История развитая тепловых двигателей.

Первая работоспособная паросиловая установка была предложена Томасом Ньюкоменом (кузнец, изобретатель) — в 1712 г.

Российский изобретатель И.И. Ползунов в 1763 г., разработал проект пароатмосферной машины для привода кузнечных мехов.

Изобретателем и создате­лем паровой машины (поршневого парового двигателя) счита­ют шотландца Джеймса Уатта (1736-1819).

Патент на машину простого действия был получен Д. Уаттом в 1769 г.

Заслуги Джеймса Уатта в технике и энергетике настолько велики, что во всем мире единица измерения мощности была названа в его честь Watt [W] (по-русски принято читать и обозначать это наименование как «Ватт» [Вт] ).

Паровая турбина. Работоспособная активная паровая турбина была изобретена в 1883-1889 гг. шведским инженером Густавом де Лавалем (1845-1913)

Двигатели внутреннего сгорания

Теоретической основой для создания такого двигателя мог служить идеальный термодинамический цикл процесса преобра­зования тепловой энергии в механическую работу, предложен­ный французским инженером Сади Карно в 1824 г.

Первыми работоспособными Д.В.С. считают­ся двигатели, работавшие на светильном газе, которые создал Жан-Этьен Ленуар во Франции. Он получил патент в 1860 г

Маленькие двигатели Ленуара (с мощностью по­рядка 0,5-1 кВт) сразу завоевали большую популярность в Ев­ропе, к.п.д. двигателя оценивался на уровне 3%.

Двигателем Ленуара заинтересовался немецкий изобретатель-самоучка, Николаус Аугуст Отто (1832-1891). В 1866 г. ему удалось получить пер­вый патент на усовершенствованный газовый двигатель. В 1867 г. маленький мотор Отто был показан на Всемирной Парижской выставке и получил золотую медаль, несмотря на то, что в экспо­зиции выставки было представлено еще не менее полутора десят­ков газовых двигателей разных изобретателей — моторчик Отто работал экономичнее всех других. Отто со своими партнерами организовал производство двигателей. Успеху фирмы способ­ствовало приглашение двух талантливых немецких инженеров. Их имена известны и сегодня — это были Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах. До сих пор в Германии существуют фирмы и автомобильные заводы, ими организованные.

В 1883 г. Г. Даймлер. построил четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, в котором вместо светильного газа использовалось более компак­тное жидкое топливо — бензин. Горючая смесь в виде паров бензина и воздуха образовывалась в специально разработан­ном им устройстве — карбюраторе.

Вскоре, поставив карбюраторный бензиновый двигатель на повозку, Даймлер построил первый - настоящий автомобиль. В 1891 г. завод Г.Даймлера построил первый в Европе неболь­шой промышленный локомотив автомобильного типа с зубча­той передачей между двигателем и колесами. Его мощность была всего 4 л.с. С 1893 г. автомобильный завод Даймлера строил и самоходные рельсовые вагоны — автомотрисы (рель­совые автобусы) для немецких железных дорог.

Дизельные двигатели внутреннего сгорания. В конце 1897 г немецкий инженер Рудольф Дизель, создал двигатель внутреннего сгорания, в котором тяжелое жидкое топливо самовоспламенялось в цилиндре от высокой температуры сжатого в нем воздуха. С тех пор такие двигатели называют по имени их созда­теля - дизелями. Принцип подачи топлива, был глав­ным элементом в изобретении Дизеля.

В 1896 г. российский специалист Г.В. Тринклер, работавший в Нижнем Новгороде, построил бескомпрессорный двигатель внутреннего сгорания высокого сжатия. Тринклер, сделав заявку в 1899 г., получил патент только в 1904 г. По этому «смешанному» циклу (циклу Тринклера) и работают все современные бескомпрессор­ные дизельные двигатели.

Газотурбинные установки.

Одним из первых создателей промышленного образца ГТУ был русский инженер П.Д.Кузьминский. В период с 1894 по 1900 г.г. им была спроектирована и построена ГТУ со сгора­нием топлива при постоянном давлении.

В 1900-1904 гг. была изготовлена ГТУ немецким инженером Штольцем, но в процессе испытаний установка не развивала мощности, необходимой даже для вращения компрессора. В 1906 г. французскими инженерами Арманго и Лемалем был построен ГТУ мощностью 300 кВт, но ее КПД был очень низок.

В 1908 г, русский инженер В.В.Караводин постро­ил ГТУ со сгоранием топлива при постоянном объеме. КПД этой установки не превышал 2,4%.

Теоретические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

В теоретическом цикле в отличии от действительных отсутствуют потери теплоты, за исключением неизбежной отдачи теплоты холодному источнику в соответствии со вторым законом термодинамики. Теоретические циклы совершаются при соблюдений следующих условий:

• цикл является замкнутым (обратимым) и протекает с постоянным количеством одного и того же рабочего тела, в качестве которого используется идеальный газ;

• процесс сгорания топлива в цилиндре заменен мгновенным подводом теплоты от постороннего горячего источника, а процесс выпуска отработавших газов мгновенным отводом теплоты в холодный источник;

• процесс сжатия и расширения протекают без теплообмена с внешней средой, т.е. принимаются адиабатными;

• теплоемкость рабочего тела на протяжении всего цикла считается постоянной, не зависящей от температуры.

• Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами.

• Как следует из первого закона термодинамики, полученное газом количество теплоты Q полностью превращается в работу A при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной (ΔU = 0): 

  A = Q.

• Но такой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние. Круговые процессы изображаются на диаграмме (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис. 3.11.1). При расширении газ совершает положительную работу A₁, равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A₂, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A₁ + A₂ на диаграмме (p, V) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.

  Рисунок 3.11.1.

• Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q₁ > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q₂ < 0. Полное количество теплоты Q, полученное рабочим телом за цикл, равно 

  Q = Q1 + Q2 = Q1 – |Q2|.

• При обходе цикла рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, следовательно, изменение его внутренней энергии равно нулю (ΔU = 0). Согласно первому закону термодинамики, 

  ΔU = Q – A = 0.

• Отсюда следует: 

  A = Q = Q1 – |Q2|.

• Работа A, совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Отношение работы A к количеству теплоты Q₁, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия η тепловой машины: 

Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть (1 – η) была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η < 1). Энергетическая схема тепловой машины изображена на рис. 3.11.2.

Рис.3.11.2 Энергетическая схема тепловой машины: 1 –нагреватель, 2 – холодильник, 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс.

В результате указанных ограничений в энергетике (для получения работы) широкое применение пока находят только два базовых термодинамических цикла: цикл Ренкина и цикл Брайтона. Большинство энергетических установок строится на сочетании элементов указанных циклов.

Цикл Ренкина применяют для рабочих тел, которые в процессе реализации цикла совершают фазовый переход, по такому циклу работают паросиловые установки (ПСУ).

Для рабочих тел, которые не могут быть сконденсированы в реальных условиях, и которые мы называем газами, применяют цикл Брайтона. По этому циклу работают двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинные установки (ГТУ).

Принципиальное отличие ДВС и ГТУ сводится к следующему. В ДВС процессы сжатия воздуха, сгорания топлива и расширения продуктов сгорания происходят в пределах одного конструктивного элемента, именуемого цилиндром двигателя.

В ГТУ указанные процессы разнесены по отдельным конструктивным узлам: сжатие осуществляется в компрессоре, сгорание топлива в камере сгорания, расширение продуктов сгорания в газовой турбине. В результате конструктивно ГТУ и ДВС мало похожи, хотя работают по схожим термодинамическим циклам.

Существует две модификации цикла Брайтона, отличающиеся термодинамическими процессами подвода теплоты:

- цикл с подводом теплоты при постоянном давлении, сокращенно его называют цикл Брайтона p=const,

- цикл с подводом теплоты при постоянном объеме, называемый цикл Брайтона v=const [1].

На рис. 1.1 в Т, S-координатах показаны оба эти цикла, которые образуются четырьмя последовательно реализуемыми процессами:

В двигателях, применяемых в технике, используются различные круговые процессы. На рис. 3.11.3 изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном и в дизельном двигателях. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1).

Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30 %, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Идеальный цикл Брайтона: 1–2–3–4–1 —подвод теплоты при p=const;

1–2–5–6–1 —подвод теплоты при v=const

В процессе сжатия к циклу подводится работа LK, при расширении отводится работа LТ. Из рис. 1.1 видно, что LТ > LK , их разность и составляет полезную работу цикла. Полагаем читателю ясно, что полезная разность в работе достигнута за счет разности подведенного Q1 и отведенногоQ2 в цикле тепла.

На рис. 1.2 показана принципиальная схема установки, реализующей цикл Брайтона с подводом тепла при постоянном давлении.

Рис. 1.2. Принципиальная схема ГТУ непрерывного горения, реализующей цикл Брайтона р=const: К —компрессор, ГТ —газовая турбина, КС —камера сгорания, Э —электрогенератор

Такие установки часто называют установками непрерывного горения. В данной установке рабочее тело (воздух) закачивается при давлении p1 из атмосферы компрессором К, сжимается за счет подведенной работы LK до давления p2 и направляется в камеру сгорания КС. В камеру сгорания подается топливо, которое сгорает при постоянном давлении, обеспечивая подвод тепла Q Благодаря сгоранию топлива температура рабочего тела увеличивается от Т2 до Т3 (см. рис. 1.1). Далее рабочее тело (теперь это уже газ, представляющей собой смесь воздуха и продуктов сгорания) поступает в газовую турбину ГТ, где, расширяясь до атмосферного давления, совершает работу LТ. После турбины газы сбрасываются в атмосферу, через которую рабочий цикл и замыкается. Разность работы турбины и компрессора воспринимается электрогенератором Э, который согласно приведенной на рис.1.2 схеме расположен на общем валу с турбиной и компрессором.

Принципиальная схема установки для реализации цикла Брайтона v=const данного цикла показана на рис. 1.3.

Рис. 3. Принципиальная схема ГТУ прерывистого горения, реализующей цикл Брайтона v=const: К —компрессор, ГТ —газовая турбина, КС —камера сгорания, Э —электрогенератор, 1 и 2 —клапаны

В отличие от предыдущей схемы здесь появляются два клапана 1 и 2. Компрессор нагнетает воздух в камеру сгорания через клапан 1 при закрытом клапане 2. Когда давление в КС подымается до p2, клапан 1 закрывают. В результате объем КС оказывается замкнутым. При закрытых клапанах 1 и 2 в КС подают и сжигают топливо, естественно, его сгорание происходит при постоянном объеме. В

результате (рис. 1.1) давление рабочего тела дополнительно увеличивается. Далее открывают клапан 2 и рабочее тело поступает в газовую турбину ГТ. Естественно, что при этом давление перед турбиной будет постепенно снижаться. Когда оно приблизится к атмосферному, клапан 2 следует закрыть, а клапан 1 открыть и повторить последовательность действий. Такие установки называют установками прерывистого горения.

Если сравнивать оба рассмотренные способа реализации цикла Брайтона с чисто термодинамических позиций, то предпочтителен последний вариант. Однако, если обратиться к возможностям технической реализации, то последний вариант серьезно проигрывает. Дело не столько в необходимости постоянно манипулировать клапанами 1 и 2, эту обязанность можно возложить на автоматику. Значительно важнее то обстоятельство, что осевые турбомашины могут эффективно работать только в достаточно узком диапазоне начальных и конечных давлений (в последующих главах мы постараемся пояснить данное обстоятельство). Поэтому при реализации цикла v=const возникает целый ряд технических проблем, которые пока не удается радикально решить. Данный цикл находит применение только в ряде специфических условий (например, в ракетных двигателях), хотя поиск подобных решений продолжается и в наше время.

Сравнивая два приведенных выше варианта цикла Брайтона с циклами ДВС, приходим к выводу, что цикл p=const близок к циклу Отто, а цикл v=const—к циклу Дизеля. Оба цикла успешно применяются, что обусловлено качественным отличием рабочих процессов в поршневых машинах от осевых машин.

Обратимся еще раз к рис. 1.1. Температура газа за турбиной Т4 выше температуры воздуха после сжатия в компрессоре Т2 (так бывает в подавляющем большинстве случаев). В этой связи

представляется целесообразным использовать часть тепла выбрасываемых в атмосферу газов для подогрева воздуха, сократив, таким образом, расход топлива в процессе 2–3. Подобный цикл будем называть регенеративным циклом Брайтона. Схема его реализации показана на рис. 1.4.

В отличие от предыдущей схемы здесь появился дополнительный элемент — регенератор, расположенный перед КС.

Рис. 1.4. Принципиальная схема ГТУ, работающей по регенеративному циклу Брайтона: Р - регенератор, К - компрессор, ГТ - газовая турбина,

Э - электрогенератор

Все рассмотренные выше установки работают по так называемой разомкнутой схеме, предполагающей, что воздух забирается из атмосферы, туда же сбрасываются отработавшие в турбине газы. Возможен иной способ реализации цикла Брайтона, показанный на рис. 5.

Рис. 1.5 Замкнутая схема работы ГТУ:

Т -топка, ГВТ -газо-воздушный теплообменник, ВВТ -воздухо-воздушный теплообменник, К —компрессор, ГТ -газовая турбина,

Э -электрогенератор

Эта схема отличается замкнутым контуром циркуляции теплоносителя, соответственно подобные установки называют замкнутыми ГТУ. При таком способе работы применение камеры сгорания исключается, поскольку запас кислорода воздуха очень быстро исчерпается, и далее сгорание топлива будет просто невозможно. Поэтому тепловую энергию подводят в конвективном теплообменнике (иначе - через стенку).

Так в схеме появляется газо-воздушный теплообменник (ГВТ) и предвключенная ему топка Т. В топке сжигается топливо и подводится воздух, необходимый для сгорания топлива. (Применительно к схемам ГТУ комбинация из топки и ГВТ в середине прошлого века именовалась «воздушным котлом», однако, термин не привился и сейчас почти не употребляется.) При замкнутом контуре циркуляции рабочего тела необходимо организовать отвод теплоты в процессе 4–1, поскольку «атмосфера нам теперь не помощник». Одним из логичных путей является использование теплоты процесса 4–1 для подогрева воздуха, подаваемого в топку, что позволяет снизить расход топлива. Именно такой путь выбран в установке, схема которой показана на рис. 1.5. В результате в схеме появился еще один теплообменник—воздухо-воздушный теплообменник (ВВТ), в котором нагревается воздух, поступающий в топку. Мы назвали данный теплообменник воздухо-воздушным, полагая по аналогии с предыдущими схемами, что рабочим телом служит воздух. Однако при замкнутом контуре циркуляции в принципе может использоваться любой газ [9], как далее будет показано, при этом возникают определенные преимущества. Кроме того, при замкнутой схеме циркуляции нет оснований считать, что давление p₂ соответствует атмосферному, оно может принимать любое удобное нам значение.

Рис. 3.11.3 Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (1) и дизельного двигателя (2)

В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, который сыграл важную роль в развитии учения о тепловых процессах. Он называется циклом Карно (рис. 3.11.4).

Рис.3.11.4 Цикл Карно

Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1–2) газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру T₁. Газ изотермически расширяется, совершая работу A₁₂, при этом к газу подводится некоторое количество теплоты Q₁ = A₁₂. Далее на адиабатическом участке (2–3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работуA₂₃ > 0. Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения T₂. На следующем изотермическом участке (3–4) газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре T₂ < T₁. Происходит процесс изотермического сжатия. Газ совершает работу A₃₄ < 0 и отдает теплоQ₂ < 0, равное произведенной работе A₃₄. Внутренняя энергия газа не изменяется. Наконец, на последнем участке адиабатического сжатия газ вновь помещается в адиабатическую оболочку. При сжатии температура газа повышается до значения T₁, газ совершает работу A₄₁ < 0. Полная работа A, совершаемая газом за цикл, равна сумме работ на отдельных участках: 

A = A12 + A23 + A34 + A41.

На диаграмме (p, V) эта работа равна площади цикла.

Процессы на всех участках цикла Карно предполагаются квазистатическими. В частности, оба изотермических участка (1–2 и 3–4) проводятся при бесконечно малой разности температур между рабочим телом (газом) и тепловым резервуаром (нагревателем или холодильником).

Как следует из первого закона термодинамики, работа газа при адиабатическом расширении (или сжатии) равна убыли ΔU его внутренней энергии. Для 1 моля газа 

A = –ΔU = –CV (T2 – T1),

где T₁ и T₂ – начальная и конечная температуры газа.

Отсюда следует, что работы, совершенные газом на двух адиабатических участках цикла Карно, одинаковы по модулю и противоположны по знакам 

A23 = –A41.

По определению, коэффициент полезного действия η цикла Карно есть 

1.29

С. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через температуры нагревателя T₁ и холодильника T₂: 

1.30

Следует обратить внимание читателя на большую и принципиальную разницу формул (1.29) и (1.30). Первая из них —не более чем алгебраическая форма записи термического КПД. Вторая формула, (1.30), показывает, что максимально возможный термический КПД идеального термодинамического цикла не зависит от природы и свойств рабочего тела, а определяется только температурами подвода теплоты Т1 и ее отвода Т2.

Определен также цикл, по которому должна работать установка, имеющая максимальный КПД. Этот цикл должен иметь изотермические процессы подвода и отвода теплоты и адиабатические процессы сжатия и расширения. Подобный цикл получил названия «идеального цикла Карно». Соответственно, формула (1.30) — «КПД идеального цикла Карно».

На рис. 1.9 в T, S–координатах такой цикл показан, ему соответствует прямоугольник а–b–c–d–a. Следует обратить внимание, что если координата Т не зависит от свойств рабочего тела, то координата S представляет собой функцию состояния, различную для различных веществ (подробнее об этом можно узнать из учебников термодинамики).

Цикл Карно назван в честь французского учёного и инженера Сади Карно, который впервые его описал в своём сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» в 1824 году

Поскольку обратимые процессы могут осуществляться лишь с бесконечно малой скоростью, мощность тепловой машины в цикле Карно равна нулю. Мощность реальных тепловых машин не может быть равна нулю, поэтому реальные процессы могут приближаться к идеальному обратимому процессу Карно только с большей или меньшей степенью точности. В цикле Карно тепловая машина преобразует теплоту в работу с максимально возможным коэффициентом полезного действия из всех тепловых машин, у которых максимальная и минимальная температуры в рабочем цикле совпадают соответственно с температурами нагревателя и холодильника в цикле Карно^.

Описание цикла Карно

Рис.1.9

Цикл Карно в координатах T—S

Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой  , холодильника с температурой   и рабочего тела.

Цикл Карно состоит из четырёх обратимых стадий, две из которых осуществляются при постоянной температуре (изотермически), а две — при постоянной энтропии (адиабатически). Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T (температура) и S (энтропия).

1. Изотермическое расширение (на рис. 1 — процесс A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру , то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты  . При этом объём рабочего тела увеличивается, оно совершает механическую работу, а его энтропия возрастает.

2. Адиабатическое расширение (на рис. 1 — процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом температура тела уменьшается до температуры холодильника , тело совершает механическую работу, а энтропия остаётся постоянной.

3. Изотермическое сжатие (на рис. 1 — процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее температуру , приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты  . Над телом совершается работа, его энтропия уменьшается.

4. Адиабатическое сжатие (на рис. 1 — процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается под действием внешней силы без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя, над телом совершается работа, его энтропия остаётся постоянной.

Кпд тепловой машины Карно

Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно

.

Аналогично, при изотермическом сжатии рабочее тело отдаёт холодильнику

.

Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен

.

КПД цикла Карно всегда меньше единицы, точнее— приближается к единице в области нулевого значения абсолютной температуры. Если принять в цикле Карно температуру подвода тепла Т1 = 273 К, что приближается к температуре, максимально достижимой при сжигании органического топлива, а температуру отвода тепла считать соответствующей средним атмосферным условиям Т2 = 298 К, то получим значение η=0,88. Очевидно, что это предельное значение, которое вряд ли когда-либо будет достигнуто в тепловых двигателях, использующих органическое топливо.

Ближе всего к идеальному циклу Карно приближается цикл Ренкина на насыщенном паре: подвод и отвод тепла в нем изотермические (испарение и конденсация). По такому циклу работают турбоустановки большинства современных атомных электростанций. Для реального на сегодняшний день интервала рабочих температур КПД цикла Карно на энергетических установках этих электростанций составляет примерно 0,45. КПД лучших современных парогазовых установок 0,6, хотя их термодинамический цикл менее похож на цикл Карно. Таким образом, приближение к циклу Карно не является самоцелью при выборе цикла энергетической установки.

Анализ и оптимизация термодинамических циклов—задача аналитическая. Однако прежде, чем приступать к расчетам, следует наглядно представить себе структуру расчетной задачи. Тут неоценимую услугу оказывают диаграммы состояния. Выше уже отмечалось, что задание двух любых параметров состояния позволяет с помощью соответствующих формул термодинамики определить значение остальных. В этой связи возможен целый ряд диаграмм состояния, из которых наибольшее распространение получили диаграммы p–v, T–s и h–s. На рис. 1.10 представлены названные диаграммы.

Диаграмма p–v удобна тем, что в ней наглядно видна работа процесса, она пропорциональна площади под линией процесса a–b. Если необходимо оценить работу цикла, то она окажется пропорциональной площади, ограниченной линиями процессов, из которых образован цикл. Диаграмма T–S удобно интерпретирует теплоту процесса, она также равна площади под линией процесса.

Рис. 1.10. Основные диаграммы состояния

При расчетах процессов с парами, не подчиняющимися законам идеальных газов, особые преимущество имеет h, S–диаграмма, предложенная в 1904 г. Молье. До последнего времени эта диаграмма достаточно широко применялась в практике расчетов. Ее достоинство в том, что изменения энтальпии в ней выражается отрезками (см. рис. 1.10), так что эти величины, столь характерные для применения 1-го закона термодинамики к стационарным процессам, могут быть взяты непосредственно из диаграммы. Так же непосредственно из диаграммы берутся изменения энтропии, которые характеризуют термодинамическую необратимость, связанную с действием 2-го закона термодинамики.

Цикл Карно замечателен тем, что на всех его участках отсутствует соприкосновение тел с различными температурами. Любое состояние рабочего тела (газа) на цикле является квазиравновесным, т. е. бесконечно близким к состоянию теплового равновесия с окружающими телами (тепловыми резервуарами или термостатами). Цикл Карно исключает теплообмен при конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды (термостатов), когда тепло может передаваться без совершения работы. Поэтому цикл Карно – наиболее эффективный круговой процесс из всех возможных при заданных температурах нагревателя и холодильника: