книги / Общая термодинамика

По определению

р > 1 всегда и обыкновенно значительно меньше е.

Очевидно, при увеличении е увеличивается также ч\р д б \

вобычных условиях работы увеличение р вызывает уменьше­

на \ .з.б -

Иногда т| аб выражают не через е и р, а через е и а = -^ г

(см. задачу 17-6).

17-4. КОМПРЕССОР

1°. Как в холодильных машинах, так и в машинах для сжижения газов, которые будут рассмотрены в § 17-5 и 17-6, рабочий агент в газообразном виде подвергается сжатию. Устройства, служащие для этого, называются компрессорами. Чтобы в последующем не прерывать изложения, в настоящем параграфе опишем наиболее часто применяемый поршневой компрессор (существуют также турбинные компрессоры).

Пусть в некотором резервуаре имеется какое-либо газооб­ разное тело. Трубопровод, присоединенный к резервуару, может сообщаться при открытии клапана с цилиндром, в котором движется поршень, плотно прилегающий к стенкам цилиндра.

При движении поршня от а к b (фиг. 17-7) открывается

клапан и газ начинает поступать в цилиндр из трубопровода, причем при переходе газа из трубы в цилиндр давление и тем­ пература не изменяются. Таким образом, состояние газа при всасывании его в цилиндр компрессора вовсе не изменяется.

ширение. Это расширение могло бы быть обратимым, но обык­

является ли рабочее вещество газом или системой жидкость— пар, изобарное расширение должно сопровождаться поглоще­

нием тепла, изобарное же сжатие — отдачей тепла. Цикл хо­ лодильной машины осуществляется таким образом, что в изо­ барном процессе 12 теплоисточником является охлаждаемое тело.

Так как удельная теплоемкость Ср воздуха или какого-либо

служит не газ, а система жидкость— пар, в которой происхо­

т. е. в конце сжатия система находится в состоянии перегре­ того пара.

жидкость. На участке 4'4 жидкость становится ненасыщен­ ной, уменьшение объема сопровождается отдачей жидкостью тепла и понижением температуры.

41—дросселирование, переводящее ненасыщенную жидкость в систему жидкость—пар с малой степенью сухости.

Теперь посмотрим, как осуществляются четыре процесса цикла холодильной машины. Сжатие 23 происходит в комп­ рессоре. Выталкиваемый из цилиндра компрессора газ про­ должает сжиматься, но уже изобарно в трубопроводе (змее­ вике), охлаждаемом холодной водой. Рабочее вещество, вы­ талкиваемое в трубопровод из компрессора в газообразном виде, достигает конца трубопровода в виде ненасыщенной жидкости (состояние 4).

.После дросселирования (41) рабочее вещество в виде не­ однородной системы жидкость—пар с малой степенью сухости поступает в другой трубопровод, в котором и происходит процесс 12 парообразования. Этот трубопровод расположен так, чтобы теплота, необходимая для парообразования, заим­ ствовалась у охлаждаемого тела. Например, если охлаждается какое-нибудь помещение, то трубопровод может быть проло­ жен вдоль стен внутри помещения. Необходимо также, чтобы температура парообразования была несколько ниже темпера­ туры, поддерживаемой в охлаждаемом помещении.

Из четырех процессов главным является процесс 12 паро­ образования; остальные три процесса необходимы только для завершения цикла, т. е. приведения рабочего вещества в на­ чальное состояние /, что позволяет повторять процесс паро­ образования.

Следует отметить, что дросселирование применяется только ввиду механической простоты этой операции. Как известно, если произвести вместо дросселирования 41 обратимо-адиа­ батное расширение 4V так, чтобы р{, = р и то степень сухости

окажется меньше, чем в конце дросселирования. Следова­ тельно, в процессе V2 могло бы быть превращено в пар боль­ шее количество жидкости, чем в процессе 12, следующем

пар: NH3, С 02, S 0 2.

Вот несколько данных о холодильных машинах, в которых рабочим веществом является жидкость — пар аммиак. Чтобы

температура охлаждаемого тела могла поддерживаться рав­ ной — 5° С, процесс 12 парообразования аммиака должен проис­ ходить при ti = — 10° С. Если температура охлаждающей воды

— — 10е С может отнять у охлаждаемого тела приблизительно 300 кал в течение часа.

17-6. МАШИНЫ ДЛЯ СЖИЖЕНИЯ ГАЗОВ

1°. Обычно в циклах холодильных машин наибольшая раз­ ности температур не превосходит 30—35°С. При такой разности температур к. п. д. т)г холодильных машин оказывается до­

вольно большим, и поэтому отнятие большого количества

тепла Q' у охлаждаемого тела не связано с очень большой затратой работы (Q' = T\xWe).

При увеличении разности температур цх уменьшается,

чение которого достигаются большое падение давления и соот­ ветствующее ему понижение температуры.

Как указывалось в § 8-9, если точка 4 находится между критической точкой и той изэнтальпой, которая касается ветви пара, то изэнтальпа 444 сначала приводит газ в состоя­ ние 4' сухого насыщенного пара, а затем начинается образо­ вание насыщенной жидкости. При подходящем выборе состоя-

ния 1 в конце дросселирования 41 получается некоторое коли­ чество насыщенной жидкости, накапливающейся в резервуаре.

Удалив эту жидкость, подвергают оставшийся насыщенный пар изобарному расширению, причем пар в самом начале пе­ реходит в ненасыщенное состояние, а его температура посте­ пенно повышается. Чтобы восполнить убыль (т. е. количество газа, превратившегося в процессе 41 в жидкость) в каком-ни­ будь месте трубопровода, в котором происходит расширение, вводят такое же количество газа, которое осело в виде жидкости при дросселировании. Таким образом, в конце изобарного рас­ ширения система оказывается в состоянии 2, в котором начи­ нается обратимо-адиабатное сжатие.

В машинах для сжижения газов главным процессом яв­ ляется дросселирование, остальные же процессы служат только для того, чтобы можно было повторно осуществлять дросселирование 41. Нужно также иметь в виду, что в холо­ дильных машинах падения давления и температуры при дрос­

Весьма важно то обстоятельство, что дросселирование вовсе не всегда вызывает понижение температуры газа. Так, при начальной температуре 50°С дросселирование от 200 до 1 am

тельным, так и отрицательным и изменяет знак на кривой

для этого такие газы, как водород и гелий, должны быть

случаях, когда дросселирование сопровождается понижением

можно более низкой температуры перед дросселированием. Поэтому последний этап изобарного сжатия 34 газа осуществ­ ляют в „трубчатом холодильнике". Этот холодильник (фиг. 17-11)

в трубе В происходит изобарное понижение температуры газа перед дросселирующим краном. Трубам придают вид змееви­ ков.

2°. В описанном только что способе снижение температуры достигается дросселированием. Однако дросселирование — не­ обратимый адиабатный процесс. Между тем (см. § 8-8 и 16-7) на диаграмме р — V линия всякого необратимого адиабатного процесса располагается выше линии обратимо адиабатного, и поэтому при одинаковом падении давления в конце необрати­ мого адиабатного процесса температура выше или количество жидкости меньше, чем в конце обратимо-адиабатного про­ цесса.

Отсюда ясно, что теоретически целесообразнее дроссели­ рование заменить обратимо-адиабатным расширением газа.

низких температурах смазочные вещества застывают. Поэтому аппараты с обратимо-адиабатным расширением имеют гораздо более ограниченное применение, чем машины с дросселирова­ нием, и не могли вовсе применяться в случаях, когда нужны очень низкие температура (например, —240, — 268° С).

3°. Весьма существенные усовершенствования в область сжижения газов внесли аппараты П. Л. Капицы.

Чтобы лучше оценить значение аппаратов Капицы, напом­ ним еще раз дефект машины Линде: дросселирование приво­ дит к понижению температуры и сжижению только при уело-

вии, что начальная температура не превосходит некоторого значения; поэтому часто возникает необходимость в предва­ рительном охлаждении. Конечно, вместо этого можно было бы применить обратимо-адиабатное расширение, если бы не за­ труднения, связанные со смазкой.

П. Л. Капице удалось весьма остроумно устранить затруд­ нения, считавшиеся непреодолимыми. В его машине для сжи­ жения гелия газообразный гелий сначала охлаждается посред­ ством обратимо-адиабатного расширения в цилиндре с порш­ нем, а затем подвергается дросселированию, которое и при­ водит к сжижению. Специального вещества для смазки тру­ щихся поверхностей нет: между стенками цилиндра и порш­ нем оставлен весьма малый зазор, через который, как оказы­ вается, на другую сторону цилиндра проникает пренебрежимо малое количество газа.

Таким образом, здесь отпадает необходимость в предвари­ тельном охлаждении при помощи жидкого водорода. (В дей­ ствительности в машине Капицы существует предварительное охлаждение жидким азотом, но в этом необходимости нет; отсутствие предварительного охлаждения только увеличило бы размеры машины.)

З А Д А Ч И

17-1. Изобразить цикл Рэнкина в координатной системе энтальпия — энтропия.

17-2. Изобразить в координатной системе р — V два последовательных хода поршня паровой машины. Объяснить, чем отличается диаграмма р — V цикла Рэнкина от диаграммы р — V двух последовательных ходов поршня.

17-3. Установить разницу между циклом Рэнкина (фиг. 17-1) без пере­ грева и сопряженным циклом обратимого двигателя Карно. Показать, что

^Карно ^ Т|Рэнкина

17-4. Пусть ч]н и уп означают соответственно к. п. д. машины Рэнкина без перегрева (цикл eabcde, фиг. 17-1) и с перегревом (цикл eabfgcde). По­ казать, что т]л > г}н .

17-5. Изобразить в координатной системе энтальпия — энтропия цикл холодильной машины 12341 (фиг. 17-9) и показать, что ее к. п. д.

__ h2 — h4 ■nx - h 3- h 2-

17-6. Выразить термический к. п. д. двигателя Дизеля (фиг. 17-6) через

Р А З Д Е Л Ч Е Т В Е Р Т Ы Й

ГЛАВА ВОСЕМНАДЦАТАЯ

ТЕО РИ Я ТЕРМ ОДИНАМ ИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ

вернутой чаши неустойчиво (фиг. 18-1,6). Наконец, шарик, по­ коящийся на горизонталь­ ной плоскости, находится в положении безразличного равновесия/

В механике устойчивым положением равновесия си­ стемы называется такое, когда при малом отклоне­ нии от него действующие на систему силы возвра­

щают ее в прежнее положение (положение равновесия). Этому условию удовлетворяет случай, изображенный на фиг. 18-1,а, и не удовлетворяют другие приведенные примеры. Следует отметить, что система может иметь несколько положений рав­ новесия. Примером может служить прямая призма с гранями различной величины, которая находится в устойчивом равно­ весии как в том случае, когда она поставлена на одно из осно­

как говорят, абсолютно устойчивым; другие положения рав­ новесия называются метастабильными.

Предположив систему консервативной и обозначив через Я ее потенциальную энергию, можем утверждать, что устойчивым положениям равновесия соответствуют минимальные Я, а не­ устойчивым— максимальные значения Я; в обоих случаях