3.1.10. Второе начало термодинамики

Наблюдения явлений природы показывают, что все процессы имеют необратимый характер, например: прямой теплообмен между телами, процессы прямого превращения работы в теплоту путем внешнего или внутреннего трения или электронагрева, диффузионные, дроссельные процессы. Обобщающим выражением наблюдаемых в природе явлений является принцип возрастания энтропии — второе начало термодинамики. Рассмотрим реальный процесс 1-2 (рис. 3.15) и разобьем его на элементарные циклы Карно, для которых

Для круговых процессов

АВ обратимый 

т. е. (3.60)

— второе начало термодинамики или принцип возрастания энтропии

нотогдаили

т. е. для изолированных систем энтропия всегда только возрастает.

Рис. 3.15. К определению энтропии

3.1.11. Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания

Термодинамическими циклами ДВС называются циклы, в которых процессы подвода и отвода тепла осуществляются на изобарах и изохорах (P=idem,V=idem), а процессы сжатия и расширения протекают адиабатически (Q=0) при неизменном количестве рабочего тела на всех стадиях процесса. Различают три основных вида двигателей: а) поршневые; б) турбинные; в) реактивные.

В поршневых двигателях осуществляется рабочий процесс при непрерывном изменении объема; основным видом работы является термодинамическая. Основные рабочие процессы (сжатие, подвод теплоты, расширение) осуществляются последовательно в одном и том же заданном объеме. В турбинных двигателях эти процессы осуществляются одновременно, но в разных частях машины; основным видом работы является потенциальная.

Для обозначения наименований циклов первым символом для поршневых ДВС будет степень сжатия (для газотурбинных — соотношение давлений сжатия С), и вторым последующим символом — процессы, в которых осуществляется подвод теплоты (-V;C-P).

3.1.11.1. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

а) с подводом теплоты при V=idem (цикл Отто)

Рис. 3.16. Карбюраторные и газовые ДВС

(3.61)

степень сжатия степень повышения давления(рис. 3.16);

Рис. 3.17. Изображение цикла Дизеля

б) с подводом теплоты при P=idem (цикл Дизеля)

(3.62)

степень сжатия степень предварительного расширения(рис. 3.17);

в) цикл с комбинированным подводом теплоты (цикл Тринклера или Сабате)

2-3 =idem; 3-4 P=idem; 5-1 =idem (рис. 3.18);

(3.63)

Рис. 3.18. Цикл Тринклера

3.1.11.2. Циклы газотурбинных установок

а) цикл с подводом теплоты при V=idem (цикл Гемфри)

(рис. 3.19); (3.64)

б) цикл с подводом теплоты при P=idem (цикл Брайтона)

(рис. 1.20). (3.65)

Сравнение циклов ГТУ при одинаковых значениях соотношений давлений сжатия в компрессоре и одинаковых температурах перед турбиной Т₃показывает, что термический к.п.д. цикла ГТУ при сгорании приV=idemнесколько выше, чем к.п.д. цикла ГТУ со сгоранием приP=idem. Вместе с тем в реальных установках эффективность цикла ГТУ с подводом тепла приV=idemниже, чем приP=idemиз-за снижения к.п.д. турбины. Кроме того, такая схема предусматривает более сложную конструкцию камеры ГТУ. По указанным причинам ГТУ со сгоранием приV=idemне имеют широкого применения в технике.

Рис. 3.19. Цикл Гемфри

Рис. 3.20. Цикл Брайтона

Эффективность ГТУ простейшей схемы с подводом тепла при P=idemможет быть повышена, если в цикле осуществить регенеративный подогрев воздуха, поступающего в камеру сгорания, за счет теплоты продуктов сгорания, выходящих из турбины. Такие ГТУ называются газотурбинными установками с регенерацией теплоты.