Archive / Конспект лекций от 02.04.12 - копия / ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ 8

3

ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ.

1.Тепловые двигатели.

Тепловой двигатель – это периодически действующее устройство, преобразующее количество теплоты, полученное от сгорания топлива, в механическую работу.

Если к цилиндру, внутри которого содержится газообразное вещество и который закрыт подвижным поршнем, подвести некоторое количество теплоты, то, в общем случае, газ: 1) нагреется; 2) расширится, т.е. совершит работу. Газообразное вещество в данном случае называется рабочим телом, и это могут быть пары бензина, воздух, водяной пар и т.д.

Изобразим этот процесс на графике в переменных P-V.

На переходе 1а2 газ, получая теплоту от нагревателя, расширяется и, следовательно, совершает положительную работу А₁, которая численно равна площади под графиком 1а2 (штриховка чёрной пунктирной линией).

Чтобы газ совершил положительную работу ещё раз, т.е. чтобы устройство было периодически действующим, необходимо каким-либо образом перевести газ опять в состояние 1. Если процесс сжатия проводить по кривой 2а1, то работа внешних сил А₂' будет равна работе газа и полезная работа А_{полезн.}=А₁ – А₂' = 0.

Положительную полезную работу можно получить, если проводить сжатие по кривой, лежащей ниже кривой 1а2. Например, по кривой 2b1, площадь под которой (штриховка голубой сплошной линией) меньше площади под кривой 1а2. Значит, работа по сжатию меньше работы по расширению.

А_{полезн.}=А₁ – А₂' > 0

Численно полезная работа равна площади внутри цикла 1а2b1.

Так как все точки на кривой 2b1 соответствуют состояниям с меньшей температурой, чем на кривой 1а2, следовательно, процесс 2b1 может быть осуществлён только при понижении температуры газа. Для этого необходимо рабочее тело привести в контакт с холодильником.

2.Энергетическая схема теплового двигателя.

Т₁ и Т₂ – температуры нагревателя и холодильника.

Q_н или Q₁ – температура нагревателя

Q_х или Q₂ – температура холодильника

Полезная работа теплового двигателя равна разности работы газа по расширению и работы внешних сил по сжатию газа А_{полезн.}= А₁ – А₂'. С другой стороны, полезная работа равна разности теплоты, получаемой от нагревателя, и теплоты, отбираемой холодильником А_{полезн.}= Q₁ – Q₂. Следовательно,

А₁ – А₂' = Q₁ – Q₂

3.Эффективность работы теплового двигателя.

Эффективность работы теплового двигателя характеризуется коэффициентом полезного действия – КПД.

КПД теплового двигателя – это отношение работы, совершённой рабочим телом за цикл, к количеству теплоты, полученному рабочим телом от нагревателя. КПД часто выражается в процентах.

4.Второе начало термодинамики.

Вторую формулировку второго начала термодинамики дал Кельвин.

Невозможны циклические процессы, единственным результатом которых было бы превращение тепла целиком в работу, т.е. невозможен тепловой двигатель с КПД равным 100% (вечный двигатель второго рода).

5.Тепловые двигатели, работающие по циклу Карно.

Максимальный КПД имеет тепловой двигатель, работающий по циклу Карно.

Цикл Карно – это замкнутый газовый процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот цикл предложил французский учёный и инженер С.Карно.

Цикл Карно состоит из четырёх процессов: изотерма 1-2, адиабата 2-3, изотерма 3-4 и адиабата 4-1.

На изотерме 1-2 газ, приведённый в тепловой контакт с нагревателем, изотермически расширяется. Так как температура газа постоянна и равна температуре нагревателя Т₁, то внутренняя энергия не изменяется ΔU₁₂=0 и вся подводимая теплота нагревателя идёт на совершение работы Q₁= A₁₂.

На адиабате 2-3 теплота от нагревателя не поступает, и работа по расширению газа совершается за счёт уменьшения внутренней энергии A₂₃= - ΔU₂₃. Газ охлаждается.

Чтобы вернуть газ в прежнее состояние, необходимо его сжать.

На изотерме 3-4 газ приводится в тепловой контакт с холодильником, поэтому работа внешних сил по сжатию газа не ведёт к повышению его температуры. Работа внешних сил равна количеству теплоту, переходящему к холодильнику А₃₄'=Q₂. Температура газа в этом процессе равна температуре холодильника Т₂, внутренняя энергия не изменяется ΔU₃₄=0.

На адиабате 4-1 теплота к холодильнику не отводится, и работа внешних сил по сжатию газа идёт на увеличение его внутренней энергии A₄₁'= ΔU_41. Температура газа повышается до температуры нагревателя Т₁.

КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, кроме выше указанных способов, может быть рассчитан следующим образом: