Рабочее тело тепловой машины получило количество

Рабочее тело тепловой машины получило количество

Тепловой двигатель (машина)

Тепловой двигатель (машина) – это устройство, которое совершает механическую работу циклически за счет энергии, поступающей к нему в ходе теплопередачи.

Источником поступающего количества теплоты в реальных двигателях могут быть сгорающее органическое топливо, разогретый Солнцем котел, ядерный реактор, геотермальные воды и т.д.

В настоящее время наиболее распространены два типа двигателей: поршневой двигатель внутреннего сгорания (сухопутный и водный транспорт) и паровая или газовая турбина (энергетика).

Первые тепловые двигатели, широко распространившиеся в промышленности, назывались паровыми машинами. К современным тепловым двигателям можно отнести ракетные и авиационные двигатели.

Модель теплового двигателя и ее составные части

В теоретической модели теплового двигателя рассматриваются три тела: нагреватель, рабочее тело и холодильник.

Нагреватель – тепловой резервуар (большое тело), температура которого постоянна.

В каждом цикле работы двигателя рабочее тело получает некоторое количество теплоты от нагревателя, расширяется и совершает механическую работу. Передача части энергии, полученной от нагревателя, холодильнику необходима для возвращения рабочего тела в исходное состояние.

Так как в модели предполагается, что температура нагревателя и холодильника не меняется в ходе работы теплового двигателя, то при завершении цикла: нагревание-расширение-остывание-сжатие рабочего тела считается, что машина возвращается в исходное состояние.

Для каждого цикла на основании первого закона термодинамики можно записать, что количество теплоты Qнагр, полученное от нагревателя, количество теплоты |Qхол|, отданное холодильнику, и совершенная рабочим телом работа А связаны между собой соотношением:

В реальных технических устройствах, которые называются тепловыми машинами, рабочее тело нагревается за счет тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Так, в паровой турбине электростанции нагревателем является топка с горячим углем. В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) продукты сгорания можно считать нагревателем, а избыток воздуха – рабочим телом. В качестве холодильника в них используется воздух атмосферы или вода природных источников.

КПД теплового двигателя (машины)

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД) называется отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше единицы и выражается в процентах. Невозможность превращения всего количества теплоты, полученного от нагревателя, в механическую работу является платой за необходимость организации циклического процесса и следует из второго закона термодинамики.

В реальных тепловых двигателях КПД определяют по экспериментальной механической мощности N двигателя и сжигаемому за единицу времени количеству топлива. Так, если за время t сожжено топливо массой m и удельной теплотой сгорания q, то

Для транспортных средств справочной характеристикой часто является объем V сжигаемого топлива на пути s при механической мощности двигателя N и при скорости . В этом случае, учитывая плотность r топлива, можно записать формулу для расчета КПД:

Второй закон термодинамики

Существует несколько формулировок второго закона термодинамики. Одна из них гласит, что невозможен тепловой двигатель, который совершал бы работу только за счет источника теплоты, т.е. без холодильника. Мировой океан мог бы служить для него, практически, неисчерпаемым источником внутренней энергии (Вильгельм Фридрих Оствальд, 1901).

Другие формулировки второго закона термодинамики эквивалентны данной.

Формулировка Клаузиуса (1850): невозможен процесс, при котором тепло самопроизвольно переходило бы от тел менее нагретых к телам более нагретым.

Формулировка Томсона (1851): невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет уменьшения внутренней энергии теплового резервуара.

Читайте также:  Прицеп своими руками чертежи размеры

Формулировка Клаузиуса (1865): все самопроизвольные процессы в замкнутой неравновесной системе происходят в таком направлении, при котором энтропия системы возрастает; в состоянии теплового равновесия она максимальна и постоянна.

Формулировка Больцмана (1877): замкнутая система многих частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное. Невозможен самопроизвольный выход системы из положения равновесия. Больцман ввел количественную меру беспорядка в системе, состоящей из многих тел – энтропию.

КПД теплового двигателя с идеальным газом в качестве рабочего тела

Если задана модель рабочего тела в тепловом двигателе (например, идеальный газ), то можно рассчитать изменение термодинамических параметров рабочего тела в ходе расширения и сжатия. Это позволяет вычислить КПД теплового двигателя на основании законов термодинамики.

На рисунке показаны циклы, для которых можно рассчитать КПД, если рабочим телом является идеальный газ и заданы параметры в точках перехода одного термодинамического процесса в другой.

Изобарно-изохорный

Изохорно-адиабатный

Изобарно-адиабатный

Изобарно-изохорно-изотермический

Изобарно-изохорно-линейный

Цикл Карно. КПД идеального теплового двигателя

Наибольшим КПД при заданных температурах нагревателя Tнагр и холодильника Tхол обладает тепловой двигатель, где рабочее тело расширяется и сжимается по циклу Карно (рис. 2), график которого состоит из двух изотерм (2–3 и 4–1) и двух адиабат (3–4 и 1–2).

Теорема Карно доказывает, что КПД такого двигателя не зависит от используемого рабочего тела, поэтому его можно вычислить, используя соотношения термодинамики для идеального газа:

Экологические последствия работы тепловых двигателей

Интенсивное использование тепловых машин на транспорте и в энергетике (тепловые и атомные электростанции) ощутимо влияет на биосферу Земли. Хотя о механизмах влияния жизнедеятельности человека на климат Земли идут научные споры, многие ученые отмечают факторы, благодаря которым может происходить такое влияние:

  1. Парниковый эффект – повышение концентрации углекислого газа (продукт сгорания в нагревателях тепловых машин) в атмосфере. Углекислый газ пропускает видимое и ультрафиолетовое излучение Солнца, но поглощает инфракрасное излучение, идущее в космос от Земли. Это приводит к повышению температуры нижних слоев атмосферы, усилению ураганных ветров и глобальному таянию льдов.
  2. Прямое влияние ядовитых выхлопных газов на живую природу (канцерогены, смог, кислотные дожди от побочных продуктов сгорания).
  3. Разрушение озонового слоя при полетах самолетов и запусках ракет. Озон верхних слоев атмосферы защищает все живое на Земле от избыточного ультрафиолетового излучения Солнца.

Выход из создающегося экологического кризиса лежит в повышении КПД тепловых двигателей (КПД современных тепловых машин редко превышает 30%); использовании исправных двигателей и нейтрализаторов вредных выхлопных газов; использовании альтернативных источников энергии (солнечные батареи и обогреватели) и альтернативных средств транспорта (велосипеды и др.).

Задание 9. Рабочее тело тепловой машины с КПД 10 % совершает за один цикл работу 50 кДж. Какое количество теплоты отдаёт рабочее тело холодильнику за цикл?

КПД теплового двигателя в цикле Карно описывается выражением

,

где A – работа, совершенная газом за цикл; Q1 — количество теплоты, получаемое от нагревателя; Q2 — количество теплоты, отданное холодильнику. Отсюда получаем, что

кДж,

а количество теплоты, отданное рабочему телу холодильника за цикл, равно:

кДж.

2.1.1. Газ как рабочее тело

Читайте также:  Обкатка нива шевроле сколько

Выше было показано, что для непрерывного взаимного преобразования теплоты и работы необходимо иметь, кроме источника теплоты и теплоприемника, вспомогательное тело, которое воспринимает энергию в одной форме и в результате кругового процесса преобразует ее некоторую часть в другую форму. Это вспомогательное тело называют р а б о ч и мт е л о м.

В качестве рабочих тел тепловых машин необходимо использовать вещества, обладающие свойством сжимаемости. Это требование вытекает из того, что цикл тепловых машин обязательно включает в себя процессы, связанные с изменением объема рабочего тела, например, расширение продуктов сгорания в ДВС, сжатие фреона в компрессоре холодильной машины и т.п. В табл.3 и табл. 4 Приложения приведены свойства некоторых газов, используемых в качестве рабочих тел.

Рабочим телом современных теплоэнергетических установок являются однородный газ или газовые смеси. В ряде случаев протекание процессов связано с рабочим телом многофазового состава. Так, например, в испарителе холодильной машины хладагент находится в парожидкостном состоянии. Рабочее тело часто включает вещества, способные вступать друг с другом в химические реакции. В общем случае фазовые переходы и химические реакции сопровождаются тепловым и механическим взаимодействием с внешней средой, поэтому для их анализа используются общие методы термодинамики. Расчеты циклов энергетических установок существенно упрощаются, если реальный газ рассматривать как идеальный.

Под идеальным понимают газ, в котором силы межмолекулярного взаимодействия отсутствуют, а сами молекулы рассматриваются как материальные точки.

Все реальные газы при высоких температурах и малых давлениях почти полностью подходят под понятие идеального газа, и по своим свойствам практически не отличаются от него. Введение понятия идеального газа позволило получить простые математические зависимости между параметрами состояния и создать стройную теорию термодинамических процессов. Рассмотрим некоторые свойства газов и газовых смесей.

Уравнения состояния идеального газа

Функциональную связь между термодинамическими параметрами идеального газа впервые получил в 1834 г. французский физик Б. Клапейрон, использовавший при этом свойства газов, открытые англичанином Р. Бойлем и французом Ж. Гей-Люссаком.

Р. Бойль в 1662г. экспериментально установил следующую законо -мерность:

при одной и той же температуре удельный объем идеального газа изменяется обратно пропорционально изменению его давления, т.е.

p v = . (2.1)

Независимо от Р.Бойля эту же закономерность в 1676 г. получил французский физик Э. Мариотт, поэтому выражение (2.1) именуют законом Бойля-Мариотта.

Ж. Гей-Люссак в 1802 г. опытным путем установил, что

при одном и том же давлении удельный объем идеального газа изменяется прямо пропорционально изменению его абсолютной температуры, т.е.

. ( 2.2)

Рассмотрим два состояния 1 кг идеального газа. Первое состояние ) соответствует нормальным физическим условиям и характеризуется параметрами p, v, T; второе состояние (C ) – произвольное, имеющее параметры p, v, T. Изобразим графически функцию (2.1) в координатах pv при температурах T = const и T = cоnst. Любая точка из полученных кривых изображает состояние газа, характеризуемое тремя конкретными параметрами (давлением, удельным объемом и температурой). Эти состояния изображены на рис. 2.1

Используя закономерность Бойля- Мариотта, выразим р через р и v.

где v ‘ – удельный объем газа при давлении p и температуре T.

Из закона Гей-Люссака следует, что

Подставляя в (2.3) значение v ‘ из выражения (2.4), получим:

. (2.5) Правая часть равенства (2.5) имеет для заданного газа конкретное численное значение, в термодинамике его обозначают R,т. е. .

Читайте также:  Жидкость гур vag g 004 000 m2

Величину R называют г а з о в о й п о с т о я н н о й и измеряют в Дж/(кг·К). Для произвольного состояния газа уравнение (2.5) будет иметь вид:

. (2.6)

Выражение (2.6) называют уравнением Клапейрона. Оно устанавливает, что

для выбранного состояния произведение давления на удельный объем, деленное на абсолютную температуру, есть величина постоянная.

Найдем числовое значение газовой постоянной R и выявим ее физическую сущность. Для этого обратимся к еще одной закономерности поведе-

ния газов, экспериментально установленной в 1811г. итальянским ученым

При одинаковых давлениях и температурах одинаковые количества различных газов занимают один и тот же объем.

В СИ за единицу количества вещества принят м о л ь (М). Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде – 12 массой 0,012 кг. Установлено, что в 12 г углерода содержится 6·10 23 атомов. Такое количество структурных элементов в любом другом веществе имеет другую массу. Моль – расчетная единица и эталона для его воспроизведения не существует.

Массу одного моля вещества называют м о л я рн о й м а с с о й Молярную массу обозначают через μ. Единица молярной массы – кг/моль. При численном выражении молярной массы различных веществ иногда за единицу количества вещества принимают 1000 молей – 1 кмоль.

Величины, характеризующие количественную единицу вещества в молях, условимся обозначать чертой сверху. Тогда объем моля какого-либо газа будет равен произведению удельного объема газа на его молярную массу, т.е. = μ.

Согласно закону Авогадро, для различных газов при одинаковых условиях будет иметь:

Экспериментально установлено, что при нормальных физических условиях (T = 273,15; p = 760 мм рт. ст. = 101325 Па) объем одного моля любого газа = 22,41 м 3 /моль.

Из определения газовой постоянной следует, что

R = .

Умножив обе части этого равенства на μ и подставив численные значения p, и Т, получим:

R 8314 Дж/(моль·К). Величину μR обозначают и называют у н и в е р с а л ь н о й (молярной)

Универсальная газовая постоянная для одного моля всех газов, независимо от их природы, является величиной постоянной и равной:

= 8314 Дж/(моль·К).

Отсюда, газовая постоянная 1 кг конкретного газа вычисляется как

R = . (2.8)

Для одного и того же газа, в зависимости от его массы, уравнение состояния может быть записано по-разному:

для 1 кг p v = R T, (2.9)

для m кг p V = m R Т , (2.10)

для одного моля p = T. (2.11)

Чтобы уяснить физический смысл газовой постоянной, запишем уравнение (2.10) для одной и той же массы газа, находящейся в двух различных состояниях при одинаковом давлении:

Вычитая из второго уравнения первое, получаем:

R = .

Числитель в полученном выражении представляет собой работу газа в процессе при постоянном давлении. Следовательно, если разность температур равна одному кельвину, а масса газа – одному килограмму, то газовая постоянная есть работа расширения 1 кг газа при увеличении его температуры на 1 кельвин в изобарном процессе.

Дата добавления: 2015-02-16 ; просмотров: 748 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Ссылка на основную публикацию
Работа турбины с изменяемой геометрией видео
Мощность, развиваемая двигателем внутреннего сгорания, зависит от количества топлива и воздуха, поступающего в двигатель. Мощность двигателя возможно повысить за счет...
Продажи лады гранты лифтбек
Нам очень жаль, но запросы, поступившие с вашего IP-адреса, похожи на автоматические. По этой причине мы вынуждены временно заблокировать доступ...
Продал машину а штрафы приходят на меня
Очень часто от водителей можно услышать вопрос — что делать, если автомобиль продал, а по почте приходят квитанции о превышении...
Работа центробежного регулятора опережения зажигания
Итак, известно, что за УОЗ отвечают центробежный и вакуумный корректоры опережения. Начнем из центробежного: Центробежный корректор состоит из 2-х грузиков...
Adblock detector