
Министерство образования Российской Федерации
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (тусур)
Кафедра автоматизированных систем управления (АСУ)
Отчет По лабораторной работе "Цикл Карно" по дисциплине "Концепции современного естествознания"
Цель работы – познакомиться с принципами работы тепловых машин на примере цикла Карно.
Тепловая машина – устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую. Примеры тепловых машин, созданных человеком: огнестрельное оружие, паровой двигатель. В качестве "преобразователя" (рабочего тела) используется газ, поскольку газ занимает весь предоставленный ему объем и его давлением можно управлять с помощью изменения температуры в процессе теплообмена.
Преобразование энергии носит циклический характер: на стадии сжатия отдает тепло и возвращается в исходное состояние. Цикл может быть закрытым (состав газа неизменен) или открытым (состав газа после каждого цикла обновляется). Полезная работа (А) равна площади замкнутой фигуры на P-V диаграмме (P – давление, V – объем).
Показателем
эффективности цикла Карно является
коэффициент полезного действия (КПД),
равный отношению полезной работы к
потребленной тепловой энергии
В 1824 г. французский
физик Сади Карно опубликовал "Размышления
о движущей силе огня и о машинах, способных
развить эту силу", где впервые показано,
что полезную работу можно получить лишь
в случае, когда тепло переходит от
нагретого тела ("нагревателя") к
более холодному ("холодильнику").
Причем КПД ограничен отношением
температур "холодильника" (Т2)
и "нагревателя" (Т1):
Идеальный цикл
Карно включает следующие стадии: (1)
изотермическое расширение при температуре
"нагревателя" Т1, когда газ
получает тепло от "нагревателя"
Q1; (2) адиабатическое
расширение, когда газ не обменивается
тепловой энергией с окружающей средой;
(3) изотермическое сжатие при температуре
"холодильника" Т2, когда газ
отдает тепло "холодильнику" Q2;
адиабатическое сжатие. Работа за цикл
Задание по выполнению лабораторной работы
Изменяя объем изотермического расширения от 1 до 9 л (с шагом 1 л), исследуйте зависимости совершаемой за цикл работы и коэффициента полезного действия от объема изотермического расширения. Заполните таблицу и постройте два графика А(∆V) и η(∆V).
Полезная работа (А) |
9178,6 Дж |
12230,2 Дж |
12819,6 Дж |
11823,9 Дж |
10273,7 Дж |
8185,5 Дж |
5715,9 Дж |
2965 Дж |
КПД (η) |
66,2 % |
55,7 % |
46,2 % |
36,7 % |
28,7 % |
21,0 % |
13,7 % |
6,7 % |
Изотермическое расширение (∆V) |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
Выберите оптимальные режимы: (1) для достижения максимальной полезной мощности; (2) для максимальной экономии топлива.
-
– Мощность находится в прямой зависимости от работы поэтому максимальная полезная мощность достигается при изотермическом расширении в 3 л., К.П.Д. – 46,2%
-
- Максимальная экономия топлива достигается при высоком К.П.Д., полезная работа при этом равна 9178,6, изотермическое расширение – 1 л.
Посчитайте, сколько моль газа составляет рабочее тепло машины, если максимальное давление в цилиндре 10 атм, а минимальный объем 1 л.
Решение:
Из уравнения
состояния идеального газа