ТЕРМОДИНАМИКА

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

7

При увеличении Тm,1 или уменьшении Тm,2 КПД теплового двигателя увеличивается.

Одним из важнейших следствий постулата второго начала термодинамики является утверждение о невозможности полного превращения теплоты в работу,

а значит, о невозможности создания вечного двигателя второго рода: любой ТД должен иметь два тепловых источника с различными температурами нагреватель и холодильник.

Диаграмма реального цикла ТД отличается от диаграммы обратимого

цикла, во-первых, наличием разностей между температурами РТ и внешних источников теплоты (нагревателя и холодильника) ( T 0) и, во-вторых,

существованием необратимых потерь в процессах расширения и сжатия РТ.

Поэтому площадь диаграммы реального цикла ТД, изображенного на рис. 1

пунктирной линией, меньше площади диаграммы обратимого цикла на величину заштрихованной площади, характеризующей необратимые потери энергии в цикле.

1.2.Цикл Карно

В1824 г. С. Карно предложил цикл, получивший впоследствии его имя.

Введение цикла Карно стало важным этапом в разработке теории циклов тепловых двигателей.

Цикл Карно представляет собой обратимый цикл тепловых машин ( Q* = = Q, L* = L, т.к. L** = Q** = 0), осуществляемый между двумя источниками постоянных температур – горячим (нагревателем) с

температурой T1 и холодным (холодильником) с температурой T2: T1 T2.

Рабочим телом в цикле Карно является идеальный газ, называемый в дальнейшем просто газ .

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

9

Из соотношения (1) следует, что абсолютная величина изменения энтропии газа в процессе подвода к нему теплоты | S1| равна абсолютной величине изменения энтропии газа в процессе отвода от него теплоты | S2|:

С учетом соотношений (8) и (9) формула (6) для цикла Карно принимает

вид

т.е. термический КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно,

зависит только от абсолютных температур T1 и T2.

Цикл Карно имеет большое значение в теории циклов ТД, т.к. его КПД является максимальным по сравнению с КПД любого обратимого цикла,

реализуемого в том же диапазоне температур T1 и T2, что и цикл Карно. Это следует из сравнения произвольного цикла a-b-c-d-a с циклом Карно 1-2-3-4-1–

рис. 3. Подвод теплоты к РТ в цикле a-b-c-d-a происходит при средней абсолютной температуре Tm,1, которая меньше температуры T1 (Tm,1 T1), а

отвод теплоты – при средней абсолютной температуре Tm,2, которая больше температуры T2: Tm,2 T2. Поэтому КПД цикла a-b-c-d-a t,abcda, определяемый по формуле

меньше, чем КПД цикла Карно t,К: t,К t,abcda. Графической интерпретацией этого неравенства является то, что площадь фигуры 1-2-3-4-1 больше площади фигуры a-b-c-d-a.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

10

Несмотря на то, что циклу Карно следовало бы отдать предпочтение,

реализация его в ТД практически невозможна, т.к. диапазоны изменения давления и объема в цикле Карно велики и поэтому диаграмма цикла Карно в координатах p-v сильно растянута – рис. 4.

Например, при параметрах РТ на входе в поршневые двигатели внутреннего сгорания pа = 0,1 МПа, Tа = 288 K (точка а на рис. 4) и при температуре в кон-

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

11

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

12

це сгорания топлива Tc = 2073 K давление РТ в точке c цикла Карно достигает

280 300 МПа, в то время как в реальных двигателях это давление не превышает

10 МПа, исходя из условия обеспечения прочности элементов двигателя. При этом изменение объема РТ в цикле Карно (va / vc) составляет примерно 400.

1.3.Термодинамические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

При исследовании термодинамических (теоретических) циклов тепловых двигателей предполагается, что:

1)рабочим телом является идеальный газ;

2)количество рабочего тела на всех стадиях цикла не изменяется ;

3)теплоемкость рабочего тела постоянна;

4)на всех стадиях цикла рабочее тело химически не изменяется;

5)процессы наполнения и выпуска рабочего тела отсутствуют;

6)процесс горения топлива заменяется подводом теплоты к рабочему телу от нагревателя, а процесс охлаждения продуктов сгорания отводом теплоты от рабочего тела к холодильнику, причем L** = Q** = 0.

По способу подвода теплоты, циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания (ПДВС) делятся на три группы:

1)цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (v = idem), называемый циклом Отто;

2)цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (p = idem), называемый циклом Дизеля;

3)цикл со смешанным подводом теплоты (v = idem, p = idem), называемый циклом Тринклера или Сабатэ.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

13

1.3.1.Термодинамический цикл с подводом теплоты при v = idem (цикл Отто)

На рис. 5а изображена принципиальная схема ПДВС, работающего по циклу Отто. Горючая смесь, состоящая из паров бензина и атмосферного воздуха, заполняет цилиндр двигателя Ц через открытый впускной клапан 1 при закрытом клапане 2, когда поршень П двигается от верхней мертвой точки

(ВМТ) к нижней (НМТ) такт всасывания. Затем клапан 1 закрывается и поршень П, двигающийся от НМТ к ВМТ, сжимает смесь (такт сжатия), которая воспламеняется от электрической свечи ЭС. Образовавшиеся продукты сгорания, расширяясь, перемещают поршень П от ВМТ к НМТ такт рабочего хода поршня. После этого открывается выпускной клапан 2 и поршень П,

двигающийся от НМТ к ВМТ (при закрытом клапане 1), выталкивает продукты сгорания из цилиндра Ц в атмосферу такт выхлопа. Затем все процессы повторяются в описанной последовательности.

С помощью кривошипно-шатунного механизма КШМ возвратно-поступа-

тельное движение поршня в цилиндре преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, с которого снимается полезная нагрузка.

На рис. 5б изображен термодинамический цикл Отто в координатах p-v.

Цикл Отто состоит из двух адиабат ( q = 0) и двух изохор v = idem. Линия a-c

изображает адиабатическое сжатие газа; c-f – изохорический подвод теплоты q1,v

к газу от нагревателя; f-r – адиабатическое расширение газа; r-a –

изохорический отвод теплоты q2,v от газа к холодильнику.

На рис. 5в изображен термодинамический цикл Отто в координатах T-s

(s – удельная энтропия газа). Площадь фигуры а1-c-f-r1-а1 представляет собой теплоту q1,v, подведенную в цикле к газу, площадь фигуры а1-a-r-r1-а1 – теплоту

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

14

q2,v, отведенную в цикле от газа, а площадь фигур a-c-f-r-a на рис. 5б, в – работу цикла

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

15

Термический КПД цикла Отто t,О определяется по формуле

где = (va / vc) = (Va / Vc) степень сжатия газа, представляющая собой отношение удельных v (или полных V) объемов газа в процессе a-c – см.

рис. 5б; k показатель адиабаты.

Термический КПД цикла Отто возрастает с увеличением степени сжатия и показателя адиабаты k рис. 6.

Термический КПД цикла Отто обычно не превышает 50%.

В двигателях рабочим телом является реальный газ, свойства которого

отличаются от свойств идеального газа, процессы сжатия и расширения РТ не являются адиабатическими, подвод теплоты происходит в течение конечных

промежутков времени, условия изохорического или изобарического подвода теплоты не выполняются, имею место механические потери и т.д. Поэтому для перехода от термодинамических циклов к реальным необходимо вводить соответствующие поправки.

По циклу Отто работают карбюраторные двигатели.

Поскольку температура в точке с меньше температуры самовоспламенения горючей смеси, воспламенение этой смеси осуществляется от постороннего источника (электрической свечи ЭС) – см. рис. 5а.

С точки зрения роста термического КПД ПДВС выгодно увеличивать степень сжатия РТ . Однако, осуществлять сжатие до слишком высоких значений ( > 12) не удается, т.к. по достижении определенного значения температуры РТ оно самовоспламеняется еще до прихода поршня в ВМТ. Это приводит к детонации, разрушающей элементы двигателя. Поэтому степень сжатия РТ в

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

16

Рис.6. Зависимость термического КПД цикла Отто ηt,O от степени сжатия ε и показателя адиабаты для рабочего тела k

обычных карбюраторных двигателях не превышает 5 12: величина зависит от качества топлива.

Степень сжатия РТ в цикле можно увеличить, если сжимать не горючую смесь, а воздух, в который вводится топливо. На этом принципе основан цикл Дизеля.

1.3.2.Термодинамический цикл с подводом теплоты при p = idem (цикл Дизеля)

На рис. 7а изображена принципиальная схема ПДВС, работающего по цик-

лу Дизеля. При движении поршня П от ВМТ к НМТ (такт всасывания)

атмосферный воздух через открытый впускной клапан 1 при закрытом клапане

2 заполняет цилиндр двигателя Ц. Затем клапан 1 закрывается и поршень П,

двигающийся от НМТ к ВМТ, сжимает (такт сжатия) воздух настолько, что в конце сжатия температура воздуха превышает температуру самовоспламенения дизельного топлива. Поэтому после впрыскивания дизельного топлива через