
Скорость химической реакции можно регулировать с помощью катализатора. Вещества, которые участвуют в реакциях и изменяют (чаще всего увеличивают) ее скорость, оставаясь к концу реак
Обратимые и не обратимые реакции. Признаки химического равновесия
Все реакции можно поделить на две группы: обратимые и необратимые. Необратимые реакции сопровождаются выпадением осадка, образованием малодиссоциирующего вещества или выделением газа. Обратимые реа
Константа химического равновесия
Рассмотрим обратимую химическую реакцию общего вида, в которой все вещества находятся в одном агрегатном состоянии, например, жидком:
аA + вB D сC + dD,
где
Правило фаз Гиббса. Диаграмма состояния воды
Качественная характеристика гетерогенных равновесных систем, в которых не происходит химического взаимодействия, а наблюдается лишь переход составных частей системы из одного агрегатного состояния
Правило фаз для воды имеет вид
С = 1+ 2 – Ф = 3 – Ф
если Ф = 1, то С = 2 (система бивариантна)
Ф = 2, то С = 1 (система одновариантна)
Ф = 3, то С = 0 (система безвариантна)
Ф = 4, то С = -1 (
Понятие о химическом сродстве веществ. Уравнения изотермы, изобары и изохоры химических реакций
Под термином «химическое сродство» понимают способность веществ вступать в химическое взаимодействие друг с другом. У различных веществ оно зависит от природы реагирующих ве
Сольватная (гидратная) теория растворения
Растворами называются гомогенные системы, состоящие из двух или более веществ, состав которых может меняться в довольно широких пределах, допустимых раст
Общие свойства растворов
В конце XIX века Рауль, Вант-Гофф, Аррениус установили весьма важные закономерности, связывающие концентрацию раствора с давлением насыщенного пара растворителя над раствором, темпе
Типы жидких растворов. Растворимость
Способность к образованию жидких растворов выражена в различной степени у различных индивидуальных веществ. Одни вещества способны растворяться неограниченно (вода и спирт), другие – лишь в огранич
Свойства слабых электролитов
При растворении в воде или других растворителях, состоящих из полярных молекул, электролиты подвергаются диссоциации, т.е. в большей или меньшей степени распадаются на положительно и отрицательно з
Свойства сильных электролитов
Электролиты, практически полностью диссоциирующие в водных растворах, называются сильными электролитами. К сильным электролитам относятся большинство солей, которые уже в кр
При соблюдении этих условий коллоидные частицы приобретают электрический заряд и гидратную оболочку, что препятствует выпадению их в осадок
К дисперсионным методам получения коллоидных систем относятся: механические – дробление, растирание, размол и т. д.; электрический – получение золей металлов под действ
Устойчивость коллоидных растворов. Коагуляция. Пептизация
Под устойчивостью коллоидного раствора понимают постоянство основных свойств этого раствора: сохранение размеров частиц (агрегативная устойчивость
Свойства коллоидно-дисперсных систем
Все свойства коллоидно-дисперсных систем можно разделить на три основные группы: молекулярно-кинетические, оптические и электрокинетические.
Рассмотрим молекулярно-кинетические
Особенности обменных процессов
Химические реакции разделяются на обменные и окислительно-восстановительные (Ox-Red). Если в реакции не происходит изменение степени окисления, то такие реакции называются обменными. Они возможны п
Особенности окислительно-восстановительных процессов
При окислительно-восстановительных реакциях происходит изменение степени окисления вещества. Реакции можно разделить на те, которые проходят в одном реакционном объеме (например, в
Общие понятия электрохимии. Проводники первого и второго рода
Электрохимия – это раздел химии, занимающийся изучением закономерностей взаимных превращений электрической и химической энергии.
Электрохимические процессы можно разде
Понятие об электродном потенциале
Рассмотрим процессы, протекающие в гальванических элементов, т. е. процессы превращения химической энергии в электрическую.
Гальваническим элементомназывают электрохим
Гальванический элемент Даниэля-Якоби
Рассмотрим систему, в которой два электрода находятся в растворах собственных ионов, например, гальванический элемент Даниэля-Якоби. Он состоит из двух полуэлементов: из цинковой пластины, погружен
Электродвижущая сила гальванического элемента
Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента.
Поляризация и перенапряжение
При самопроизвольных процессах устанавливается равновесный потенциал электродов. При прохождении электрического тока потенциал электродов изменяется. Изменение потенциала электрода
Электролиз. Законы Фарадея
Электролизом называют процессы, протекающие на электродах под действием электрического тока, подаваемого от внешнего источника тока через электролиты.
При элект
Коррозия металлов
Коррозия – это разрушение металла в результате его физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Это процесс самопроизвольный, идущий с уменьшением энергии Гиббса сист
Методы получения полимеров
Полимеры – высокомолекулярные соединения, которые характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Молекулы полимеров, называ
Строение полимеров
Макромолекулы полимеров могут быть линейными, разветвленными и сетчатыми.
Линейные полимеры – это полимеры, которые построены из длинных цепей одномерных элементов, т.
Свойства полимеров
Свойства полимеров условно можно разделить на химические и физические. И те, и другие свойства связаны с особенностями строения полимеров, способом их получения, природой вводимых в
Применение полимеров
На основе полимеров получают волокна, пленки, резины, лаки, клеи, пластмассы и композиционные материалы (композиты).
Волокна получают путем продавливания растворов или
Некоторые реагенты для идентификации катионов
Реагент
Формула
Катион
Продукт реакции
Ализарин
C14H6O
Инструментальные методы анализа
В последние годы все более широкое применение получают инструментальные метода анализа, обладающие многими достоинствами: быстротой, высокой чувствительностью, возможностью одновременного определен
На производстве привело к появлению тепловых машин.
Устройство тепловых машин
Тепловая машина (тепловой двигатель) - устройство для преобразования внутренней энергии в механическую.
Любая тепловая машина имеет нагреватель, рабочее тело (газ или пар), которое в результате нагрева выполняет работу (приводит во вращение вал турбины, двигает поршень и так далее) и холодильник. На рисунке ниже изображена схема теплового двигателя.
Основы действия тепловых двигателей
Каждая тепловая машина функционирует благодаря двигателю. Для выполнения работы ему нужно, чтобы по ту и другую сторону поршня двигателя или лопастей турбины была разность давлений. Достигается эта разность во всех тепловых двигателях так: температура рабочего тела повышается на сотни или тысячи градусов в сравнении с температурой окружающей среды. В и в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) происходит повышение температуры за счет того, что топливо сгорает внутри самого двигателя. Холодильником может выступать атмосфера или специального назначения устройства для конденсации и охлаждения отработанного пара.
Цикл Карно
Цикл (круговой процесс) - совокупность изменений состояния газа, в результате которых он возвращается в исходное состояние (может выполнять работу). В 1824 году французский физик Сади Карно показал, что выгодным является цикл тепловой машины (цикл Карно), который состоит из двух процессов - изотермического и адиабатного. На рисунке ниже изображен график цикла Карно: 1-2 и 3-4 - изотермы, 2-3 и 4-1 - адиабаты.
В соответствии с законом сохранения энергии работа тепловых машин, которую выполняет двигатель, равна:
А = Q 1 - Q 2 ,
где Q 1 - количество теплоты, которое получено от нагревателя, а Q 2 - количество теплоты, которое предано холодильнику.
КПД тепловой машины называется отношение работы А, которую выполняет двигатель, к количеству теплоты, которое получено от нагревателя:
η = А/Q =(Q 1 - Q 2)/Q 1 = 1 - Q 2 /Q 1 .
В работе «Мысли о движущей силе огня и о машинах, которые способны развивать эту силу» (1824) Карно описал тепловую машину под названием "идеальная тепловая машина с идеальным газом, который представляет собой рабочее тело". Благодаря законам термодинамики можно вычислить КПД (максимально возможный) теплового двигателя с нагревателем, который имеет температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 . Тепловая машина Карно имеет КПД:
η max = (T 1 - T 2)/T 1 = 1 - T 2 /T 1.
Сади Карно доказал, что какая угодно тепловая машина реальная, которая работает с нагревателем с температурой Т 1 и холодильником с температурой Т 2 не способна иметь КПД, который бы превышал КПД тепловой машины (идеальной).
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)
Четырехтактный ДВС состоит из одного или нескольких цилиндров, поршня, кривошипно-шатунного механизма, впускного и выпускного клапанов, свечи.
Рабочий цикл состоит из четырех тактов:
1) засасывания - горючая смесь попадает через клапан в цилиндр;
2) сжатия - оба клапана закрыты;
3) рабочий ход - взрывное сгорание горючей смеси;
4) выхлоп - выпуск отработанных газов в атмосферу.
Паровая турбина
В паровой турбине преобразование энергии происходит за счет разницы давлений водяного пара на входе и выходе.
Мощности современных паровых турбин достигают 1300 МВт.
Некоторые технические параметры паровой турбины мощностью 1200 МВт
- Давление пара (свежего) - 23,5 МПа.
- Температура пара - 540 °С.
- Расход пара турбиной - 3600 т/ч.
- Частота вращения ротора - 3000 об/мин.
- Давление пара в конденсаторе - 3,6 кПа.
- Длина турбины - 47,9 м.
- Масса турбины - 1900 т.
Тепловая машина состоит из воздушного компрессора, камеры сгорания и Принцип работы: воздух адиабатно засасывается в компрессор, поэтому его температура повышается до 200 °С и более. Далее попадает в камеру сгорания, куда одновременно под большим давлением поступает жидкое топливо - керосин, фотоген, мазут. При сгорании топлива воздух нагревается до температуры 1500-2000 °С, расширяется, и скорость его движения растет. Воздух движется с большой скоростью, и продукты сгорания направляются в турбину. После перехода от ступени к ступени продукты сгорания отдают лопастям турбины свою кинетическую энергию. Часть энергии, полученной турбиной, идет на вращение компрессора; оставшаяся часть расходуется на вращение ротора электрогенератора, винта самолета или морского судна, колес автомобиля.
Газовую турбину можно использовать, кроме вращения колес автомобиля и или теплохода, в качестве реактивного двигателя. Воздух и продукты сгорания с большой скоростью выбрасываются из газовой турбины, поэтому реактивная тяга, которая возникает при этом процессе, может использоваться для хода воздушных (самолет) и водных (теплоход) судов, железнодорожного транспорта. Например, турбовинтовые двигатели имеют самолеты Ан-24, Ан-124 («Руслан»), Ан-225 («Мечта»). Так, «Мечта» при скорости полета 700-850 км/ч способна перевозить 250 тонн груза на расстояние почти 15 000 км. Это крупнейший транспортный самолет в мире.
Экологические проблемы тепловых машин
Большое влияние на климат имеет состояние атмосферы, в частности наличие углекислого газа и водяного пара. Так, изменение содержания углекислого газа приводит к усилению или ослаблению парникового эффекта, при котором углекислый газ частично поглощает тепло, которое Земля излучает в космос, задерживает его в атмосфере и повышает тем самым температуру поверхности и нижних слоев атмосферы. Явление парникового эффекта играет решающую роль в смягчении климата. При его отсутствии средняя температура планеты была бы не +15 °С, а ниже на 30-40 °С.
Сейчас в мире существует более 300 млн различного вида автомобилей, которые создают более половины всех загрязнений атмосферы.
За 1 год в атмосферу из тепловых электростанций в результате сжигания топлива выделяется 150 млн тонн оксидов серы, 50 млн тонн оксида азота, 50 млн тонн золы, 200 млн тонн оксида углерода, 3 млн тонн феона.
В состав атмосферы входит озон, который защищает все живое на земле от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей. В 1982 году Дж. Фарманом, английским исследователем, над Антарктидой была открыта озоновая дыра - временное снижение содержания озона в атмосфере. В момент максимального развития озоновой дыры 7 октября 1987 количество озона в ней уменьшилось в 2 раза. Озоновая дыра, вероятно, возникла в результате антропогенных факторов, в том числе использования в промышленности хлорсодержащих хладонов (фреонов), которые разрушают озоновый слой. Однако исследования 1990 гг. не подтвердили эту точку зрения. Скорее всего, появление озоновой дыры не связано с деятельностью человека и является естественным процессом. В 1992 году и над Арктикой была открыта озоновая дыра.
Если весь атмосферный озон собрать в слой у поверхности Земли и сгустить его к плотности воздуха при нормальном атмосферном давлении и температуре 0 °С, то толщина озонового щита будет всего лишь 2-3 мм! Вот и весь щит.
Немного из истории...
- Июль 1769 года. В парижском парке Медоне военный инженер Н. Ж. Кюньйо на «огненной телеге», которая была оснащена двухцилиндровым паровым двигателем, проехал несколько десятков метров.
- 1885 год. немецкий инженер, построил первый бензиновый четырехтактный трехколесный автомобиль Motorwagen мощностью 0,66 кВт, на который 29 января 1886 года получил патент. Скорость машины достигала 15-18 км/ч.
- 1891 год. немецкий изобретатель, изготовил грузовую тележку с двигателем мощностью 2,9 кВт (4 лошадиные силы) от легкового автомобиля. автомобиля достигала 10 км/ч, грузоподъемность в различных моделях составляла от 2 до 5 тонн.
- 1899 год. Бельгиец К. Женатци на своем автомобиле «Жаме Контант» («Всегда недовольная») впервые преодолел 100-километровый рубеж скорости.
Примеры решения задач
Задача 1. Температуру нагревателя идеальная тепловая машина имеет равную 2000 К, а температуру холодильника - 100 °С. Определить КПД.
Решение
:
Формула, которая определяет КПД тепловой машины (максимальный):
ŋ = Т 1 -Т 2 /Т 1.
ŋ = (2000К - 373К) / 2000 К = 0,81.
Ответ: КПД двигателя - 81 %.
Задача 2. В тепловом двигателе при сгорании топлива было получено 200 кДж теплоты, а холодильнику передано 120 кДж теплоты. Каков КПД двигателя?
Решение:
Формула для определения КПД имеет такой вид:
ŋ = Q1 - Q2 / Q1.
ŋ = (2·10 5 Дж - 1,2·10 5 Дж) / 2·10 5 Дж = 0,4.
Ответ: КПД теплового двигателя - 40 %.
Задача 3. Каков КПД тепловой машины, если рабочее тело после получения от нагревателя количества теплоты 1,6 МДж выполнило работу 400 кДж? Какое количество теплоты было передано холодильнику?
Решение:
КПД можно определить по формуле
ŋ = 0,4·10 6 Дж / 1,6·10 6 Дж = 0,25.
Переданное холодильнику количество теплоты можно определить по формуле
Q 1 - А = Q 2.
Q 2 = 1,6·10 6 Дж - 0,4·10 6 Дж = 1,2·10 6 Дж.
Ответ:
тепловая машина имеет КПД 25 %; переданное холодильнику количество теплоты - 1,2·10 6 Дж.
Холодильник
Рис. 2.31. Тепловой двигатель
Нагреватель
Рабочее тело двигателя
2.12 Тепловые машины
Коротко говоря, тепловые машины преобразуют теплоту в работу или, наоборот, работу в теплоту.
Тепловые машины бывают двух видов в зависимости от направления протекающих в них процессов.
1. Тепловые двигатели преобразуют теплоту, поступающую от внешнего источника, в механическую работу.
Автомобильный двигатель внутреннего сгорания это пример теплового двигателя. В нём происходит преобразование тепла, выделяющегося при сгорании топлива, в механическую энергию автомобиля.
2. Холодильные машины передают тепло от менее нагретого тела к более нагретому за счёт механической работы внешнего источника.
Бытовой холодильник, который стоит у вас в квартире, служит примером холодильной машины. В нём тепло отводится от холодильной камеры и передаётся в окружающее пространство.
Рассмотрим эти виды тепловых машин более подробно.
2.12.1 Тепловые двигатели
Мы знаем, что совершение над телом работы есть один из способов изменения его внутренней энергии: совершённая работа как бы растворяется в теле, переходя в энергию беспорядочного движения и взаимодействия его частиц.
Тепловой двигатель это устройство, которое, наоборот, извлекает полезную работу из ¾хаотической¿ внутренней энергии тела. Изобретение теплового двигателя радикально изменило облик человеческой цивилизации.
Принципиальную схему теплового двигателя можно изобразить следующим образом (рис. 2.31 ). Давайте разбираться, что означают элементы данной схемы.
Рабочее тело двигателя это газ. Он расширяется, двигает поршень и совершает тем самым полезную меха-
ническую работу.
Но чтобы заставить газ расширяться, преодолевая внешние силы, нужно нагреть его до температуры, которая существенно выше температуры окружающей среды. Для этого газ приводится в контакт с нагревателем сгорающим топливом.
В процессе сгорания топлива выделяется значительная энергия, часть которой идёт на нагревание газа. Газ получает от нагревателя количество теплоты Q1 . Именно за счёт этого тепла двигатель совершает полезную работу A.
Это всё понятно. Что такое холодильник и зачем он нужен?
При однократном расширении газа мы можем использовать поступающее тепло максимально эффективно и целиком превратить его в работу. Для
этого надо расширять газ изотермически: первый закон термодинамики, как мы знаем, даёт нам в этом случае A = Q1 .
Но однократное расширение никому не нужно. Двигатель должен работать циклически, обеспечивая периодическую повторяемость движений поршня. Следовательно, по окончании расширения газ нужно сжимать, возвращая его в исходное состояние.
В процессе расширения газ совершает некоторую положительную работу A1 . В процессе сжатия над газом совершается положительная работа A2 (а сам газ совершает отрицательную работу A2 ). В итоге полезная работа газа за цикл: A = A1 A2 .
Разумеется, должно быть A > 0, или A2 < A1 (иначе никакого смысла в двигателе нет). Сжимая газ, мы должны совершить меньшую работу, чем совершил газ при расширении.
Как этого достичь? Ответ: сжимать газ под меньшими давлениями, чем были в ходе расширения. Иными словами, на pV -диаграмме процесс сжатия должен идти ниже процесса расширения, т. е. цикл должен проходиться по часовой стрелке (рис.2.32 ).
Рис. 2.32. Цикл теплового двигателя
Например, в цикле на рисунке работа газа при расширении равна площади криволинейной трапеции V1 1a2V2 . Аналогично, работа газа при сжатии равна площади криволинейной трапеции V1 1b2V2 со знаком минус. В результате работа A газа за цикл оказывается положительной и равной площади цикла 1a2b1.
Хорошо, но как заставить газ возвращаться в исходное состояние по более низкой кривой, то есть через состояния с меньшими давлениями? Вспомним, что при данном объёме давление газа тем меньше, чем ниже температура. Стало быть, при сжатии газ должен проходить состояния с меньшими температурами.
Вот именно для этого и нужен холодильник: чтобы охлаждать газ в процессе сжатия. Холодильником может служить атмосфера (для двигателей внутреннего сгорания) или охлаждающая проточная вода (для паровых турбин).
При охлаждении газ отдаёт холодильнику некоторое количество теплоты Q2 . Суммарное количество теплоты, полученное газом за цикл, оказывается равным Q1 Q2 . Согласно первому закону термодинамики:
Q1 Q2 = A + U;
где U изменение внутренней энергии газа за цикл. Оно равно нулю: U = 0, так как газ вернулся в исходное состояние (а внутренняя энергия, как мы помним, является функцией состояния). В итоге работа газа за цикл получается равна:
A = Q1 Q2 : |
Как видите, A < Q1 : не удаётся полностью превратить в работу поступающее от нагревателя тепло. Часть теплоты приходится отдавать холодильнику для обеспечения цикличности процесса.
машины
Холодильник
Рис. 2.33. Холодильная машина
Нагреватель
Рабочее тело холодильной
Показателем эффективности превращения энергии сгорающего топлива в механическую работу служит коэффициент полезного действия теплового двигателя.
КПД теплового двигателя это отношение механической работы A к количеству тепло-
ты Q1 , поступившему от нагревателя:
A : Q1
С учётом соотношения (2.12 ) имеем также
Q 1Q 2 | |||
КПД теплового двигателя, как видим, всегда меньше единицы. Например, КПД паровых турбин приблизительно 25%, а КПД двигателей внутреннего сгорания около 40%.
2.12.2 Холодильные машины
Житейский опыт и физические эксперименты говорят нам о том, что в процессе теплообмена теплота передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот. Никогда не наблюдаются процессы, в которых за счёт теплообмена энергия самопроизвольно переходит от холодного тела к горячему, в результате чего холодное тело ещё больше остывало бы, а горячее тело ещё больше нагревалось.
Ключевое слово здесь ¾самопроизвольно¿. Если использовать внешний источник энергии, то осуществить процесс передачи тепла от холодного тела к горячему оказывается вполне возможным. Это и делают холодильные машины.
По сравнению с тепловым двигателем процессы в холодильной машине имеют противоположное направление (рис. 2.33 ).
Рабочее тело холодильной машины называют также
который поглощает теплоту при расширении и отдаёт при сжатии21 .
Холодильник в холодильной машине это тело, от которого отводится теплота. Холодильник передаёт рабоче-
му телу (газу) количество теплоты Q2 , в результате чего газ расширяется.
В ходе сжатия газ отдаёт теплоту Q1 более нагретому телу нагревателю. Чтобы такая теплопередача осуществлялась, надо сжимать газ при более высоких температурах, чем были при расширении. Это возможно лишь за счёт работы A0 , совершаемой внешним источником (например, электродвигателем)22 . Поэтому количество тепло-
ты, передаваемое нагревателю, оказывается больше количества теплоты, забираемого от холо-
дильника, как раз на величину A0 :
Q1 = Q2 + A0 :
21 В реальных холодильных установках хладагент это летучий раствор с низкой температурой кипения, который забирает теплоту в процессе испарения и отдаёт при конденсации.
22 В реальных холодильных агрегатах электродвигатель создаёт в испарителе низкое давление, в результате чего хладагент вскипает и забирает тепло; наоборот, в конденсаторе электродвигатель создаёт высокое давление, под которым хладагент конденсируется и отдаёт тепло.
Таким образом, на pV -диаграмме рабочий цикл холодильной машины идёт против часовой стрелки. Площадь цикла это работа A0 , совершаемая внешним источником (рис.2.34 ).
Рис. 2.34. Цикл холодильной машины
Основное назначение холодильной машины охлаждение некоторого резервуара (например, морозильной камеры). В таком случае данный резервуар играет роль холодильника, а нагревателем служит окружающая среда в неё рассеивается отводимое от резервуара тепло.
Показателем эффективности работы холодильной машины является холодильный коэффициент, равный отношению отведённого от холодильника тепла к работе внешнего источника:
Q A 2 0 :
Холодильный коэффициент может быть и больше единицы. В реальных холодильниках он принимает значения приблизительно от 1 до 3.
Имеется ещё одно интересное применение: холодильная машина может работать как тепловой насос. Тогда её назначение нагревание некоторого резервуара (например, обогрев помещения) за счёт тепла, отводимого от окружающей среды. В данном случае этот резервуар будет нагревателем, а окружающая среда холодильником.
Показателем эффективности работы теплового насоса служит отопительный коэффициент, равный отношению количества теплоты, переданного обогреваемому резервуару, к работе
внешнего источника:
Q A 1 0 :
Значения отопительного коэффициента реальных тепловых насосов находятся обычно в диапазоне от 3 до 5.
2.12.3 Тепловая машина Карно
Важными характеристиками тепловой машины являются наибольшее и наименьшее значения температуры рабочего тела в ходе цикла. Эти значения называются соответственно температурой нагревателя и температурой холодильника.
Мы видели, что КПД теплового двигателя строго меньше единицы. Возникает естественный вопрос: каков наибольший возможный КПД теплового двигателя с фиксированными значениями температуры нагревателя T1 и температуры холодильника T2 ?
Пусть, например, максимальная температура рабочего тела двигателя равна 1000 K, а минимальная 300 K. Каков теоретический предел КПД такого двигателя?
Ответ на поставленный вопрос дал французский физик и инженер Сади Карно в 1824 году. Он придумал и исследовал замечательную тепловую машину с идеальным газом в качестве
рабочего тела. Эта машина работает по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат.
Рассмотрим прямой цикл машины Карно, идущий по часовой стрелке (рис. 2.35 ). В этом случае машина функционирует как тепловой двигатель.
T 23
Рис. 2.35. Цикл Карно
Изотерма 1 ! 2. На участке 1 ! 2 газ приводится в тепловой контакт с нагревателем температуры T1 и расширяется изотермически. От нагревателя поступает количество теплоты Q1 и целиком превращается в работу на этом участке: A12 = Q1 .
Адиабата 2 ! 3. В целях последующего сжатия нужно перевести газ в зону более низких температур. Для этого газ теплоизолируется, а затем расширяется адиабатно на учатке 2 ! 3. При расширении газ совершает положительную работу A23 , и за счёт этого уменьшается его внутренняя энергия: U23 = A23 .
Изотерма 3 ! 4. Теплоизоляция снимается, газ приводится в тепловой контакт с холодильником температуры T2 . Происходит изотермическое сжатие. Газ отдаёт холодильнику количество теплоты Q2 и совершает отрицательную работу A34 = Q2 .
Адиабата 4 ! 1. Этот участок необходим для возврата газа в исходное состояние. В ходе адиабатного сжатия газ совершает отрицательную работу A41 , а изменение внутренней энергии положительно: U41 = A41 . Газ нагревается до исходной температуры T1 .
Карно нашёл КПД этого цикла (вычисления, к сожалению, выходят за рамки школьной программы):
T 1T 2 | |||
Кроме того, он доказал, что КПД цикла Карно является максимально возможным для всех тепловых двигателей с температурой нагревателя T1 и температурой холодильника T2 .
Так, в приведённом выше примере (T1 = 1000 K, T2 = 300 K) имеем:
max =1000 300 = 0;7 (= 70%): 1000
В чём смысл использования именно изотерм и адиабат, а не каких-то других процессов? Оказывается, изотермические и адиабатные процессы делают машину Карно обратимой. Её можно запустить по обратному циклу (против часовой стрелки) между теми же нагревателем и холодильником, не привлекая другие устройства. В таком случае машина Карно будет функционировать как холодильная машина.
Возможность запуска машины Карно в обоих направлениях играет очень большую роль в термодинамике. Например, данный факт служит звеном доказательства максимальности КПД цикла Карно. Мы ещё вернёмся к этому в следующей статье, посвящённой второму закону термодинамики.