Что является холодильником в тепловом двигателе

Что является холодильником в тепловом двигателе

Тепловой машиной называется периодический действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне тепла.

Любая тепловая машина работает по принципу кругового (циклического) процесса, т.е. возвращается в исходное состояние (рис. 5.1). Но чтобы при этом была совершена полезная работа, возврат должен быть произведен с наименьшими затратами.

Полезная работа равна разности работ расширения и сжатия, т.е. равна площади, ограниченной замкнутой кривой.

Обязательными частями тепловой машины являются нагреватель (источник энергии), холодильник, рабочее тело (газ, пар).

Зачем холодильник? Так как в тепловой машине реализуется круговой процесс, то вернуться в исходное состояние можно с меньшими затратами, если отдать часть тепла. Или если охладить пар, то его легче сжать, следовательно работа сжатия будет меньше работы расширения. Поэтому в тепловых машинах используется холодильник.

Рис. 5.3

Прямой цикл используется в тепловом двигателе – периодически действующей тепловой машине, совершающей работу за счет полученной извне теплоты. Рассмотрим схему теплового двигателя (рис. 5.3). От термостата с более высокой температурой Т₁, называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты Q₁, а термостату с более низкой температурой Т₂, называемому холодильником, за цикл передается количество теплоты Q₂ и совершается работа A:

.

(5.2.1)

Рис. 5.4

Доступны следующие дополнительные демонстрации: 1. Гидравлическая машина. 2. Гидростатическое давление.

Что является нагревателем, а что холодильником в ракетном двигателе

Т.к. имеется разность температур, то будет, то будет разность между давлениями, т.к. давление зависит от температуры. Разность давлений — это главное условие совершения работы. Эти слова относятся к тепловому двигателю. Карно доказал, что работа теплового двигателя (КПД) зависит от температуры холодильника и нагревателя. «Повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы. » С. Карно.Никола Леонард. Сади Карно, выдающийся французский учёный и инженер, работал над теорией тепловых машин. Он первый поставил вопрос о процессе превращения теплоты в работу. И хотя Карно ещё считал теплоту особой «материей», он сумел выяснить некоторые законы этого превращения. Свои исследования Сади изложил в сочинении «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», вышедшем в 1824 году. В книге он писал: » Всюду где существует разность температур, всюду, где возможно восстановление равновесия теплорода, возможно получение движущей силы…Все тела природы способны к изменению объёма, все способны при изменении своего объёма побеждать некоторые сопротивления и, таким образом, развивать движущую силу…Очевидно следующее: повсюду, где имеется разность температур, может происходить

Порядок развития работ пастора Стирлинга о последовательном улучшении работы регенератора теплоты в двигателе Стирлинга (и не только), с целью полного отказа от необходимости иметь естественный холодильник, т.е. среду с температурой ниже температуры нагревателя теплового двигателя внешнего нагрева.

1. КПД =(T1 — T2)/T1 где T1 — температура нагревателя, а T2 — температура холодильника.

2. КПДмах =(T1 — T2)/T1 где T1 — температура нагревателя, а T2 — температура, КПДмах =62%

29. Напишите формулу Планка и объясните ее физический смысл.

В 1900 г. немецкий физик М. Планк своими исследования­ми продемонстрировал, что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями — квантами, энергия ко­торых зависит от частоты световой волны. Теория М. Планка не нуждалась в концепции эфира и преодолевала противоречия и трудности электродинамики Дж. Максвелла (2.3). Эксперимен­ты М. Планка привели к признанию двойственного характера света, который обладает одновременно корпускулярными и вол­новыми свойствами. Понятно, что такой вывод был несовмес­тим с представлениями классической физики. Теория М. Планка положила начало новой квантовой физики, которая описывает процессы, протекающие в микромире.

При переходе электрона из одного состояния в другое, испускается фотон, частота которого определяется формулой v=E1-Ek/h

30. Какие экспериментальные эффекты являются экспериментальным подтверждением гипотезы Планка

Решение проблемы излучения черного тела, предложенное М.Планком в 1900 году, не укладывалось в рамки здравого смысла позитивистской науки. Планк предположил, что электромагнитная волна испускается порциями, которые получили названия квантов. Но такая дискретность означает, что волна имеет свойство частиц, корпускул. Энергия же одной такой частицы определяется частотой волны, другими словами, ее длиной, и равна произведению частоты на новую мировую константу (постоянную Планка h), которая хоть и очень мала (h = 6,62*1034 Дж*с), но все же конечна. Как это понять? Выполнив соответствующий расчет, Планк получил распределение энергий волн, излучаемых черным телом, в точности совпадающее с экспериментом. А.Эйнштейн применил странную идею Планка к объяснению явления фотоэффекта, и все стало на место: для выбивания электронов из материала электрода, которое и приводит к возникновению тока, нужны частицы с большой энергией, то есть свет с малой длиной волны. Интенсивность света соответствует количеству налетающих частиц, но не характеризует сами частицы. Поэтому интенсивный свет, но с большой длиной волны (соответственно — с малой частотой), к эффекту привести не может. Ну и световое давление — это просто бомбардировка частицами, причем величина давления зависит от энергии частиц (то есть от длины волны) в точном соответствии с теорией Планка. (Интересно отметить, что идея дискретности, прерывности, счетности в генетике утвердилась в том же 1900 году). Другое название электромагнитных квантов — фотоны, мы встречали его в предыдущих главах. Странен фотон. Это такой объект, такая концепция, такой продукт решения математических уравнений, зрительно представить который невозможно (увидеть-то поток фотонов можно): некоторые его свойства — такие же, как у волны, некоторые — такие же, как у частицы.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Принцип действия тепловых двигателей. КПД теплового двигателя

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать часть полученного количества теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. Тепловой резервуар с более высокой температурой, передающий теплоту тепловому двигателю, называется нагревателем, а забирающий остатки тепла с целью вернуть рабочее тело в исходное состояние – холодильником. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т.д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется.

Необходимые условия для работы циклического теплового двигателя:

1. Наличие рабочего тела (газ или пар), которое нагреваясь при сгорании топлива расширяется и совершает механическую работу. Периодический тепловой двигатель не может совершать полезную работу, если в нем используется незамкнутый термодинамический процесс. Газ должен расширяется при высокой температуре Т₁, а сжимается при более низкой Т₂. Круговым процессом (циклом) называют замкнутый термодинамический процесс, в результате которого система возвращается в исходное состояние. Обратимымназывают такой процесс, который может осуществляться и в прямом, и в обратном направлениях таким образом, что после возвращения системы в исходное состояние в окружающих телах не остается никаких изменений, вызванных этим процессом.

2. Использование кругового процесса (цикла).

3. Наличие нагревателя и холодильника. Нагревателем называют тело или среду с температурой более высокой, чем у рабочего тела, а холодильником — тело или среду с температурой более низкой, чем у рабочего тела.

При работе теплового двигателя выполняется закон сохранения энергии

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называется отношение полезной работы, совершенной двигателем, ко всей энергии Q₁, полученной при сгорании топлива (то есть от нагревателя): .

КПД теплового двигателя всегда меньше единицы.

Для определения максимально возможного значения КПД теплового двигателя французский инженер С. Карно рассчитал идеальный обратимый цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, который впоследствии получил название цикла Карно (на рисунке 1-2—изотермическое расширение; 2-3 — адиабатное расширение идеального газа; 3-4 — изотермическое сжатие, 4-1 — адиабатное сжатие газа. Карно показал, что КПД такого цикла не зависит от конструкции теплового двигателя и определяется по формуле , где T₁ – температура нагревателя, T₂ – холодильника. КПД даже у идеального теплового двигателя всегда меньше единицы. Если температура холодильника равна абсолютному нулю, то циклический процесс вырождается. Принципиально невозможно добиться того, чтобы КПД теплового двигателя был равен единице. У реальных тепловых двигателей КПД меньше, чем у цикла Карно, т. е. значительно меньше единицы. Для увеличения КПД обычно увеличивают температуру нагревателя. Холодильником является окружающая среда.

В идеальном тепловом двигателе работающем. Тепловой двигатель

Тепловой двигатель — двигатель, в котором происходит превращение внутренней энергии топлива, которое сгорает, в механическую работу.

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: нагревателя , рабочего тела (газ, жидкость и др.) и холодильника . В основе работы двигателя лежит циклический процесс (это процесс, в результате которого система возвращается в исходное состояние).

В тепловых двигателях стремятся достигнуть наиболее полного превращения тепловой энергии в механическую. Максимальное КПД.

На рисунке изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном двигателе и в дизельном двигателе. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30%, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Французский физик С.Карно разработал работу идеального теплового двигателя. Рабочую часть двигателя Карно можно представить себе в виде поршня в заполненном газом цилиндре. Поскольку двигатель Карно — машина чисто теоретическая, то есть идеальная , силы трения между поршнем и цилиндром и тепловые потери считаются равными нулю. Механическая работа максимальна, если рабочее тело выполняет цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот цикл называют циклом Карно .

участок 1-2: газ получает от нагревателя количество теплоты Q 1 и изотермически расширяется при температуре T 1

участок 2-3: газ адиабатически расширяется, температура снижается до температуры холодильника T 2

участок 3-4: газ экзотермически сжимается, при этом он отдает холодильнику количество теплоты Q 2

участок 4-1: газ сжимается адиабатически до тех пор, пока его температура не повысится до T 1 .

Работа, которую выполняет рабочее тело — площадь полученной фигуры 1234.

Функционирует такой двигатель следующим образом:

1. Сначала цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром, и идеальный газ расширяется при постоянной температуре. На этой фазе газ получает от горячего резервуара некое количество тепла.

2. Затем цилиндр окружается идеальной теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется, и газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.

3. На третьей фазе теплоизоляция снимается, и газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.

4. Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией, и газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого теплоизоляция удаляется и цикл повторяется вновь с первой фазы.

В теоретической модели теплового двигателя рассматриваются три тела: нагреватель , рабочее тело и холодильник .

Нагреватель – тепловой резервуар (большое тело), температура которого постоянна.

В каждом цикле работы двигателя рабочее тело получает некоторое количество теплоты от нагревателя, расширяется и совершает механическую работу. Передача части энергии, полученной от нагревателя, холодильнику необходима для возвращения рабочего тела в исходное состояние.

Так как в модели предполагается, что температура нагревателя и холодильника не меняется в ходе работы теплового двигателя, то при завершении цикла: нагревание-расширение-остывание-сжатие рабочего тела считается, что машина возвращается в исходное состояние.

Для каждого цикла на основании первого закона термодинамики можно записать, что количество теплоты Q нагр, полученное от нагревателя, количество теплоты |Q хол|, отданное холодильнику, и совершенная рабочим телом работа А связаны между собой соотношением:

A = Q нагр – |Q хол|.

В реальных технических устройствах, которые называются тепловыми машинами, рабочее тело нагревается за счет тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Так, в паровой турбине электростанции нагревателем является топка с горячим углем. В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) продукты сгорания можно считать нагревателем, а избыток воздуха – рабочим телом. В качестве холодильника в них используется воздух атмосферы или вода природных источников.

КПД теплового двигателя (машины)

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД) называется отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше единицы и выражается в процентах. Невозможность превращения всего количества теплоты, полученного от нагревателя, в механическую работу является платой за необходимость организации циклического процесса и следует из второго закона термодинамики.

В реальных тепловых двигателях КПД определяют по экспериментальной механической мощности N двигателя и сжигаемому за единицу времени количеству топлива. Так, если за время t сожжено топливо массой m и удельной теплотой сгорания q , то

Для транспортных средств справочной характеристикой часто является объем V сжигаемого топлива на пути s при механической мощности двигателя N и при скорости . В этом случае, учитывая плотность r топлива, можно записать формулу для расчета КПД:

Второй закон термодинамики

Существует несколько формулировок второго закона термодинамики . Одна из них гласит, что невозможен тепловой двигатель, который совершал бы работу только за счет источника теплоты, т.е. без холодильника. Мировой океан мог бы служить для него, практически, неисчерпаемым источником внутренней энергии (Вильгельм Фридрих Оствальд, 1901).

Другие формулировки второго закона термодинамики эквивалентны данной.

Формулировка Клаузиуса (1850): невозможен процесс, при котором тепло самопроизвольно переходило бы от тел менее нагретых к телам более нагретым.

Формулировка Томсона (1851): невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет уменьшения внутренней энергии теплового резервуара.

Формулировка Клаузиуса (1865): все самопроизвольные процессы в замкнутой неравновесной системе происходят в таком направлении, при котором энтропия системы возрастает; в состоянии теплового равновесия она максимальна и постоянна.

Формулировка Больцмана (1877): замкнутая система многих частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное. Невозможен самопроизвольный выход системы из положения равновесия. Больцман ввел количественную меру беспорядка в системе, состоящей из многих тел – энтропию .

КПД теплового двигателя с идеальным газом в качестве рабочего тела

Если задана модель рабочего тела в тепловом двигателе (например, идеальный газ), то можно рассчитать изменение термодинамических параметров рабочего тела в ходе расширения и сжатия. Это позволяет вычислить КПД теплового двигателя на основании законов термодинамики.

На рисунке показаны циклы, для которых можно рассчитать КПД, если рабочим телом является идеальный газ и заданы параметры в точках перехода одного термодинамического процесса в другой.

Изобарно-изохорный

Изохорно-адиабатный

Изобарно-адиабатный

Изобарно-изохорно-линейный

Цикл Карно. КПД идеального теплового двигателя

Наибольшим КПД при заданных температурах нагревателя T нагр и холодильника T хол обладает тепловой двигатель, где рабочее тело расширяется и сжимается по циклу Карно (рис. 2), график которого состоит из двух изотерм (2–3 и 4–1) и двух адиабат (3–4 и 1–2).

Теорема Карно доказывает, что КПД такого двигателя не зависит от используемого рабочего тела, поэтому его можно вычислить, используя соотношения термодинамики для идеального газа:

Экологические последствия работы тепловых двигателей

Интенсивное использование тепловых машин на транспорте и в энергетике (тепловые и атомные электростанции) ощутимо влияет на биосферу Земли. Хотя о механизмах влияния жизнедеятельности человека на климат Земли идут научные споры, многие ученые отмечают факторы, благодаря которым может происходить такое влияние:

1. Парниковый эффект – повышение концентрации углекислого газа (продукт сгорания в нагревателях тепловых машин) в атмосфере. Углекислый газ пропускает видимое и ультрафиолетовое излучение Солнца, но поглощает инфракрасное излучение, идущее в космос от Земли. Это приводит к повышению температуры нижних слоев атмосферы, усилению ураганных ветров и глобальному таянию льдов.
2. Прямое влияние ядовитых выхлопных газов на живую природу (канцерогены, смог, кислотные дожди от побочных продуктов сгорания).
3. Разрушение озонового слоя при полетах самолетов и запусках ракет. Озон верхних слоев атмосферы защищает все живое на Земле от избыточного ультрафиолетового излучения Солнца.

Выход из создающегося экологического кризиса лежит в повышении КПД тепловых двигателей (КПД современных тепловых машин редко превышает 30%); использовании исправных двигателей и нейтрализаторов вредных выхлопных газов; использовании альтернативных источников энергии (солнечные батареи и обогреватели) и альтернативных средств транспорта (велосипеды и др.).

6.3. Второй закон термодинамики

6.3.1. Коэффициент полезного действия тепловых двигателей. Цикл Карно

Второе начало термодинамики возникло из анализа работы тепловых двигателей (машин). В формулировке Кельвина оно выглядит следующим образом: невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу.

Схема действия тепловой машины (теплового двигателя) представлена на рис. 6.3.

Цикл работы теплового двигателя состоит из трех этапов:

1) нагреватель передает газу количество теплоты Q 1 ;

2) газ, расширяясь, совершает работу A ;

3) для возвращения газа в исходное состояние холодильнику передается теплота Q 2 .

Из первого закона термодинамики для циклического процесса

где Q — количество теплоты, полученное газом за цикл, Q = Q 1 − Q 2 ; Q 1 — количество теплоты, переданное газу от нагревателя; Q 2 — количество теплоты, отданное газом холодильнику.

Поэтому для идеальной тепловой машины справедливо равенство

Когда потери энергии (за счет трения и рассеяния ее в окружающую среду) отсутствуют, при работе тепловых машин выполняется закон сохранения энергии

где Q 1 — теплота, переданная от нагревателя рабочему телу (газу); A — работа, совершенная газом; Q 2 — теплота, переданная газом холодильнику.

Коэффициент полезного действия тепловой машины вычисляется по одной из формул:

η = A Q 1 ⋅ 100 % , η = Q 1 − Q 2 Q 1 ⋅ 100 % , η = (1 − Q 2 Q 1) ⋅ 100 % ,

где A — работа, совершенная газом; Q 1 — теплота, переданная от нагревателя рабочему телу (газу); Q 2 — теплота, переданная газом холодильнику.

Наиболее часто в тепловых машинах используется цикл Карно , так как он является самым экономичным.

Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат, показанных на рис. 6.4.

Участок 1–2 соответствует контакту рабочего вещества (газа) с нагревателем. При этом нагреватель передает газу теплоту Q 1 и происходит изотермическое расширение газа при температуре нагревателя T 1 . Газ совершает положительную работу (A 12 > 0), его внутренняя энергия не изменяется (∆U 12 = 0).

Участок 2–3 соответствует адиабатному расширению газа. При этом теплообмена с внешней средой не происходит, совершаемая положительная работа A 23 приводит к уменьшению внутренней энергии газа: ∆U 23 = −A 23 , газ охлаждается до температуры холодильника T 2 .

Участок 3–4 соответствует контакту рабочего вещества (газа) с холодильником. При этом холодильнику от газа поступает теплота Q 2 и происходит изотермическое сжатие газа при температуре холодильника T 2 . Газ совершает отрицательную работу (A 34 Мотоблок