Контрольні питання

1. Дайте визначення теплоємності тіла, молярної та питомої теплоємності речовини. Назвіть одиниці вимірювання цих величин.

2. Чому теплоємність при сталому тиску більша теплоємності при сталому об’ємі? 

3. Як змінюється теплоємність при фазових перетвореннях з твердої фази в газоподібну і навпаки?

4. Як залежить теплоємність твердого тіла від температури?

5. Опишіть метод вимірювання теплоємності, використовуваний у роботі. Що таке час запізнювання ?

Лабораторна робота №5

ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОТИ ДВИГУНА СТИРЛИНГА ПРИ ЗМІНІ ТЕМПЕРАТУРИ ДЖЕРЕЛА ТЕПЛА

Мета роботи

Дослідити вплив температури джерела тепла, що підводиться, на потужність та ефективність двигуна.

Завдання

Визначити потужність, коефіцієнт корисної дії установки та момент на валу в залежності від температури джерела тепла та порівняти з теоретичними значеннями.

Загальні відомості

Двигун Стирлінга є двигуном зовнішнього згоряння і являє собою тепловий двигун, у якому відбувається стиск робочого тіла і його нагрівання через стінку двигуна або в теплообміннику за рахунок згоряння палива ззовні. Далі робоче тіло розширюється й, діючи на механізм двигуна (поршень або турбіну), приводить його в рух.

Перевагою двигунів зовнішнього згоряння перед двигунами внутрішнього згоряння є їх сумісність із широким спектром палива й джерел енергії, у тому числі й поновлюваних. Вони можуть використовувати тепло від будь-якого джерела: біомаси, продуктів, отриманих з біомаси, побутових відходів, ядерних, сонячних, геотермальних джерел або екзотермічних реакцій без горіння. Це відрізняє їх від двигунів внутрішнього згоряння, кожний тип яких вимагає використання певного виду пального. Крім того, важливими перевагами двигунів зовнішнього згоряння є: низький рівень викидів завдяки безперервному зовнішньому згорянню й низький рівень шуму завдяки видаленню відпрацьованих газів продуктів згоряння під низьким тиском.

Ідеальний цикл Стирлінга складається із чотирьох термодинамічних процесів - двох ізотермічних і двох ізохорних .

Рис. 1. Цикл Стирлінга та схематичне зображення тактів. 1 – поверхня, що нагрівається; 2- поверхня, що охолоджується; 3 – поршень-витискач; 4 – робочий поршень.

У циклі Стирлінга є чотири такти.

Перший такт (процес 1-2) – такт стиснення при постійній температурі робочого тіла: поршень-витискач теплообмінного циліндра знаходиться поблизу нижньої мертвої точки (НМТ) і залишається умовно нерухомим. Газ стискається робочим поршнем робочого циліндра. Тиск газу зростає, а температура залишається постійною, так як теплота стиснення відводиться через холодний торець теплообмінного циліндра в навколишнє середовище.

Другий такт (процес 2-3) – такт нагрівання при постійному об’ємі: робочий поршень робочого циліндра знаходиться поблизу НМТ і повністю переміщує холодний стиснений газ в теплообмінний циліндр, де поршень-витискач рухається до верхньої мертвої точки (ВМТ) і витісняє газ в гарячу порожнину. Так як при цьому сумарний внутрішній об'єм циліндрів двигуна залишається постійним, робоче тіло розігрівається тиск підвищується і досягає максимального значення.

Третій такт (процес 3-4) – такт розширення при постійній температурі газу: поршень-витискач теплообмінного циліндра знаходиться поблизу верхньої мертвої точки (ВМТ) і залишається умовно нерухомим. Поршень робочого циліндра під дією тиску газу рухається до верхньої мертвій точці. Відбувається розширення гарячого газу в порожнині робочого циліндра. Корисна робота, що здійснюються поршнем робочого циліндра, через кривошипно-шатунний механізм передається на вал двигуна. Тиск в циліндрах двигуна при цьому падає, а температура газу в гарячій порожнини залишається постійною, так як до нього підводиться тепло від джерела тепла через гарячу стінку циліндра.

Четвертий такт (процес 4-1) – такт охолодження при незмінному об’ємі: поршень робочого циліндра знаходиться поблизу ВМТ і залишається умовно нерухомим. Поршень теплообмінного циліндра рухається до НМТ і переміщує газ, що залишився в гарячій частині в холодну частину циліндра. Так як при цьому сумарний внутрішній об'єм циліндрів двигуна залишається постійним, тиск газу в них продовжує падати і досягає мінімального значення.

Поршень-витискач теоретично виконує роль регенератора – запасає тепло під час проходження через нього гарячого робочого тіла (процес 4-1) і віддає тепло під час проходження повз нього холодного робочого тіла (процес 2-3). Таким чином тепло, що повинно передаватися у навколишнє середовище в процесі 4-1 повертається в систему в процесі (2-3) (рис. 2).

Рис. 2. Схема регенерації в циклі Стирлінга

Якщо кількості теплоти в процесах 2-3 і 4-1 однакові, то теплообмін між двигуном і навколишнім середовищем здійснюється шляхом підведення й відводу теплоти відповідно при Т_макс і Т_мін (рис. 3).

Рис. 3. Цикл Стирлінга з регенерацією

Такі умови підведення й відводу теплоти при постійних температурах задовольняють висновкам другого закону термодинаміки для максимального термічного к.к.д. циклу; внаслідок цього термічний коефіцієнт корисної дії циклу Стирлінга такий самий, як і для циклу Карно, тобто

(1)

В циклі без регенерації:

,

(2)

де

;

V_h – робочий об’єм (об’єм робочого циліндра між ВМТ і НМТ); V_a – повний об’єм; V_c =V_a −V_h – мертвий об’єм; k – показник адіабати робочого тіла.