Условия получения работы в тепловых двигателях

С древнейших времен люди пользовались энергией топлива для приготовления пищи, обогрева жилища и обработки металлов. Но после появления тепловых двигателей особое значение приобрело применение энергии топлива для приведения в движение различных механизмов. Понятно поэтому, насколько важно знать способы наиболее эффективного использования топлива для совершения работы.

Для использования внутренней энергии тела нужно ее "отнять" у тела. Это можно осуществить двумя способами – в процессе теплопередачи, когда тело отдает некоторое количества теплоты, или при совершении телом работы.

Теплопередачей пользуются, например, в ряде технологических процессов, связанных с нагреванием тел, а также для обогрева помещений за счет внутренней энергии горячего пара или воды. Но наибольшее значение имеет использование внутренней энергии тел для совершения работы.

Механическая работа совершается лишь тогда, когда происходит упорядоченное движение – перемещение тела. Внутренняя же энергия – это энергия беспорядочно движущихся молекул. Следовательно, для того чтобы за счет внутренней энергии совершалась работа, необходимо найти способ, позволяющий преобразовать хаотическое движение молекул в упорядоченное движение какого-либо макроскопического тела. И задача эта весьма непростая. Любое упорядоченное движение тел в реальных условиях (при наличии трения) частично "преобразуется" в беспорядочное движение молекул (тела нагреваются). Обратное же преобразование хаотического движения молекул в упорядоченное требует специальных условий.

Такие условия могут быть созданы, например, при использовании цилиндра с поршнем. Беспорядочное перемещение молекул газа в цилиндре вызывает перемещение поршня. Цилиндр с поршнем составляет главную часть огнестрельного оружия. За счет внутренней энергии газов, возникающих при сгорании топлива (пороха) в стволе (цилиндре) совершается механическая работа по перемещению снаряда. Огнестрельное оружие, таким образом, является своеобразным тепловым двигателем. Но это не есть двигатель непрерывного действия. Тепловая машина, для того чтобы быть периодически действующим устройством, должна совершать замкнутый процесс или цикл.

Рис. 4.11

Механическая работа совершается при расширении газа в цилиндре, при котором газ проходит через ряд состояний вдоль некоторой кривой а(рис. 4.11). Для того чтобы газ вернулся в первоначальное состояние 1, его нужно сжать, для чего над ним придется совершить работу. Но эта работа обязательно должна быть меньше, чем работа, совершенная газом при его расширении. Напомним, что работа газа при расширении на P-V-диаграмме численно равна площади криволинейной трапеции под кривой а. Чтобы при сжатии газа совершалась меньшая работа, кривая сжатия b должна лежать ниже кривой а. При постоянном объеме V давление выше там, где выше температура (P_a > P_b). Следовательно, расширяться газ должен нагретым, а сжиматься – холодным. Разность площадей под кривыми а и b, то есть площадь, ограниченная замкнутой кривой 1а2b1, равна работе А, совершаемой за цикл. Газ вернулся в исходное состояние, следовательно, его внутренняя энергия не изменилась, то есть ΔU = 0. Таким образом, работа, совершенная газом за цикл, на основании первого начала термодинамики равна:

,

(4.38)

где Q₁ – количество теплоты, полученной газом на стадии расширения (участок 1а2), Q₂ – количество теплоты, отведенное от газа на стадии сжатия (участок 2б1).

Отношение совершенной за цикл работы А к количеству теплоты Q₁, полученному за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия машины.

.

(4.39)

Рис. 4.12

Рассмотрев принцип работы тепловой машины, можно представить ее принципиальную схему, отвлекаясь при этом от конструктивных особенностей (рис. 4.12).

Обязательными составляющими тепловой машины являются два тепловых резервуара: нагреватель с температурой Т₁ и холодильник с температуройТ₂ < T₁. Если просто привести нагреватель в тепловой контакт с холодильником, то внутренняя энергия нагревателя будет передаваться холодильнику путем теплопередачи без совершения работы. Для совершения механической работы обязательно должно быть промежуточное звено – так называемое рабочее тело, в качестве которого, например, может быть использован газ в цилиндре.

Отметим еще, что на первых порах охлаждение газа перед сжатием достигалось путем приведения его в контакт с телами более низкой температуры. Но в этом случае энергия хаотического движения молекул газа преобразуется также в энергию хаотического движения молекул других тел, и для совершения работы она будет потеряна. Вот почему первые тепловые двигатели имели очень низкийк.п.д. (~5 %). Очевидно, нужно было найти другой способ охлаждения газа.

Итак, внутренняя энергия, отнятая у нагретого тела при соприкосновении его с более холодным телом, абсолютно бесполезна для совершения работы. Поэтому, если мы хотим получить максимальную работу при расширении газа, надо чтобы газ в этом процессе не соприкасался с телами, имеющими более низкую температуру.

Рис. 4.13

Исключить контакт рабочего тела с более холодными телами можно двумя способами: поместить газ в сосуд, стенки которого сделаны из теплоизолирующего материала, или поддерживать постоянный контакт газа с телами, имеющими ту же температуру, что и он сам. Очевидно, что в первом случае состояние газа меняется в условиях адиабатического процесса (рис. 4.13а), во втором – при изотермическом процессе (рис. 4.13б).

Напомним, что при адиабатном расширении газа его внутренняя энергия уменьшается как раз на величину совершенной работы. При этом происходит понижение температуры. Напротив, при адиабатном сжатии газа его внутренняя энергия увеличивается за счет работы, совершенной над газом, вследствие чего температура газа повышается.

Рассмотрим изменение состояния газа в ходе изотермического процесса при условии, что цилиндр, в котором находится газ, соприкасается теплопроводящим дном с телами такой же, как у него, температуры, которая поддерживается постоянной. Предоставим газу возможность расширяться и совершать работу. Так как работа совершается газом за счет внутренней энергии, его температура начнет понижаться. Но тогда температура источника тепла окажется чуть-чуть выше, чем температура газа, и тотчас же от источника к газу будет передаваться такое количество теплоты, которое приведет к выравниванию температур газа и источника. Отдавать же какое-либо количество теплоты газ не может, так как он не соприкасается с телами более низкой температуры. Таким образом, температура газа практически будет всегда оставаться постоянной, постоянной будет и внутренняя энергия (для идеального газа она есть только функция его температуры). Тогда из первого закона термодинамики следует, что Q = A. Не представляет труда рассмотреть процесс изотермического сжатия газа, в ходе которого за счет работы внешних сил внутренняя энергия и температура газа должны повышаться, что приведет к передаче некоторого количества энергии от рабочего тела термостату.

Итак, в адиабатном и изотермическом процессах наиболее полно используется внутренняя энергия для совершения работы. В этих процессах газ отдает энергию только для совершения работы. Очевидно, что для получения максимальной работы цикл тепловой машины должен состоять из адиабатического и изотермического процессов, поскольку только эти процессы позволяют исключить контакт горячего тела с холодным, то есть исключить уменьшение энергии без совершения работы

5. Условия получения холода в холодильных машинах. ( простите. Но ничего другого не было, информация тупо скопирована с сайта http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/5076.html, частично прочитала) я уверенна,что ему нужен совершенно другой ответ. В учебнике по этому поводу ничего нет

ХОЛОДИЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ, обеспечивают непрерывное искусств, охлаждение разл. в-в (тел) путем отвода от них теплоты. Естеств. охлаждение с помощью холодной воды или воздуха позволяет охладить в-во до т-ры охлаждающей среды и не требует подвода энергии. Охлаждение до более низких т-р происходит в искусств. холодных средах, на создание к-рых расходуется мех., тепловая или хим. энергия. Охлаждение до т-р выше 120 К принято наз. умеренным, ниже - глубоким или криогенным.

Искусственные холодные среды.Для их получения необходим перенос теплоты с низкого на более высокий температурный уровень, к-рым, как правило, является т-ра окружающей среды. Этот перенос осуществляется с использованием т. наз. обратимых круговых термодинамич. циклов, к-рые в пром-сти обычно реализуются в холодильных установках. В последних холодная среда создается с помощью рабочих тел, наз. холодильными агентами или просто хладагентами (вода, NH₃, пропан-пропиленовые смеси, хладоны, сжиженные газы - воздух, N₂, Н₂, Не и др.).
В лаб. практике холодные среды получают, приготовляя т. наз. охлаждающие смеси- системы из двух или неск. твердых (либо твердых и жидких) в-в, при смешении к-рых вследствие поглощения теплоты при плавлении или растворении происходит понижение т-ры. Наиб.употребительны смеси изльда и NaCl (достигаемая т-ра от -20 до - 21,2 °С), льда и СаС1₂ х 6Н₂О (-40 °С), твердого СО₂ и этанола (-77 °С) и др. Для достижения криогенных т-р в лабораториях применяют сжиженные газы, напр. N₂ (см. также Теплообмен).

Термодинамические основы получения холода.Согласно второму началу термодинамики, указанный выше перенос теплоты самопроизвольно не происходит, требуя затрат работы. В термодинамич. процессах подвод или отвод теплоты q описывается через изменение энтропии dS системы: dq = TdS, где Т - т-ра. Отсюда следует, что при подводе к телу теплоты его энтропия возрастает, а при отводе теплоты -уменьшается. В непрерывных холодильных процессах хладагент должен принять теплоту от охлаждаемого тела на ниж. температурном уровне, отдать теплоту на верх.уровне к.-л. теплоприемнику и вернуться в исходное состояние. Поэтому в установившемся процессе суммарная энтропия хладагента не изменяется (dS=0).
Поскольку при передаче теплоты от охлаждаемого тела энтропия хладагента повышается, в любой холодильной установке должен проходить иной (компенсирующий) процесс, при к-ром энтропия хладагента уменьшается. В общем случае энтропия м. б. представлена как ф-ция т-ры и к.-л. другого параметра тела (напр., давление, фазовое состояние, степень намагниченности). Поэтому, если имеется изотермич. или близкий к нему процесс, в к-ром наблюдается значит.изменение энтропии при изменении иного параметра, то подобный процесс можно рассматривать как потенциальную основу для создания холодильных установок. К таким процессам относятся, напр., изотермич. процессы сжатия либо адсорбциигазов, намагничивания парамагнетиков и сверхпроводников. При этом низкая т-ра достигается соотв. в адиабатич. процессах расширения идесорбции газов, размагничивания парамагнетиков и сверхпроводников (см. ниже).
Перечисленные и иные процессы искусств.охлаждения в большинстве случаев осуществляются: 1) путем теплообмена между охлаждаемыми в-вами и хладагентами - испаряющимися низкокипящими жидкостями, т-ра к-рых за счет уменьшения энтальпии i понижается до т-ры кипения при давлениииспарения; 2) изоэнтальпийным (i = const) расширением газов, предварительно сжатых в компрессорах, или жидкостей при их прохождении через сужение (вентиль, кран, пористая перегородка), т. е. их дросселированием (процесс протекает адиабатически без совершения внеш. работы) с использованием эффекта Джоуля - Томсона, или дроссельного эффекта,- отрицат. либо положит.изменения т-ры тела при отсутствии подвода к телу или отвода от него теплоты; 3) адиабатическим (изоэнтропийным, S = const) расширением газов с совершением внеш. работы в т. наз.детандерах - машинах, устроенных подобно поршневому компрессору или турбокомпрессору (см. Компрессорные машины); 4) сочетанием обоих методов расширения. Эти и другие методы получения холода рассмотрены ниже.

Принцип работы холодильных установок.Его удобно иллюстрировать с помощью идеального (воображаемого) холодильного процесса (цикла) в координатах р - V (рис. 1; р, V- давление в системе и ее объем). При сжатии в компрессоре (процесс ВbА)рабочего тела его т-ра Т повышается; при этом в окружающую среду с т-рой Т₀ передается удельная (на единицу кол-ва хладагента) теплота q₀ (площадь AbBdcA)и энтропия рабочего тела понижается; в конце сжатия Т = Т₀. При послед.расширении (процесс АаВ)хладагента его т-ра понижается. Затем к нему от охлаждаемой среды переносится теплота q_x(площадь AaBdcA)и энтропия рабочего тела возрастает.
Повторяя указанные процессы, получают непрерывный круговой холодильный цикл с постоянной холодопроиз-водительностьюq_x (кол-во теплоты, отнимаемой от охлаждаемого тела). Расходуемая в цикле мех.работа l_ц (площадь АаВbА), параметры q₀ и q_x по закону сохранения энергии связаны между собой выражением: q₀ = q_x + l_ц. Энергетич. показатели цикла характеризуются т. наз. холодильным коэффициентом Во всех идеальных циклах l_ц минимальна, а e максимален.

Рис. 1. Идеальный холодильный цикл.

Поиск по сайту: