1_Лабораторные_Цикл Карно / 1-Лабораторная_Концепция современного естествознания_4

Министерство образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра автоматизированных систем управления (АСУ)

Лабораторная работа №1

«ЦИКЛ КАРНО»

Принял Выполнил

преподаватель студент ТМЦДО

кафедры

.

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, двигатель внутреннего сгорания и реактивный 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.

Идеальный цикл Карно включает следующие стадии:

(1) изотермическое расширение при температуре «нагревателя» T₁, 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» T₂, когда газ отдает тепло «холодильнику» Q₂;

(4) адиабатическое сжатие. Работа за цикл A=Q₁–Q₂.

ЗАДАНИЕ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Изменяя объем изотермического расширения от 1 л до 9 л (с шагом 1 л), исследуйте зависимости совершаемой за цикл работы и коэффициента полезного действия от объема изотермического расширения. Заполните таблицу (см. образец) и постройте два графика A(V) и (V).

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Постепенно изменяя изотермическое расширение объема (1-9) получим следующие данные.

Полезная работа (A)	КПД ()	Изотермическое расширение (V)
9178,6	66,2	1
12230,2	55,7	2
12817,6	46,2	3
11823,9	36,7	4
10273,7	28,7	5
8185,5	21	6
5715,9	13,7	7
2965	6,7	8
0	0	9

Оптимальные режимы:

1. для достижения максимальной полезной мощности;

Достигается при V = 1, A = 9178,6 кДж

2. для максимальной экономии топлива.

Достигается при V = 3, A = 12817,6 кДж

Вывод по работе: Максимум полезной работы (12817,6 кДж) достигается при изотермическом расширении равном 3. Связь между КПД и изотермическим расширением – обратная.

сколько моль газа составляет рабочее тело машины, если максимальное давление в цилиндре 10 атм., а минимальный объем 1 л.

моль

Ответы на контрольные вопросы Цикл «КАРНО»

1. Идеальным газом называется газ, в котором отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия. С достаточной степенью точности газы можно считать идеальными в тех случаях, когда рассматриваются их состояния, далекие от областей фазовых превращений. Примером могут служить пара- и ортоводород.( Для водорода принята терминология, согласно которой молекулы, находящиеся в состояниях с большим ядерным статистическим весом , называют молекулами ортоводорода, а в состояниях с меньшим весом – молекулами параводорода)

2. Первым, используемым человеком, преобразователем энергии можно считать парус - использование энергии ветра для перемещения по воде, дальнейшие развитее, это использование ветра и воды в ветряных и водяных мельницах. Изобретение и внедрение паровой машины произвело настоящую революцию в технике. Паровые машины на фабриках и заводах резко увеличили производительность труда. Паровозы и теплоходы сделали перевозки по суше и морю более быстрыми и дешевыми. На начальном этапе паровая машина служила для превращения тепловой энергии в механическую энергию вращающегося колеса, от которого с помощью различного рода передач (валы, шкивы, ремни, цепи), энергия передавалась на машины и механизмы. В качестве примеров преобразования тепловой энергии в механическую могут служить двигатель внутреннего сгорания и паровая машина. В промышленности применяют преобразование энергии на ТЭЦ, ГЭС, АЭС.

3. В цикле Карно рабочее тело совершает работу в первой половине цикла — в процессах сначала изотермического, а затем адиабат­ного расширения.

При адиабатном процессе работа, как известно, совершается за счет внутренней энергии, и равна эта работа как раз убыли внутрен­ней энергии:

.

Иначе обстоит дело в случае изотермического процесса. При та­ком процессе температура тела остается постоянной, и поэтому та часть внутренней энергии, которая связана с кинетической энер­гией молекулярных движений, не может быть использована для пре­образования в механическую энергию.

Расширяясь, газ может произвести меха­ническую работу, следовательно, наша система, состоящая из тер­мостата и газа, обладает некоторой энергией. Та часть энергии си­стемы, которая при данных условиях может быть использована для преобразования в механическую работу, называется свободной энергией.

Система, значит, не может совершить работу, превышающую значение ее свободной энергии.

4. Абсолютная температура (Термодинамическая температура) , температура Т, отсчитываемая от абсолютного нуля. Понятие абсолютной температуры было введено У. Томсоном (Кельвином), в связи с чем шкалу абсолютной температуры называют шкалой Кельвина или термодинамической температурной шкалой. Единица абсолютной температуры - кельвин (К). 1К = 1 °С. Значения абсолютной температуры связаны с температурой по Цельсия шкале (t °С) соотношением t = Т - 273,15 К.

В настоящее время используются шкалы Цельсия, Кельвина, Фаренгейта.

5. Энергия всех видов движения и взаимодействия частиц, входящих в систему, называется внутренней энергией и обозначается U.

Очевидно, что внутренняя энергия состоит из энергии поступательного и вращательного движения молекул, колебательного движения атомов, межмолекулярного взаимодействия, внутриатомной энергии заполнения электронных уровней, внутриядерной. данного материала, чтобы повысить его температуру на 1 град.С.

Теплоемкостью системы называется отношение количества тепла, сообщенного системе в каком-либо процессе, к соответствующему изменению температуры.

Теплоемкость больше при постоянном объеме.

6. Процесс переноса теплоты теплопроводностью происходит между непосредственно соприкасающимися телами или частицами тел с различной температурой. Теплопроводность представляет собой, согласно взглядам современной физики, молекулярный процесс передачи теплоты.

Известно, что при нагревании тела кинетическая энергия его молекул возрастает. Частицы более нагретой части тела, сталкиваясь при своем беспорядочном движении с соседними частицами, сообщают им часть своей кинетической энергии. Этот процесс постепенно распространяется по всему телу. Перенос теплоты теплопроводностью зависит от физических свойств тела, от его геометрических размерах, а также от разности температур между различными частями тела. При определении переноса теплоты теплопроводностью в реальных телах встречаются известные трудности, которые на практике до сих пор удовлетворительно не решены. Эти трудности состоят в том, что тепловые процессы развиваются в неоднородной среде, свойства которой зависят от температуры и изменяются по объему.

Давление Р характеризует взаимодействие системы с внешней средой и измеряется силой, отнесенной к единице поверхности. Если система находится в равновесии, то давление одинаково во всех частях системы и равняется внешнему давлению.

7. Закон сохранения энергии связан с первым началом термодинамики. Анализ результатов опытов и наблюдений природных явлений, выполненных к середине XIX века, привел немецкого ученого Р.Майера, английского ученого Д-Джоуля и немецкого ученого Г.Гельмгольца к выводу о существовании закона сохранения энергии: При любых взаимодействиях тел энергия не исчезает бесследно и не возникает из ничего. Энергия только передается от одного тела к другому или превращается из одной формы в другую. Внутренняя энергия U системы, изолированной от любых взаимодействий с внешней средой, не изменяется при любых взаимодействиях внутри системы.

Следовательно для изолированной системы U = const или U = 0

Суть уравнений Бернулли – иллюстрация закона сохранения энергии в движущемся потоке идеальной жидкости или газа. Для идеальной жидкости левая часть уравнения – сумма трех членов, трех видов давления, имеющих одну размерность: соответственно статического, динамического и весового.

, (2)

где P - давление статическое (обычно, атмосферное),

r – плотность,

v - скорость движения потока,

g = gr -объемный вес потока,

g - ускорение силы тяжести,

Для идеального газа в левой части четыре члена

,

где с_v - теплоемкость газа при постоянном объеме.

8.В настоящее время КПД замкнутого цикла может превышать 100% только в теории, использование природных ресурсов (ветра, энергии солнца), вечный двигатель второго рода. Если круговой процесс происходит в обратном направлении, т.е. устройство работает как холодильная машина или тепловой насос, тепловые потоки изменяют свои направления: там, где раньше рабочее тело отдавало тепло, теперь получает его от внешнего резервуара, а там, где получало, теперь отдает тепло. Таким образом, уже не рабочее тело совершает работу, равную разности подводимых и отводимых количеств теплоты, а за счет внешней работы, совершаемой над рабочим телом, тепло, отбираемое от внешнего тела с меньшей температурой (холодильника), передается внешнему телу с большей температурой (нагревателю). Тепловой насос оказывается более эффективным устройством для обогрева помещений, чем электрические нагреватели с коэффициентом полезного действия в 100%. Количество тепла Q2, полученное с помощью теплового насоса, равно

Q2 = A + Q1.

Получается, что КПД теплового насоса, работающего в качестве нагревателя, больше 100%.

9. При изучении вращения тел широко используются понятия момент импульса тела(по величине равен произведению импульса тела на расстоянии до оси вращения, его может иметь тело даже при движении по прямой) и понятие момента силы используется для сил способных вызвать вращение тел. Момент импульса сохраняется в изолированных системах. Данный закон сохранения считается одним из великих потому, что связан и определяется свойствами симметрии пространства и времени. Впервые в 1856г. связал Кренинг он рассматривал газ как совокупность мельчайших, упругих шариков-атомов, которые хаотично двигаются в пустоте. Исходя из вероятностных соображений, он принял, что атомы газа движутся по трем направлениям с одинаковой скоростью. Сделав элементарный расчет, он получил уравнение связывающее р и объем V газа с его массой m и скоростью атомов v

рV=kmv² . Крениг верно указал связь рV с кинетичекой энергией частиц.