15. Преобразование тепловой энергии в механическую (прямой цикл)

Для генерирования механической энергии за счёт теплоты служат теплосиловые установки; полученная в этих установках механическая энергия используется для привода рабочих машин (металлообрабатывающих станков, автомобилей, конвейеров и т. д.) или электромеханических генераторов, с помощью которых вырабатывается электроэнергия. Преобразование теплоты в механическую энергию в теплосиловых установках основано на способности газо- или парообразного тела совершать механическую работу при изменении его объёма. При этом рабочее тело (газ или пар) должно совершить замкнутую последовательность термодинамических процессов (цикл). В результате такого цикла от одного или нескольких источников теплоты отбирается определённое количество теплоты Q₁ и одному или нескольким источникам теплоты отдаётся количество теплоты Q₂, меньшее, чем Q₁; при этом разность Q₁ – Q₂ превращается в механическую работу А_теор. Отношение полученной работы к затраченной теплоте называется термическим кпд этого цикла: η1=Атеор/Q1=Q1-Q2/Q1

Вопрос№16.Тепловой двигатель и его термический кпд. Большая часть двигателей, используемых людьми, — это тепловые двигатели. Устройства, превращающие энергию топлива в механическую энергию, называются тепловыми двигателями. Любой тепловой двигатель (паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания) состоит из трех основных элементов: рабочего тела (это газ), которое совершает работу в двигателе; нагревателя, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой затем идет на совершение работы; холодильника, которым является атмосфера или специальные устройства.            При совершении работы тепловыми двигателями происходит передача теплоты от более горячих тел к более холодным. Рабочее тело двигателя получает количество теплоты Qн от нагревателя, совершает работу А и передает холодильнику количество теплоты Qx. В соответствии с законом сохранения энергии  . В случае равенства речь идет об идеальном двигателе, в котором нет потерь энергии. Отношение работы к энергии, которое получило рабочее тело от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия (КПД):           

Вопрос№17. термический кпд идеального теплового двигателя(прямого цикла Карно) .В 1824 г. С. Карно (1796-1832) доказал теорему: любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т₁, и холодильником, имеющим температуру Т₂, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины, определяемый соотношением :ηmax=T1-T2/T1, где Т1 иТ2 – абсолютные температуры подвода и отвода теплоты. Из этой формулы следует, что чем больше разность температур нагревателя и холодильника , тем больше n_мах. Но КПД всегда меньше 1 (n_нах < 1), так как Т₂ > О.

18. Как повышать термический к.п.д. тепловых двигателей.

Самым эффективным тепловым двигателем является тепловой двигатель, работающий по прямому циклу карно. η=(Т1-Т2)/Т1-------Карно. Главный способ повышения КПД тепловой машины является увеличение разности температуры между горячим и холодным источником.Т1—температура горячего источника.Т2—температура холодного источника.

19. Самопроизвольный процесс передачи тепла и его движущая сила.

Самопроизвольная теплота передается только от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой. Обратный перенос теплоты самопроизвольно невозможен. Количество передаваемой теплоты будет тем больше, чем больше будет разность температур между объектами. Выделяю 3 вида переноса теплоты: 1) теплопроводность (переносчиками теплоты явл микроструктурные частицы тела(молекулы,атомы,ионы). В чистом виде теплопроводность есть только в ТВ телах. В жидкостях и газах теплопр в чистом виде нет. Основное ур-ние еплопроводности – закон Фурье: q=λ(dt/dn) = - λgrad t, где λ – коэф теплопроводности материала.2)конвективный(теплоотдача): переносчиками теплоты явл конечные макроскопич объёмы жидкогсти или газа.В зависимости от характера движения жидкости теплоотдача бывает свободной или вынужденной.Свободная возникает в следствии действия внутр сил(сила тяжести,объемная сила) или внешних сил(силы подталкивания) или под действием разности давления.Основоное ур-ние теплоотдачи – ур-ние Ньютона Рихмана Q = α F(t_c - t_ж), где α – коэф теплоотдачи. 3) теплообмен излучения(лучистый теплообмен): пример- солнце. Протекает в 3 этапа: а)преобразование энергии тела в электромагнитные волны;б)распространение электромагнитных волн в пространстве;в)поглащение электромагнитных волн вторым телом и преобразование их энергии во внутр энергию этого тела. основное ур-ние лучистого теплообмена: Q = C₀ * E_пр((T1/100)⁴ – (T₁/100)⁴*F,где C₀ – коэф излучения_, E_пр- приведенная степень черноты. Следовательно ,главной движ силой для передачи теплоты явл разность теиператур. Чем больше разн , тем больше колич теплоты можно передать при прочих равных условиях.

20.Характеристика теплового потока. Тепловой поток - количество теплоты, переданное через изотермическую поверхность в единицу времени. Размерность Т. п. совпадает с размерностью мощности. Т. п. измеряется в ваттах или ккал/ч (1 вт = 0,86 ккал/ч). Т. п., отнесённый к единице изотермической поверхности, называется плотностью Т. п., удельным Т. п. или тепловой нагрузкой; обозначается обычно q, измеряется в вт/м² или ккал/(м²×ч). Плотность Т. п. — вектор, любая компонента которого численно равна количеству теплоты, передаваемой в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к направлению взятой компоненты. Измеритель плотности теплового потока и температуры ИТП-11 предназначен для измерения плотности теплового потока и температуры с возможностью сохранения измеренных значений во внутренней энергонезависимой памяти прибора и передачи их в ЭВМ.

21. Уравнение теплопередачи через плоскую стенку. Среди процессов переноса тепла один из наиболее распространенных в инженерной практике является процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному через разделительную стенку (процесс теплопередачи). Тепловой поток от горячего теплоносителя с расходом G1 и начальной температурой t1 передается через стенку, толщиной к холодному продукту в аппарате в количестве G2 и начальной температурой t2. Таким образом, процесс теплопередачи состоит из процесса теплоотдачи потока от горячего теплоносителя к поверхности стенки, процесса переноса тепла через стенку и процесса теплоотдачи от поверхности стенки к холдному теплоносителю. В процессе передачи тепла на поверхности стенки устаавливаются температуры,равные . В обоих теплоносителях в слое, прилежащем к стенке, формируется тепловой пограничный слой, в котором температура жидкости переменна и изменяется от ее значения в ядре потока и до значения температур на поверхностях стенки. Плотность теплового потока в процессах теплоотдачи определяется по закону Ньютона-Рихмана :q=a*(t-tc), Вт/м2 .Тогда мощность теплового потока будет равна Q=q*F=a*( t-tc)*F, Bт, где: F- площадь поверхности стенки, омываемая теплоносителями . Коэффициент пропорциональности , называемый коэффициентом теплоотдачи, характеризует интенсивность процесса теплоотдачи. По физическому смыслу численно равен количеству тепла в Дж, которое отдается теплоносителем к стенке или от стенки к теплоносителю при площади 1 , при разности температур между жидкостью и стенкой в 1 К за время 1 с. Отсюда следует,что единица измерения коэффициента теплоотдачи будет или. Выражение для теплового потока в процессе теплопередачи имеет вид (основное уравнение теплопередачи):q=k*(t1-t2),Вт/м2 .

22.Принципиальная схема холодильной машины.

Холод машины и тепл насосы работают по обратным циклам. В данных циклах теплота передается от тел с меньшей темпер к телам с большей темп. Самопроизвольно данный процесс осуществить невозможно. Однако согласно 2 закону термодинамики такая передача теплоты возможно при совершении работы над раб телом.