Коэффициент полезного действия тепловой машины
Циклы. Тепловые и холодильные машины. КПД цикла Карно для идеального газа
Циклическим (круговым) процессом или циклом называется процесс, в котором начальное и конечное состояния системы совпадают. В цикле, изображенном на рис. 8.1, на участке 1-а-2 система совершает положительную работу, а возвращаясь в исходное состояние по пути 2-b-1 – отрицательную, но меньшую по абсолютной величине. При этом полная работа, совершенная за цикл, положительна. Она равна площади фигуры 1-a-2-b-1, охватываемой циклом на P-V диаграмме.
 |
|
| Рис. 8.1 | Рис. 8.2 |
Так как внутренняя энергия U является функцией состояния, ее изменение в циклическом процессе равно нулю (DU = 0). Тогда из первого начала термодинамики следует, что полная работа А , совершаемая системой за цикл, равна полному количеству тепла Q , полученному системой в цикле. Если работа цикла А положительна, то говорят, что цикл проходится в прямом направлении (по часовой стрелке). Такие циклические процессы можно использовать для создания тепловых машин – устройств, совершающих механическую работу за счет тепла, получаемого от тепловых резервуаров .
Тепловая машина включает в себя рабочее тело, т.е. систему, осуществляющую цикл и совершающую работу, и как минимум два тепловых резервуара, с которыми рабочее тело обменивается теплом .
Простейшая тепловая машина схематически изображена на рис. 8.2. Тепловые резервуары, от которых рабочее тело в прямом цикле (при котором А > 0), получает положительное количество тепла, называют нагревателями. Резервуары, от которых получено отрицательное количество тепла, называют холодильниками. Сумму положительных количество теплоты, полученных системой от нагревателей на всех этапах цикла, принято обозначать Q + = Q 1 , а сумму отрицательных теплот, полученных от холодильников Q - = - Q 2 . При этом Q 2 называют количеством тепла, отданного системой холодильнику (Q 2 > 0).
Работа цикла равна алгебраической сумме количеств теплоты, полученных системой на всех этапах цикла
A = Q + + Q - = Q 1 – Q 2 .
Коэффициентом полезного действия (КПД) цикла называется отношение работы А, совершенной системой при прохождении цикла, к количеству тепла Q 1 º Q + , полученному системой от нагревателя
. (8.1)
Рассчитанный таким способом КПД h иногда называют термодинамическим, чтобы подчеркнуть его отличие от технического КПД, который всегда оказывается меньше из-за различных потерь, сопровождающих работу реальных машин.
Если направление обхода цикла изменить на противоположное, то работы и количества теплоты на всех его этапах изменят знак. Такой цикл называется обратным. При прохождении обратного цикла полная работа А обр, совершенная рабочим телом, отрицательна А обр = - А (внешние силы, действующие на систему, совершают положительную работу А ). Система получает положительное количество тепла от холодильника и отдает тепло нагревателю.
По обратному циклу работают холодильные машины. Они потребляют механическую энергию, отнимают тепло у сравнительно холодного тела и передают тепло более нагретому телу. Если целью работы машины является нагревание более теплого тела (например, повышение температуры воздуха в комнате за счет тепла, отобранного у уличного воздуха) она называется тепловым насосом. Его эффективность определяется производительностью теплового насоса x Т.Н, которая равна отношению количества теплоты, полученной нагреваемым телом, к затрачиваемой на это работе
.
Полезный эффект превышает затраченную работу, x Т..Н > 1, но никакого нарушения закона сохранения энергии здесь, конечно, нет. Работа внешних сил не превращается в тепло, а обеспечивает «перекачку» тепла от тела менее нагретого к телу более нагретому.
Если ставится задача отбора тепла у более холодного тела, машину называют холодильным агрегатом. Ее эффективность характеризуется холодильным коэффициентом x Х, равным отношению отобранного тепла к затраченной работе
.
Коэффициенты x Т.Н и x Х используются, в основном, в технических приложениях термодинамики.
Из различных циклических процессов особое значение в термодинамике имеет цикл Карно. Он состоит из двух изотерм (a-b и c-d) и двух адиабат (b-c и d-a) (рис 8.3).
Рис. 8.3
|
Найдем КПД цикла Карно, рабочим веществом которого является один моль идеального газа. На участке а-b рабочее тело находится в тепловом контакте с нагревателем, имеющим температуру Т 1 . Производится квазистатическое изотермическое расширение от объема V a до объема V b . При этом газ получает от нагревателя количество тепла Q ab . Так как внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры и при изотермическом процессе не меняется, то, согласно первому началу термодинамики,
На этапе b-c происходит адиабатическое (Q bc = 0) расширение газа. Его температура при этом понижается. Когда она достигнет температуры холодильника Т 2 , газ приводится в тепловой контакт с холодильником, и начинается процесс изотермического сжатия c-d. Газ при этом совершает отрицательную работу А cd и получает отрицательное количество тепла Q cd (отдает холодильнику положительное количество тепла)
Из проведенного рассмотрения этапов цикла видно, что положительное количество тепла газ получает только на участке a-b, т.е. Q 1 = Q ab . Отрицательное количество тепла газ получает на участке c-d, значит отданное холодильнику тепло Q 2 =- Q cd . Тогда КПД цикла
.
Запишем уравнения адиабат b-c и d-a, учитывая, что Т а = Т b = T 1 , T c = T d = T 2 ,
.
Разделив одно уравнение на другое, получим 
. Тогда КПД цикла Карно для идеального газа
. (8.2)
Отметим, что из выражения для КПД, записанного в виде , следует
. (8.3)
Соотношение (8.3) представляет собой частный случай равенства Клаузиуса (подробнее см. § 13).
Мы, как простые обыватели, редко задумываемся над тем, как работают тепловые двигателя, и уж тем более - не пытаемся вникнуть в суть происходящего внутри этих самых двигателей с точки зрения термодинамики. Среднестатистические познания механиков и техников ограничиваются тем, что, вроде как, что-то там внутри сгорает, и благодаря этому начинают шевелиться поршни (в простонародье - "поршня") , вращая другие детали и, как говорится, "процесс пошел".
Но, как всегда, среди людского роду-племени находятся наиболее дотошные представители, которым просто необходимо знать, как на самом деле все происходит и от чего все зависит. Наверное, на этих "дотошных" и "вездесущих", как на ветках деревьев и произрастают плоды, вскармливающие науку.
Итак, давайте попробуем разобраться - как же работает тепловой двигатель, и от чего зависит его эффективность?
Немного теории.
Тепловым двигателем называют такую машину, которая способна преобразовывать энергию тепла в энергию механического движения.
Т. е. внутри этих механизмов, представляющих собой систему, что-то начинает вращаться, перемещаться и кувыркаться, если каким-либо образом изменить температуру внутри этой самой системы (как правило, тепло подводят к рабочему телу, которое чаще всего по ряду "уважительных" причин является газом)
.
Ну и еще немного - все двигатели подразделяют, по большому счету, на двигатели внутреннего сгорания и двигатели внешнего сгорания.
У первых подвод тепла к элементу системы совершается внутри двигателя, у вторых - где-то снаружи. Забегая вперед, приведем пример: к двигателям внешнего сгорания относят, в частности, паровые двигатели, в которых тепло к рабочему телу (льду, воде или пару или какой-либо жидкости)
подводится вне двигателя, путем сжигания какого-нибудь топлива (угля, мазута, дров и т. п.)
в отдельно расположенной топке под емкостью (котлом)
с рабочим телом. Потом разогретое рабочее тело вводится в тепловой двигатель (поступает в цилиндр)
, и совершает полезную работу, отдавая при этом теплоту.
К двигателям внутреннего сгорания (ДВС)
относятся (например)
всем с детства знакомые дизели и карбюраторные двигатели, у которых рабочее тело сжигается и выделяет тепло внутри системы (в цилиндре)
.
И в том и в другом случае речь идет о термодинамических процессах, т.е. процессах, вызывающих температурные колебания (или вызываемых температурными колебаниями)
внутри системы.
В общем случае суть происходящего с точки зрения современной термодинамики описана .
В начале XIX века талантливым французским инженером Сади Карно (1796-1832)
были изучены термодинамические процессы, имеющие место в тепловых машинах, использующих в качестве рабочего тела идеальный газ. При этом все процессы в машинах рассматривались им как равновесные (обратимые)
.
Обратимый процесс
– это такой процесс, который протекает настолько медленно, что его можно рассматривать как последовательный переход от одного равновесного состояния к другому и т. д., причём весь этот процесс можно провести в обратном направлении без изменения совершённой работы и переданного количества теплоты. (Следует отметить, что все реальные процессы необратимы).
Целью исследований Карно было определение условий, при которых можно получить максимальную работу из теплоты, подведенной к тепловой машине, т. е. наиболее эффективно преобразовать тепловую энергию в механическую.
В конце XVIII – начале XIX века единственным типом тепловых машин, используемых человечеством в практических целях, являлись двигатели внешнего сгорания – т. е. паровые машины. КПД этих машин был чрезвычайно низким – не более 2 %
, при этом не существовало какой-либо убедительной теории, указывающей пути к повышению их эффективности.
Карно провел тщательный анализ различных способов преобразования теплоты в работу на примере идеализированной модели поршневой паровой машины, при этом результаты и выводы, сделанные им, оказались справедливыми для любого типа машин, использующими тепловую энергию для выполнения механической работы.
В результате теоретических умозаключений Карно пришел к выводу, что максимального эффекта от преобразования теплоты в механическую энергию можно достичь, используя круговой цикл, состоящий из четырех последовательных процессов - изотермического, адиабатного, изотермического и опять адиабатного, который завершал цикл, возвращая систему к исходному состоянию.
Эта последовательность термодинамических процессов в тепловой машине получила название идеальный цикл Карно
.
Изготовить реальный двигатель, преобразующий энергию тепла в механическую энергию строго по циклу, предложенному Карно, невозможно по технологическим причинам, поэтому цикл Карно считается неосуществимым и идеальным.
Николя Леонар Сади Карно считается одним из основателей термодинамики. В 28 лет он написал единственный дошедший до потомков труд - «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», в которой изложил принципиально новые для того времени взгляды на процессы в тепловых машинах, нашедшие отражение во втором законе термодинамики.
Сади Карно ввел в научную терминологию основные понятия термодинамики - идеальная тепловая машина, идеальный цикл, обратимость и необратимость термодинамических процессов.
В начале XIX века использовались лишь примитивные паровые машины, КПД которых не превышал несколько процентов, поскольку не существовало теории, способной разъяснить способы повышения эффективности использования тепловой энергии в двигателях. Работа Карно послужила первым путеводителем для инженеров в поисках эффективного использования теплоты в двигателях.
Карно умер совсем молодым, в возрасте 36 лет от заболевания холерой.
Поскольку в те годы холера считалась ужасным и неизлечимым недугом, тела и вещи умерших полагалось сжигать. Наверняка в огне погибли многие ценные труды этого талантливейшего инженера. Чудом уцелели лишь ставшие знаменитыми «Размышления о движущих силах огня…», которые этот самый огонь, уничтоживший все прочие труды Карно и его безжизненное тело, пожалел...
Последовательность процессов в цикле Карно
Рассмотрим предложенную Карно последовательность термодинамических процессов, получившую название идеальный цикл Карно.
Как известно, механическая работа может совершаться термодинамической системой лишь в том случае, когда протекает процесс, сопровождающийся изменением объема рабочего тела, т. е. изотермический, изобарный или адиабатный. При этом вся тепловая энергия может быть преобразована в работу лишь при изотермическом процессе (при изобарном и адиабатном процессе часть теплоты расходуется на изменение внутренней энергии рабочего тела)
.
При изохорном процессе (протекающем при неизменном объеме рабочего тела) превращения теплоты в механическую работу исключается.
В исходном состоянии идеального цикла Карно рабочее тело (идеальный газ)
имеет некоторые параметры p 1
, V 1
, T 1
.
К рабочему телу от внешнего источника, называемого нагревателем
, подводится теплота, которую система (тепловая машина)
начинает использовать по изотермическому процессу.
Как отмечалось выше, при изотермическом процессе переменными являются два основных параметра рабочего тела - давление и объем, соотношение между которым обратно пропорционально (закономерность Бойля-Мариотта)
. При этом вся подведенная к рабочему телу теплота расходуется исключительно на совершение механической работы; внутренняя энергия рабочего тела остается неизменной и затрат теплоты, полученной от внешнего нагревателя, не требует. Поэтому выбор первого термодинамического процесса в цикле Карно по изотерме вполне логичен - это позволяет максимально использовать полученное от нагревателя тепло для выполнения механической работы.
По окончании изотермического процесса рабочее тело имеет параметры p 2
, V 2
, T 1
.
Этот процесс цикла Карно на диаграмме (рис. 1)
обозначен цифрами 1-2
.
Поскольку цикл Карно является обратимым и круговым, т. е. все протекающие в нем термодинамические процессы должны возвращать рабочее тело к исходным параметрам, становится очевидным, что в цикле должен присутствовать еще хотя бы один изотермический процесс. При этом его течение должно сопровождаться охлаждением рабочего тела, т. е. передачей теплоты от системы во внешнюю среду, иначе к точке с начальными параметрами не вернуться. Если сразу после первого процесса запустить второй изотермический процесс, то суммарная работа цикла будет минимальна, поскольку площадь графика, характеризующая выполненную системой механическую работу (на рис. 1 заштрихована) будет мала или вообще равна нулю (если прямая и обратная изотермы совпадают) .
По этой причине С. Карно в качестве второго термодинамического процесса для своего цикла применил адиабатный процесс, протекающий без теплообмена системы с внешней средой. При этом работа выполняется за счет изменения внутренней энергии рабочего тела, которое продолжает расширяться и охлаждаться до температуры Т 2
. На диаграмме цикла Карно этот участок заключен между цифрами 2-3
.
Использование адиабатного процесса вслед за изотермическим позволяет получить от системы некоторую механическую работу уже без подвода теплоты от нагревателя, за счет использования внутренней энергии рабочего тела.
Параметры рабочего тела по окончанию этого процесса - p 3
, V 3
, T 2
.
Следующим звеном цикла Карно является второй изотермический процесс, который, как уже рассматривалось выше, должен быть отрицательным, т. е. сопровождаться передачей тепла от рабочего тела во внешнюю среду другому телу, называемому в данном случае холодильником
.
На диаграмме цикла этот процесс обозначен цифрами 3-4
.
Течение процесса сопровождается уменьшением объема и увеличением давления рабочего тела (сжатием)
, при этом его температура остается постоянной за счет отдачи тепла холодильнику.
Параметры рабочего тела по окончании этого процесса - p 4
, V 4
, T 2
.
Заключительный процесс цикла Карно, возвращающий систему в исходное состояние с начальными параметрами p 1
, V 1
, T 1
- адиабатный.
Передача тепла холодильнику прекращается. При этом рабочее тело продолжает уменьшаться в объеме (сжиматься)
, за счет совершения над ним некоторой внешней работы, которая для процесса является отрицательной.
Внутренняя энергия рабочего тела при этом увеличивается, поскольку часть внешней работы расходуется на его нагрев.
Этот процесс на диаграмме обозначен цифрами 4-1
.
Анализ полученной Карно круговой p-V диаграммы цикла показывает, что системой выполнена механическая работа, величина которой характеризуется площадью, заключенной между кривой, ограниченной точками 1-2-3 и кривой, ограниченной точками 3-4-1 . При этом вся выполненная системой работа будет равна сумме работ, выполненных в течение каждого из четырех последовательных термодинамических процессов, перечисленных выше.
Очевидно, что работа, выполненная рабочим телом в течение прямого и обратного адиабатных процессов равна по величине, но имеет разный знак (положительная в первом процессе, и отрицательная во втором) , т. е. сумма этих работ равна нулю. А работа, выполненная в течение прямого изотермического процесса больше, чем работа, совершенная во время обратного изотермического процесса.
Графически это поясняется разной площадью диаграммы, заключенной между абсциссой и соответственно первой и второй изотермой. Чем выше расположена первая изотерма на диаграмме относительной второй (обратной)
изотермы, тем большую работу совершит рабочее тело.
Если рассмотреть T-V
диаграмму процесса, то она будет представлять плоскую фигуру (например, ромб)
, в которой две изотермы (прямая и обратная)
параллельны одной из осей (температурной)
, а адиабаты будут параллельны друг другу.
Из этого следует, что выполненная системой полезная работа будет тем больше, чем больше разница между температурой нагревателя и температурой холодильника, т. е. чем больше перепад температур между Т 1 и Т 2 (расстояние между верхней и нижней изотермой на T-V диаграмме) .
Математический анализ предложенной Сади Карно модели идеального цикла показывает, что максимальный термический КПД тепловой машины может быть определен из соотношения:
η t = 1 – T 2 /T 1 ;
где: Т 1 и Т 2 – температура рабочего тела (газа) соответственно в начале и конце цикла.
Эта простая формула позволяет сделать два основных вывода - о пути повышения КПД тепловых машин и о том, что невозможно создать тепловую машину, коэффициент полезного действия которой будет равен единице, т. е. 100 %. Действительно – дробь Т 2 /Т 1 может быть равна нулю лишь в том случае, если ее числитель равен нулю, либо знаменатель равен бесконечности. И то и другое – нереально, поскольку невозможно охладить материальное тело до температуры абсолютного нуля, и невозможно начальную температуру рабочего тела сделать бесконечной, поскольку само понятие тела в этом случае потеряет смысл; кроме того - невозможно изготовить реальный двигатель, детали и узлы которого способны выдержать такую температуру.
Цикл Карно является эталоном, к которому стремятся инженеры, проектирующие тепловые машины. В условиях реальных температур, верхний предел которых определяется прочностью материалов, а нижний соответствует температуре окружающей среды, термический КПД цикла Карно может достигать величины 0,7…0,8.
Любой реальный тепловой двигатель будет тем совершеннее, чем ближе его КПД к расчетному КПД цикла Карно, протекающего в тех же температурных границах.
Современные реалии предполагают широкую эксплуатацию тепловых двигателей. Многочисленные попытки замены их на электродвигатели пока претерпевают неудачу. Проблемы, связанные с накоплением электроэнергии в автономных системах, решаются с большим трудом.
Все еще актуальны проблемы технологии изготовления аккумуляторов электроэнергии с учетом их длительного использования. Скоростные характеристики электромобилей далеки от таковых у авто на двигателях внутреннего сгорания.
Первые шаги по созданию гибридных двигателей позволяют существенно уменьшить вредные выбросы в мегаполисах, решая экологические проблемы.
Немного истории
Возможность превращения энергии пара в энергию движения была известна еще в древности. 130 год до нашей эры: Философ Герон Александрийский представил на суд зрителей паровую игрушку - эолипил. Сфера, заполненная паром, приходила во вращение под действием исходящих из нее струй. Этот прототип современных паровых турбин в те времена не нашел применения.
Долгие годы и века разработки философа считались лишь забавной игрушкой. В 1629 г. итальянец Д. Бранки создал активную турбину. Пар приводил в движение диск, снабженный лопатками.
С этого момента началось бурное развитие паровых машин.
Тепловая машина
Основные части машин: нагреватель (система получения энергии извне), рабочее тело (совершает полезное действие), холодильник.
Нагреватель предназначен для того, чтобы рабочее тело накопило достаточный запас внутренней энергии для совершения полезной работы. Холодильник отводит излишки энергии.
Основной характеристикой эффективности называют КПД тепловых машин. Эта величина показывает, какая часть затраченной на нагревание энергии расходуется на совершение полезной работы. Чем выше КПД, тем выгоднее работа машины, но эта величина не может превышать 100%.
Расчет коэффициента полезного действия
Пусть нагреватель приобрел извне энергию, равную Q 1 . Рабочее тело совершило работу A, при этом энергия, отданная холодильнику, составила Q 2 .
Исходя из определения, рассчитаем величину КПД:
η= A / Q 1 . Учтем, что А = Q 1 - Q 2.
Отсюда КПД тепловой машины, формула которого имеет вид η= (Q 1 - Q 2)/ Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, позволяет сделать следующие выводы:
- КПД не может превышать 1 (или 100%);
- для максимального увеличения этой величины необходимо либо повышение энергии, полученной от нагревателя, либо уменьшение энергии, отданной холодильнику;
- увеличения энергии нагревателя добиваются изменением качества топлива;
- уменьшения энергии, отданной холодильнику, позволяют добиться конструктивные особенности двигателей.
Идеальный тепловой двигатель
Возможно ли создание такого двигателя, коэффициент полезного действия которого был бы максимальным (в идеале - равным 100%)? Найти ответ на этот вопрос попытался французский физик-теоретик и талантливый инженер Сади Карно. В 1824 его теоретические выкладки о процессах, протекающих в газах, были обнародованы.
Основной идеей, заложенной в идеальной машине, можно считать проведение обратимых процессов с идеальным газом. Начинаем с расширения газа изотермически при температуре T 1 . Количество теплоты, необходимой для этого, - Q 1. После газ без теплообмена расширяется Достигнув температуры Т 2 , газ сжимается изотермически, передавая холодильнику энергию Q 2 . Возвращение газа в первоначальное состояние производится адиабатно.
КПД идеального теплового двигателя Карно при точном расчете равен отношению разности температур нагревательного и охлаждающего устройств к температуре, которую имеет нагреватель. Выглядит это так: η=(T 1 - Т 2)/ T 1.
Возможный КПД тепловой машины, формула которого имеет вид: η= 1 - Т 2 / T 1 , зависит только от значения температур нагревателя и охладителя и не может быть более 100%.
Более того, это соотношение позволяет доказать, что КПД тепловых машин может быть равен единице только при достижении холодильником температур. Как известно, это значение недостижимо.
Теоретические выкладки Карно позволяют определить максимальный КПД тепловой машины любой конструкции.
Доказанная Карно теорема звучит следующий образом. Произвольная тепловая машина ни при каких условиях не способна иметь коэффициент полезного действия больше аналогичного значения КПД идеальной тепловой машины.
Пример решения задач
Пример 1. Каков КПД идеальной тепловой машины, в случае если температура нагревателя составляет 800 о С, а температура холодильника на 500 о С ниже?
T 1 = 800 о С= 1073 К, ∆T= 500 о С=500 К, η - ?
По определению: η=(T 1 - Т 2)/ T 1.
Нам не дана температура холодильника, но ∆T= (T 1 - Т 2), отсюда:
η= ∆T / T 1 = 500 К/1073 К = 0,46.
Ответ: КПД = 46%.
Пример 2. Определите КПД идеальной тепловой машины, если за счет приобретенного одного килоджоуля энергии нагревателя совершается полезная работа 650 Дж. Какова температура нагревателя тепловой машины, если температура охладителя - 400 К?
Q 1 = 1 кДж=1000 Дж, А = 650 Дж, Т 2 = 400 К, η - ?, T 1 = ?
В данной задаче речь идет о тепловой установке, КПД которой можно вычислить по формуле:
Для определения температуры нагревателя воспользуемся формулой КПД идеальной тепловой машины:
η = (T 1 - Т 2)/ T 1 = 1 - Т 2 / T 1.
Выполнив математические преобразования, получим:
Т 1 = Т 2 /(1- η).
Т 1 = Т 2 /(1- A / Q 1).
Вычислим:
η= 650 Дж/ 1000 Дж = 0,65.
Т 1 = 400 К /(1- 650 Дж/ 1000 Дж) = 1142,8 К.
Ответ: η= 65%, Т 1 = 1142,8 К.
Реальные условия
Идеальный тепловой двигатель разработан с учетом идеальных процессов. Работа совершается только в изотермических процессах, ее величина определяется как площадь, ограниченная графиком цикла Карно.
В действительности создать условия для протекания процесса изменения состояния газа без сопровождающих его изменений температуры невозможно. Нет таких материалов, которые исключили бы теплообмен с окружающими предметами. Адиабатный процесс осуществить становится невозможно. В случае теплообмена температура газа обязательно должна меняться.
КПД тепловых машин, созданных в реальных условиях, значительно отличаются от КПД идеальных двигателей. Заметим, что протекание процессов в реальных двигателях происходит настолько быстро, что варьирование внутренней тепловой энергии рабочего вещества в процессе изменения его объема не может быть скомпенсировано притоком количества теплоты от нагревателя и отдачей холодильнику.
Иные тепловые двигатели
Реальные двигатели работают на иных циклах:
- цикл Отто: процесс при неизменном объеме меняется адиабатным, создавая замкнутый цикл;
- цикл Дизеля: изобара, адиабата, изохора, адиабата;
- процесс, происходящий при постоянном давлении, сменяется адиабатным, замыкает цикл.
Создать равновесные процессы в реальных двигателях (чтобы приблизить их к идеальным) в условиях современной технологии не представляется возможным. КПД тепловых машин значительно ниже, даже с учетом тех же температурных режимов, что и в идеальной тепловой установке.
Но не стоит уменьшать роль расчетной формулы КПД поскольку именно она становится точкой отсчета в процессе работы над повышением КПД реальных двигателей.
Пути изменения КПД
Проводя сравнение идеальных и реальных тепловых двигателей, стоит отметить, что температура холодильника последних не может быть любой. Обычно холодильником считают атмосферу. Принять температуру атмосферы можно только в приближенных расчетах. Опыт показывает, что температура охладителя равна температуре отработанных в двигателях газов, как это происходит в двигателях внутреннего сгорания (сокращенно ДВС).
ДВС - наиболее распространенная в нашем мире тепловая машина. КПД тепловой машины в этом случае зависит от температуры, созданной сгорающим топливом. Существенным отличием ДВС от паровых машин является слияние функций нагревателя и рабочего тела устройства в воздушно-топливной смеси. Сгорая, смесь создает давление на подвижные части двигателя.
Повышения температуры рабочих газов достигают, существенно меняя свойства топлива. К сожалению, неограниченно это делать невозможно. Любой материал, из которого изготовлена камера сгорания двигателя, имеет свою температуру плавления. Теплостойкость таких материалов - основная характеристика двигателя, а также возможность существенно повлиять на КПД.
Значения КПД двигателей
Если рассмотреть температура рабочего пара на входе которой равна 800 К, а отработавшего газа - 300 К, то КПД этой машины равно 62%. В действительности же эта величина не превышает 40%. Такое понижение возникает вследствие тепловых потерь при нагревании корпуса турбин.
Наибольшее значение КПД двигателей внутреннего сгорания не превышает 44%. Повышение этого значения - вопрос недалекого будущего. Изменение свойств материалов, топлива - это проблема, над которой работают лучшие умы человечества.
Рассмотрим обратимый цикл Карно, совершающийся идеальной тепловой машиной.
Цикл Карно состоит из четырех обратимых процессов: двух изотерм и двух адиабат. На рис. 3.10 приведен прямой цикл Карно.
Рис. 3.10
1. Участок 1-2. Идеальный газ, находящийся в цилиндре под поршнем, в процессе изотермического расширения (Т 1 =сonst) приводится в тепловой контакт с нагревателем, который передает идеальному газу теплоту Q 1 .
2. Участок 2-3. В состоянии 2 газ полностью теплоизолируется от нагревателя. Происходит адиабатическое расширение его, и температура понижается до Т 2 .
3. Участок 3-4. В состоянии 3 идеальный газ приводится в контакт с холодильником. Происходит изотермическое сжатие (Т 2 = сonst), при котором идеальный газ передает холодильнику теплоту Q 2 .
4. Участок 4-1. В состоянии 4 газ теплоизолируется от холодильника. Затем происходит адиабатическое сжатие. Температура газа повышается до Т 1 .
Динамику термодинамических процессов можно пронаблюдать в компьютерной модели "Цикл Карно".
Компьютерная модель "Цикл Карно"
Модель предназначена для изучения обратимого циклического процесса в идеальном газе, состоящего из двух изотерм и двух адиабат (цикл Карно). При обходе цикла Карно рабочее вещество последовательно приводится в тепловой контакт с двумя тепловыми резервуарами – нагревателем и холодильником. В модели можно изменять температуры T 1 и T 2 нагревателя и холодильника. Приводится энергетическая диаграмма, на которой представлены количество полученной газом теплоты Q , совершенная работа A и изменение ΔU внутренней энергии.
Запомните, что тепловая машина, работающая по циклу Карно, обладает при заданных температурах нагревателя и холодильника максимальным коэффициентом полезного действия.
Работа, совершаемая рабочим телом за цикл,
где Т 1 - температура нагревателя; Т 2 - температура холодильника.
Формула (3.50) выражает первую теорему Карно:
Коэффициент полезного действия идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя и холодильника; не зависит от устройства машины и вида рабочего тела.
Для реальной тепловой машины (согласно второй теореме Карно):
Коэффициент полезного действия всякой тепловой машины, работающей по циклу Карно с теми же температурами нагревателя и холодильника, что и идеальная тепловая машина, не может превосходить КПД идеальной машины,
т.е. КПД находится по формуле
|
. |
(3.51) |
По прямому циклу Карно работают двигатели внутреннего сгорания, дизели и т.д. Рассмотрим обратный цикл Карно. Работа газа за цикл А = (Q 1 - Q 2) < 0, где Q 1 < 0 - теплота, отводимая от холодильника; Q 2 > 0 - теплота, подводимая к газу при Т 2 < Т 1 .
Передача тепла от холодного тела к горячему происходит за счет работы внешних сил.
КПД идеальной тепловой машины, работающей по обратному циклу Карно,
По обратному циклу Карно работают все холодильные машины.
где T 1 - абсолютная температура нагревателя, а Т 2 - абсолютная температура холодильника. Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному - важнейшая техническая задача.
Коэффициент полезного действия тепловой машины
Рабочее тело, получая некоторое количество теплоты Q 1 от нагревателя, часть этого количества теплоты, по модулю равную |Q2|,отдает холодильнику. Поэтому совершаемая работа не может быть больше A = Q 1
- |Q 2 |.
Отношение этой работы к количеству теплоты, полученному расширяющимся газом от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия
тепловой машины:
Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по замкнутому циклу, всегда меньше единицы. Задача теплоэнергетики состоит в том, чтобы сделать КПД как можно более высоким, т. е. использовать для получения работы как можно большую часть теплоты, полученной от нагревателя. Как этого можно достигнуть? Впервые наиболее совершенный циклический процесс, состоящий из изотерм и адиабат, был предложен французским физиком и инженером С. Карно в 1824 г.
42.Энтропия. Второй закон термодинамики.
Энтропи́я в естественных науках - мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов. В частности, в статистической физике - мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния; в теории информации - мера неопределённости какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы, а значит и количество информации; в исторической науке, для экспликации феномена альтернативности истории (инвариантности и вариативности исторического процесса).
Энтропия в информатике - степень неполноты, неопределённости знаний.
Понятие энтропии впервые было введено Клаузиусом в термодинамике в 1865 году для определения меры необратимого рассеивания энергии, меры отклонения реального процесса от идеального. Определённая как сумма приведённых теплот, она является функцией состояния и остаётся постоянной при обратимых процессах, тогда как внеобратимых - её изменение всегда положительно.
,
где dS - приращение энтропии; δQ - минимальная теплота подведенная к системе; T - абсолютная температура процесса;
Употребление в различных дисциплинах
§ Термодинамическая энтропия - термодинамическая функция, характеризующая меры неупорядоченности системы, то есть неоднородности расположения движения её частиц термодинамической системы.
§ Информационная энтропия - мера неопределённости источника сообщений, определяемая вероятностями появления тех или иных символов при их передаче.
§ Дифференциальная энтропия - энтропия для непрерывных распределений
§ Энтропия динамической системы - в теории динамических систем мера хаотичности в поведении траекторий системы.
§ Энтропия отражения - часть информации о дискретной системе, которая не воспроизводится при отражении системы через совокупность своих частей.
§ Энтропия в теории управления - мера неопределённости состояния или поведения системы в данных условиях.
Энтропия - функция состояния системы, равная в равновесном процессе количеству теплоты, сообщённой системе или отведённой от системы, отнесённому к термодинамической температуре системы.
Энтропия - функция, устанавливающая связь между макро- и микро- состояниями; единственная функция в физике, которая показывает направленность процессов. Энтропия - функция состояния системы, которая не зависит от перехода из одного состояния в другое, а зависит только от начального и конечного положения системы.
Второе начало термодинамики - физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами.
Второе начало термодинамики гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.
Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не должна равняться 0.
Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.
43.Эффективное сечение рассеяния. Средняя длина свободного пробега молекул.
Средняя длина свободного пробега молекул
Предположим, что все молекулы, кроме рассматриваемой, неподвижны. Молекулы будем считать шарами с диаметром d. Столкновения будут происходить всякий раз, когда центр неподвижной молекулы окажется на расстоянии меньшем или равном d от прямой, вдоль которой двигается центр рассматриваемой молекулы. При столкновениях молекула изменяет направление своего движения и затем движется прямолинейно до следующего столкновения. Поэтому центр движущейся молекулы ввиду столкновений движется по ломаной линии (рис. 1).
| рис. 1 |
Молекула столкнется со всеми неподвижными молекулами, центры которых находятся в пределах ломаного цилиндра диаметром 2d. За секунду молекула проходит путь, равный . Поэтому число происходящих за это время столкновений равно числу молекул, центры которых попадают внутрь ломаного цилиндра, имеющего суммарную длину и радиус d. Его объем примем равным объему соответствующего спрямленного цилиндра, т. е. равным Если в единице объема газа находится n молекул, то число столкновений рассматриваемой молекулы за одну секунду будет равно
Для идеального газа . Поэтому
 | (3.1.10) |
Отсюда видно, что при изотермическом расширении (сжатии) средняя длина свободного пробега растет (убывает).Как было отмечено во введении, эффективный диаметр молекул убывает с ростом температуры. Поэтому при заданной концентрации молекул средняя длина свободного пробега увеличивается с ростом температуры.Вычисление средней длины свободного пробега для азота (d = 3 10 -10 м), находящегося при нормальных условиях (р = 1,01 10 5 Па, Т = 273,15 К) дает: 
, а для числа столкновений за одну секунду: 
. Таким образом, средняя длина свободного пробега молекул при нормальных условиях составляет доли микрон, а число столкновений – несколько миллиардов в секунду. Поэтому процессы выравнивания температур (теплопроводность), скоростей движения слоев газа (вязкое трение) и концентраций (диффузия) являются достаточно медленными, что подтверждается опытом.
Длина свободного пробега молекулы - это среднее расстояние (обозначаемое λ), которое частица пролетает за время свободного пробега от одного столкновения до следующего.
Длина свободного пробега каждой молекулы различна, поэтому в кинетической теории вводится понятие средней длины свободного пробега (<λ>). Величина <λ> является характеристикой всей совокупности молекул газа при заданных значениях давления и температуры.
Где σ - эффективное сечение молекулы, n - концентрация молекул.
