Принцип действия тепловой машины. Цикл Карно 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Принцип действия тепловой машины. Цикл Карно



Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии газа в механическую энергию, называются тепловыми двигателями.

Внутренняя энергия газа, находящегося в цилиндре, двигает поршень при расширении газа и совершает работу. Газ называют рабочим телом. При расширении газа его давление падает и становится равным внешнему давлению. Тогда поршень останавливается, и совершение работы газом прекращается. Для того, чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо, чтобы поршень после расширения газа возвращался в исходное положение, сжимая газ. Это может происходить только под действием внешней силы.

Следовательно, работа теплового двигателя должна состоять из периодически повторяющихся процессов (циклов) расширения и сжатия.

Для того, чтобы работа при сжатии была меньше работы при расширении, необходимо, чтобы давление при сжатии было меньше, чем при расширении. Этого можно достичь, используя разные температуры газа при расширении и при сжатии. Следовательно, тепловая машина должна содержать рабочее тело, нагреватель и холодильник.

КПД тепловой машины

, где – количество теплоты, получаемой газом от нагревателя. = , где - количество теплоты, отдаваемое холодильнику. . Реальный КПД тепловых машин составляет 30-35%.

Наибольшим КПД обладает цикл Карно. hКарно = 66 – 75%. Цикл Карно построен на изотермических и адиабатных процессах (рисунок 20). Цикл Карно состоит из 4 тактов (рисунок 20, рисунок 21).

В первом такте рабочее тело (пар в цилиндре) приводится в соприкосновение с нагревателем, имеющим температуру и изотермически получает от нагревателя количество теплоты . Пар при этом расширяется и совершает работу (отрезок 1-2 рисунок 20, 1 на рисунке 21).

Во втором такте рабочее тело расширяется адиабатически (по адиабате 2-3 рисунок 20, 2 на рисунке 21), совершая работу и охлаждаясь до температуры .

В третьем такте при температуре рабочее тело сжимается изотермически (отрезок 3-4 рисунок 20, 3 на рисунке 21) и отдает количество теплоты холодильнику с температурой .

 
 
Рисунок 20. Цикл Карно

 


Завершается цикл адиабатным процессом (отрезок 4-1 рисунок 20, 4 на рисунке 21) возвращающим рабочее тело в исходное термодинамическое состояние. Рабочее тело сжимается за счет механической энергии, и его температура возрастает до величины .

Рабочее тело за один цикл совершает работу:

Работа А численно равна площади фигуры 1 – 2 – 3 – 4 - 1 ограниченной отрезками изотерм и адиабат (рисунок 20).

КПД: .

Таким образом, КПД цикла Карно зависит от разности температур нагревателя и холодильника.

Н Х

1)

Н – Нагреватель

2) Н Х Х – Холодильник

 

3) Н Х

 

 

4) Н Х

 

Рисунок 21. Схематическая реализация цикла Карно

 

 

Контрольные вопросы:

1. Расскажите о принципах построения теплового двигателя и о его КПД.

2. Расскажите о цикле Карно.

3. От чего зависит КПД цикла Карно?

Необратимые процессы.
Понятие о втором начале термодинамики

Первое начало термодинамики ограничивает получение работы большей, чем затрачено энергии. Тем самым оно исключает возможность создания "вечного двигателя" первого рода. Однако возможны не все процессы, находящиеся в согласии с первым началом термодинамики. Так холодная вода не сможет передать теплоту опущенному в нее горячему телу и нагреть его еще больше. Это явление не противоречит первому началу термодинамики, но в природе такой процесс самопроизвольно не происходит.

Самопроизвольными называют такие процессы, которые происходят без воздействия внешних тел. Самопроизвольные процессы в изолированной системе всегда происходят в направлении перехода от маловероятного состояния к более вероятному состоянию.

Процессы, обратные которым самопроизвольно не происходят, называют необратимыми. Необратимым, например, является процесс заполнения газом всего представленного ему объема. Механические движения, происходящие без трения, обратимы. Реальные же процессы (с учетом трения) необратимы. Так, например, колебания маятника затухают, механическая энергия уменьшается, а температура маятника и окружающей среды увеличивается. Процесс превращения механической энергии во внутреннюю энергию необратим. Необратимость процессов объясняется ничтожно малой вероятностью событий противоположных процессов.

Главная особенность циклического теплового двигателя состоит в том, что рабочее тело обязано отдать часть полученной теплоты холодильнику. Отсюда второе начало термодинамики, высказанное Кельвином в 1851 году: в циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого, было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от источника энергии-нагревателя.

Второе начало термодинамики непосредственно связано с необратимостью процессов в природе, т.к. количество теплоты из холодильника самопроизвольно не может переходить к нагревателю.

Клаузиус сформулировал второе начало термодинамики следующим образом: невозможен процесс, единственным результатом которого была бы самопроизвольная передача энергии от холодного тела к горячему

Второе начало термодинамики применимо лишь к системам, состоящим из очень большого числа частиц. Второе начало термодинамики позволяет понять, почему некоторые источники энергии, находящиеся вокруг нас, бесполезны (энергия воды, атмосферы). Подсчитано, что понижение температуры мирового океана на 1ОС позволило бы получить энергию для современной промышленности на 10 тыс. лет.

Двигатель, который мог бы совершать работу за счет подведенной энергии без холодильника, получил название "Вечный двигатель второго рода". Такой двигатель запрещен вторым началом термодинамики.

Контрольные вопросы:

1. Что такое самопроизвольные и необратимые процессы? Приведите примеры этих процессов.

2. Изложите второе начало термодинамики.

3. Что объясняет второе начало термодинамики?



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2017-02-09; просмотров: 297; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 44.200.196.38 (0.009 с.)