- •0 Термодинамическая система
- •Основные определения
- •1.2 Понятие об уравнении состояния
- •1.3 Уравнение состояния идеального газа
- •1.4 Термодинамический процесс
- •1.5 Теплоемкость газа
- •1.6 Газовые смеси
- •Раздел 2
- •2.1 Первый закон термодинамики
- •2.2 Внутренняя энергия
- •2.3 Работа и теплота процесса
- •2.4 Энтальпия
- •2.5 Исследование термодинамических процессов
- •2.6 Изохорный процесс
- •2.7 Изобарный процесс
- •2.8 Изотермический процесс
- •2.9 Адиабатный процесс
- •2.10 Политропные процессы
- •2.11 Обратимые и необратимые процессы
- •Раздел 3
- •3.1 Понятие о цикле
- •3.2 Второй закон термодинамики
- •3.3 Термический к.П.Д. Цикла теплового двигателя
- •3.4 Цикл карно
- •3.5 Свойства обратимых и необратимых циклов
- •3.7 Энтропия изолированной системы
- •3.8 Потеря полезной работы в необратимых процессах
- •3.9 Координаты т-s
- •3.10 Координаты I - s
- •Раздел 4
- •4.1 Уравнение неразрывности
- •4.2 Первый закон термодинамики для движущегося газа
- •4.3 Уравнение сохранения энергии газового потока
- •4.4 Параметры адиабатно заторможенного потока
- •4.5 Критические параметры потока
- •4.6 Уравнение сохранения энергии в параметрах заторможенного потока. Частные случаи уравнения
- •4.7 Обобщенное уравнение бернулли
- •4.8 Изменение полной температуры и полного давления
- •4.9 Газодинамические функции
- •Раздел 5
- •5.1 Форма канала, обеспечивающая разгон или торможение газового потока
- •5.2 Идеальное течение газа в соплах
- •5.3 Идеальное течение газа в суживающихся соплах
- •5.4 Идеальное течение газа в соплах лаваля
- •5.5 Разгон и торможение потока газа
- •Раздел 6
- •6.1 Термодинамический метод исследования циклов
- •6.2. Циклы реактивных двигателей
- •6.3 Циклы поршневых двигателей
- •Раздел 7
- •7.1 Уравнение состояния реального газа
- •7.2 Фазовые диаграммы
- •7.3 Энтропийные диаграммы реального газа
- •7.4 Дросселирование газа
- •7.5 Паровой цикл карно
- •7.6 Цикл ренкина
- •7.7 Циклы атомных энергетических установок
- •7.8 Энергетические установки с мгд-генератором
- •Раздел 8
- •8.1 Основные понятия и определения
- •8.2 Цикл воздушной холодильной установки
- •8.3 Цикл паровой компрессионной холодильной установки
- •8.4 Цикл теплового насоса
- •Литература
3.3 Термический к.П.Д. Цикла теплового двигателя
На рис. 3.2 изображена схема, отображающая принципиальные условия работы теплового двигателя, которые вытекают из второго закона термодинамики. Термодинамическая система, обеспечивающая циклическое действие теплового двигателя в течение достаточно продолжительного времени, должна включать:
- рабочее тело (газ или пар), получающее теплоту и преобразующее ее в работу lц;
- теплоотдатчик (источник теплоты), сообщающий за цикл теплоту q1 единице массы рабочего тела;
- теплоприемник (холодное тело), куда от единицы массы рабочего тела теплота q2 отводится за цикл.
Очевидно, для получения положительной работы цикла должно быть q1 > q2. Следовательно, в тепловом двигателе только часть теплоты, полученной от теплоотдатчика, преобразуется в полезную работу:
lц = q1 − q2 , (3.2)
а теплота q2, поступающая в теплоприемник, утрачивает свою ценность как энергия, которая может быть преобразована в работу.
Термическим к.п.д. цикла ηt называется отношение теплоты, превращенной в работу цикла, ко всей подведенной за цикл теплоты:
.
(3.3)
Термический к.п.д. характеризует совершенство цикла теплового двигателя с точки зрения преобразования подведенной к рабочему телу теплоты в полезную работу. Так как по второму закону термодинамики всегда q2 > 0, то для всех тепловых двигателей ηt < 1,0.
3.4 Цикл карно
В 1824 г. французский военный инженер С. Карно впервые предложил обратимый термодинамический цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат и представляющий собой замкнутый процесс, который совершает рабочее тело (идеальный газ) в тепловой машине при наличии двух источников теплоты – горячего с температурой Т1 (теплоодатчик) и холодного – с температурой Т2 (теплоприемник). При этом Т2 < Т1. Будем считать, что размеры теплоотдатчика и теплоприемника настолько велики, что при подводе теплоты q1 к рабочему телу и отводе от него теплоты q2 температуры Т1 и Т2 не изменяются.
На рис. 3.3 в р - υ координатах показан прямой обратимый цикл Карно. Процессы, составляющие этот цикл, протекают следующим образом. От исходного состояния А (рис. 3.3) рабочее тело расширяется изотермически (Т1 = const) до состояния В, получая от теплоотдатчика теплоту q1. Дальнейшее расширение происходит по адиабате В-С до тех пор, пока температура рабочего тела не снизится до величины Т2. Для возвращения рабочего тела в исходное состояние осуществляется его сжатие в изотермическом процессе С─D (Т2 = const). При этом в теплоприемник отводится теплота q2. Цикл замыкается адиабатным процессом сжатия D─А, в котором рабочее тело возвращается в исходное состояние А с температурой Т1. Таким образом, цикл Карно состоит из двух изотермических и двух адиабатных процессов.
Поскольку цикл Карно обратим, то изотермические процессы подвода и отвода теплоты происходят при бесконечно малой разнице между температурами теплоотдатчика, теплоприемника и рабочего тела. Это позволяет считать, что в процессе изотермического расширения температура рабочего тела равна температуре теплоотдатчика Т1, а в процессе изотермического сжатия – температуре теплоприемника Т2. Вся подведенная теплота при этом превращается в работу расширения, а отведенная теплота – в работу сжатия. В адиабатном процессе расширение рабочего тела (совершение работы) происходит за счет уменьшения внутренней энергии рабочего тела, а при адиабатном сжатии - работа сжатия идет на увеличение внутренней энергии рабочего тела.
Количество теплоты q1 и q2 определяется по формуле (2.35), записанной для изотермических процессов А─В и С─D:
,
(3.4)
,
(3.5)
Подставив (3.4) и (3.5) в (3.3), получим:
.
(3.6)
Для адиабатных процессов В─С и D─А можно записать следующие соотношения:
,
,
откуда:
, или
После подстановки в уравнение (3.6) и сокращения получим формулу для термического к.п.д. обратимого цикла Карно:
(3.7)
Из анализа этого уравнения следует:
- Термический к.п.д. цикла Карно не зависит от конструкции двигателя и физических свойств рабочего тела, а зависит только от температуры теплоотдатчика (нагревателя) Т1 и теплоприемника (холодильника) Т2. Это положение известно под названием теоремы Карно;
- Чем выше Т1 и чем ниже Т2, тем выше величина ηt; термический к.п.д. цикла Карно всегда меньше единицы, так как не может быть Т1=∞ или Т2 = 0;
- Невозможно превратить в работу всю теплоту, полученную от теплоотдатчика, т.к. часть ее отводится в теплоприемник;
- Если Т1 = Т2, то термический к.п.д. цикла Карно равен нулю; следовательно, если все тела термодинамической системы имеют одинаковую температуру, т.е. находятся в тепловом равновесии, то при любой температуре преобразование теплоты в работу невозможно.
Анализ цикла Карно имеет большое теоретическое значение, из него вытекают основные положения второго закона термодинамики. Практическое значение цикла Карно состоит в том, что он определяет максимально возможный уровень термического к.п.д. теплового двигателя. Действительно, если температуры теплоотдатчика Т1 и теплоприемника Т2 постоянны в процессах подвода и отвода теплоты, то цикл Карно является единственно возможным обратимым циклом. Поэтому его термический к.п.д. устанавливает максимально возможную степень преобразования теплоты в работу при заданных значениях Т1 и Т2.
Любой другой цикл, в котором теплоотдатчик и теплоприемник имеют те же значения температур (Т1 и Т2), но температура рабочего тела в процессах подвода и отвода теплоты изменяется, будет необратимым, так как в этом случае не выполняется одно из условий обратимости, а именно отсутствие конечной разности температур рабочего тела и теплоотдатчика (или теплообменника) при подводе или отводе теплоты. Поскольку необратимость связана с потерей работы, значение термического к.п.д. такого цикла всегда меньше вычисленного по уравнению (3.7).
Хотя теоретически цикл Карно является наиболее экономичным циклом, но он не нашел практической реализации в тепловых машинах, использующих в качестве рабочего тела различные газы. Основная причина заключается в том, что абсолютная величина работы, получаемой в цикле, невелика. Из рис. 3.3 видно, что на р-υ диаграмме изотермы и адиабаты располагаются близко друг к другу, вследствие чего площадь цикла и соответствующая ей работа цикла при относительно небольших значениях максимальных рА и объема υс получаются малыми. В тепловом двигателе, работающем по циклу Карно, диапазон изменения давления и объема рабочего тела должен быть настолько большим, что двигатель получается громоздким и тяжелым.
