Что является рабочим телом теплового двигателя является - Авто журнал "Гараж"
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что является рабочим телом теплового двигателя является

Тепловой двигатель

Термодинамика возникла как наука с основной задачей – созданием наиболее эффективных тепловых машин.

Тепловая машина или тепловой двигатель – это периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получения теплоты.

Обычно совершение работы в тепловом двигателе производится газом при его расширении. Газ, находящийся в нем, получил название рабочего тела. Зачастую его заменяют на воздух или водяные пары. Расширение газа происходит по причине повышения его температуры и давления.

Устройство, от которого рабочее тело получает тепло Q n , называю нагревателем.

Это понимается как расширение от объема V 1 к V 2 V 2 > V 1 , затем сжатие до первоначального объема. Чтобы значение совершаемой работы за цикл было больше нуля, необходимо температуру и давление увеличить и сделать больше, чем при его сжатии. То есть при расширении телу сообщается определенное количество теплоты, а при сжатии отнимается. Значит, кроме нагревателя тепловой двигатель должен иметь холодильник, которому рабочее тело может отдавать тепло.

Рабочее тело совершает работу циклично. Очевидно, изменение внутренней энергии газа в двигателе равняется нулю. Если при расширении от нагревателя к рабочему телу передается теплота в количестве Q n , то при сжатии Q ‘ c h теплота рабочего тела передается холодильнику по первому закону термодинамики, учитывая, что ∆ U = 0 , то значение работы газа в круговом процессе запишется как:

A = Q n — Q ‘ c h ( 1 ) .

Отсюда теплота Q ‘ c h ≠ 0 . Выгодность двигателя определяется по количеству выделенной и превращенной теплоты, полученной от нагревателя, в работу. Его эффективность характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД), определяющимся как:

Запись уравнения ( 2 ) при учитывании ( 1 ) примет вид:

η = Q n — Q ‘ c h Q n ( 3 ) , КПД всегда.

Машина, отбирающая от тела с меньшей температурой определенное количество теплоты Q c h и отдающая его Q ‘ n телу с наиболее высокой температурой с Q ‘ n > Q c h , получила название холодильной машины.

Данная машина должна совершить работу A ‘ в течение цикла. Эффективность холодильной машины определяется по холодильному коэффициенту, вычисляемому:

a = Q ‘ n A ‘ = Q ‘ n Q ‘ n — Q c h ( 4 ) .

КПД необратимого теплового двигателя всегда меньше, чем работающего по обратимому циклу.

КПД теплового двигателя

Французским инженером Саади Карно была установлена зависимость КПД теплового двигателя от температуры нагревателя T n и холодильника T c h . Форма конструкции теплового двигателя и выбор рабочего тела не влияет на КПД идеальной тепловой машины:

η m a x = T n — T c h T n ( 5 ) .

Любой реальный тепловой двигатель может обладать КПД η ≤ η m a x .

Принцип работы теплового двигателя

Идеальная машина, модель которой разработал Карно, работает по обратимому циклу, состоящему из двух изотерм ( 1 — 2 , 4 — 3 ) и двух адиабат ( 2 — 3 , 4 — 1 ) , изображенная на рисунке 1 . В качестве рабочего тела выбран идеальный газ. Прохождение адиабатного процесса происходит без подвода и отвода тепла.

Участок 1 — 2 характеризуется сообщением рабочему телу от нагревателя с температурой T n количества тепла Q n . При изотермическом процессе запись примет вид:

Q n = T n ( S 2 — S 1 ) ( 6 ) , где S 1 , S 2 являются энтропиями в соответствующих точках цикла из рисунка 1 .

Видно, что участок 3 — 4 характеризуется отдачей тепла холодильнику с температурой T c h идеальным газом, причем количество теплоты равняется получению газом теплоты — Q c h , тогда:

— Q c h = T c h ( S 1 — S 2 ) ( 7 ) .

Выражение, записанное в скобках в ( 7 ) , указывает на приращение энтропии процесса 3 — 4 .

Принцип действия тепловых двигателей КПД

Произведем подстановку ( 6 ) , ( 7 ) в определение КПД теплового двигателя и получаем:

η = T n ( S 2 — S 1 ) + T c h ( S 1 — S 2 ) T n ( S 2 — S 1 ) = T n — T c h T n ( 8 ) .

В выведенном выражении ( 8 ) не выполнялось предположений о свойствах рабочего тела и устройстве теплового двигателя.

По уравнению ( 8 ) видно, что для увеличения КПД следует повышать T n и понижать T c h . Достижение значения абсолютного нуля невозможно, поэтому единственное решение для роста КПД – увеличение T n .

Задача по созданию теплового двигателя, совершающего работу без холодильника, очень интересна. В физике она получила название вечного двигателя второго рода. Такая задача не находится в противоречии с первым законом термодинамики. Данная проблема считается неразрешимой, как и создание вечного двигателя первого рода. Этот опытный факт в термодинамике приняли в качестве постулата – второго начала термодинамики.

Рассчитать КПД теплового двигателя с температурой нагревания 100 ° С и температурой холодильника, равной 0 ° С . Считать тепловую машину идеальной.

Читать еще:  Гул двигателя на холостых шевроле круз

Решение

Необходимо применение выражения для КПД теплового двигателя, которое записывается как:

η = T n — T c h T n .

Используя систему С И , получим:

T n + 100 ° C + 273 = 373 ( К ) . T c h = 0 ° C + 273 = 273 ( К ) .

Подставляем числовые значения и вычисляем:

η = 373 — 273 373 = 0 , 27 = 27 % .

Ответ: КПД теплового двигателя равняется 27 % .

Найти КПД цикла, представленного на рисунке 2 , если в его пределах объем идеального газа проходит изменения n раз. Считать рабочим веществом газ с показателем адиабаты γ .

Решение

Основная формула для вычисления КПД, необходимая для решения данной задачи:

η = Q n — Q ‘ n Q n ( 2 . 1 ) .

Получения тепла газом происходит во время процесса 1 — 2 Q 12 = Q n :

Q 12 = ∆ U 12 + A 12 ( 2 . 2 ) , где A 12 = 0 потому как является изохорным процессом. Отсюда следует:

Q 12 = ∆ U 12 = i 2 R T 2 — T 1 ( 2 . 3 ) .

Процесс, когда газ отдает тепло, обозначается как 3 — 4 , считается изохорным — Q 34 = Q ‘ c h . Формула примет вид:

Q 34 = ∆ U 34 = i 2 v R T 4 — T 3 ( 2 . 4 ) .

Адиабатные процессы проходят без подвода и отвода тепла.

Произведем подстановку полученных количеств теплоты в выражение для КПД, тогда:

η = i 2 v R T 2 — T 1 + i 2 v R T 4 — T 3 i 2 v R T 2 — T 1 = T 2 — T 1 + T 4 — T 3 T 2 — T 1 = 1 — T 3 — T 4 T 2 — T 1 ( 2 . 5 ) .

Следует применить уравнение для адиабаты процессу 2 — 3 :

T 2 V 1 γ — 1 = T 3 V 2 γ — 1 → T 2 = T 3 V 2 γ — 1 V 1 γ — 1 = T 3 n γ — 1 ( 2 . 6 ) .

Используем выражение для адиабаты процесса 4 — 1 :

T 1 V 1 γ — 1 = T 3 V 2 γ — 1 → T 1 = T 4 V 2 γ — 1 V 1 γ — 1 = T 4 n γ — 1 ( 2 . 7 ) .

Перейдем к нахождению разности температур T 2 — T 1 :

T 2 — T 1 = T 3 — T 4 n Г — 1 ( 2 . 8 ) .

Произведем подстановку из ( 2 . 8 ) в ( 2 . 5 ) :

η = 1 — T 3 — T 4 T 3 — T 4 n γ — 1 = 1 — 1 n γ — 1 = 1 — n 1 — γ ( 2 . 9 ) .

Ответ: КПД цикла равняется η = 1 — n 1 — Г .

Рабочее тело

Рабо́чее те́ло — в теплотехнике и термодинамике условное несменяемое материальное тело, расширяющееся при подводе к нему теплоты и сжимающееся при охлаждении и выполняющее работу по перемещению рабочего органа тепловой машины. В теоретических разработках рабочее тело обычно обладает свойствами идеального газа.

На практике рабочим телом тепловых двигателей являются продукты сгорания углеводородного топлива (бензина, дизельного топлива и др.), или водяной пар, имеющие высокие термодинамические параметры (начальные: температура, давление, скорость и т. д. )
В холодильных машинах в качестве рабочего тела используются фреоны, аммиак, гелий, водород, азот. (См. Хладагенты)

Электрический ракетный двигатель в качестве рабочего тела использует ионизированное расходуемое вещество.

В лазерной технике рабочим телом называется оптический элемент лазера, в котором происходит формирование когерентного электромагнитного излучения.

См. также

  • Двигатель внутреннего сгорания
  • Двигатель внешнего сгорания

Wikimedia Foundation . 2010 .

  • Керченский горсовет
  • Эмке, Фредерик

Полезное

Смотреть что такое «Рабочее тело» в других словарях:

РАБОЧЕЕ ТЕЛО — газообразное или жидкое вещество, с помощью которого какая либо энергия преобразуется в механическую работу, холод, теплоту. Наиболее распространенные рабочие тела: водяной пар в паровых турбинах, продукты сгорания органического топлива в… … Большой Энциклопедический словарь

Рабочее тело — вещество, изменение параметров и физико химического состояния которого, происходящее в элементах двигателя (компрессор, камера сгорания, турбина, входное и выходное устройства и др.) и в процессах, составляющих термодинамический цикл двигателя,… … Энциклопедия техники

рабочее тело — Газообразное или жидкое вещество, с помощью которого осуществляется преобразование какой либо энергии при получении холода, тепла или механической работы [ГОСТ 26883 86] Тематики внешние воздействующие факторы Обобщающие термины ВВФ специальных… … Справочник технического переводчика

РАБОЧЕЕ ТЕЛО — газообразное или жидкое вещество, с помощью которого в машинах осуществляются преобразования энергии, получение работы, теплоты или холода. В качестве Р. т. используют: водяной пар в паровых турбинах, воздух в воздушно реактивных двигателях,… … Большая политехническая энциклопедия

Рабочее тело — 38. Рабочее тело Газообразное или жидкое вещество, с помощью которого осуществляется преобразование какой либо энергии при получении холода, тепла или механической работы Источник: ГОСТ 26883 86: Внешние воздействующие факторы. Термины и… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Читать еще:  113 двигатель мерседес какое масло заливать

рабочее тело — газообразное или жидкое вещество, с помощью которого какая либо энергия преобразуется в механическую работу, холод, теплоту. Наиболее распространённые рабочие тела: водный пар в паровых турбинах, продукты сгорания органического топлива в… … Энциклопедический словарь

рабочее тело — рабочая среда; рабочее тело Проводящая среда, движущаяся через МГД устройство, в котором она взаимодействует с магнитным полем То из участвующих в термодинамическом процессе тел, посредством которого осуществляется преобразование теплоты в работу … Политехнический терминологический толковый словарь

рабочее тело — darbinė medžiaga statusas T sritis chemija apibrėžtis Skystis arba dujos, naudojami mašinoje vienai energijos rūšiai pakeisti kita. atitikmenys: angl. working medium rus. рабочее тело … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

рабочее тело — darbinė medžiaga statusas T sritis Energetika apibrėžtis Medžiaga, naudojama šiluminei energijai versti mechanine, taikant kūnų šiluminio plėtimosi savybę. atitikmenys: angl. working fluid; working substance vok. Arbeitmittel, n rus. рабочее тело … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

Рабочее тело — газообразное или жидкое вещество, с помощью которого осуществляется преобразование какой либо энергии при получении механической работы (в двигателях (См. Двигатель)), холода (в холодильных машинах (См. Холодильная машина)), теплоты (в… … Большая советская энциклопедия

Кпд тепловых двигателей находят по формуле. Тепловой двигатель

Чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ (см. § 3.11), который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через Т 1 . Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т 1 называют температурой нагревателя.

Роль холодильника

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т 2 . Эта температура не может быть ниже температуры окружающей среды, так как в противном случае давление газа станет меньше атмосферного и двигатель не сможет работать. Обычно температура Т 2 несколько больше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника. Холодильником являются атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть несколько ниже температуры атмосферы.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть энергии неизбежно передается атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии безвозвратно теряется. Именно об этом и говорит второй закон термодинамики в формулировке Кельвина.

Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 5.15. Рабочее тело двигателя получает при сгорании топлива количество теплоты Q 1 , совершает работу А» и передает холодильнику количество теплоты |Q 2 | 4.2 . Всего получено оценок: 293.

Энциклопедичный YouTube

Математически определение КПД может быть записано в виде:

η = A Q , >,>

где А — полезная работа (энергия), а Q — затраченная энергия.

Если КПД выражается в процентах, то он вычисляется по формуле:

где Q X >> — тепло, отбираемое от холодного конца (в холодильных машинах холодопроизводительность); A

Для тепловых насосов используют термин коэффициент трансформации

где Q Γ > — тепло конденсации, передаваемое теплоносителю; A — затрачиваемая на этот процесс работа (или электроэнергия).

В идеальной машине Q Γ = Q X + A =Q_ >+A> , отсюда для идеальной машины ε Γ = ε X + 1 =varepsilon _ >+1>

Наилучшими показателями производительности для холодильных машин обладает обратный цикл Карно : в нём холодильный коэффициент

Читать еще:  Что за двигатель ваз 16v

ε = T X T Γ − T X > over -T_ >>>> , поскольку, кроме принимаемой в расчёт энергии A (напр., электрической), в тепло Q идёт и энергия, отбираемая от холодного источника.

Об ограниченности области применения теоремы Карно

Полный текст:

  • Аннотация
  • Об авторе
  • Список литературы
  • Cited By

Аннотация

Целью написания данной статьи является сравнительное исследование обратимого теплового двигателя с идеальным или реальным газом в качестве рабочего тела и определение изменения его коэффициента полезного действия в зависимости от термодинамических характеристик рабочего тела. Основным методом исследования является метод термодинамических потенциалов, базирующийся, прежде всего на анализе изменения свободной и внутренней энергии идеального и реального газа в циклическом процессе. В статье на основе теории термодинамических потенциалов произведено рассмотрение квазистатического теплового двигателя Карно, в рамках которого осуществлен сравнительный анализ его работы, как для цикла с рабочим телом идеальный газ, так и для цикла с рабочим телом реальный газ. В работе выявлена и обоснована возможность анализа циклических процессов, протекающих в тепловых двигателях с использованием метода термодинамических потенциалов. На основе проведѐнного исследования установлено, что существующая формулировка теоремы Карно справедлива только для рабочего тела «идеальный газ». В общем случае, на основании проведѐнной работы, теорема Карно может быть сформулирована, например, следующим образом: коэффициент полезного действия тепловой машины ηr, при еѐ функционировании по обратимому циклу Карно с рабочим телом реальный газ, определяется следующей формулой:

где TA и TB — температура, соответственно, верхней и нижней изотерм цикла Карно;

ε – поправка (положительная или отрицательная), зависящая от термодинамических свойств реального газа, которая стремится к нулю при приближении свойств реального газа к свойствам газа идеального.

Ключевые слова

Об авторе

Список литературы

1. Киселёв В.Г. Парадокс Гиббса и его решениe //Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2016. № 11-12. С. 129–137.

2. Киселёв В.Г. Изотермическое расширение идеального газа и химическое сродство // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2017. № 11-12. С.142–151

3. Киселёв В.Г. Тепловые машины Филипса и Карно с точки зрения теории термодинамических потенциалов / В.Г. Киселёв // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2018. № 9-10. С. 154–165.

4. Gibbs J Willard. The Collected Works. Longmans, Green and Co (NY):1928. Vol.1, pp. XXVIII + 434.

5. Thomson W. Mathematical and Physical Papers. Cambridge at the University:1882. Vol. 1. pp. 174- 232.

6. Ihnatovych V. Study of the possibility of eliminating the Gibbs paradox within the framework of classical thermodynamics. Доступен по: http://arxiv.org/pdf/1306.5737. Ссылка активна на 2013.

7. Ihnatovych V. The logical foundations of Gibbs’ paradox in classical thermodynamics. Доступно по: http://arxiv.org/pdf/1305.0742 Ссылка активна на 2013.

8. Ihnatovych V On the incorrectness of the proof of the Gibbs theorem on the entropy of a mixture of ideal gases, which was given by J. W.Gibbs. Preprintat http://arxiv.org/pdf/1804.08721 Ссылка активна на. 2018.

9. Ihnatovych V. Explanation of the Gibbs paradox.Доступно по:https://zenodo.org/record/2908285. Ссылка активна на 14 февраля 2019 г

10. Ihnatovych Volodymyr. Explanation of the Gibbs paradox. Zenodo.2019. http://doi.org/10.5281/zenodo.2908285 Ссылка активна на 18 мая 2018г.

11. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур:. М.: Мир, 2002. 461 с.

12. Глазов В.М. Основы физической химии:.М.: Высшая школа, 1981.

13. Измайлов Н.А. Электрохимия растворов.М.: Химия, 1976. 488 с.

14. Николаев Л.А. Физическая химия. М.: Высшая школа, 1979. 372 с.

15. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. М.: Высшая школа, 1975. 568 с.

Для цитирования:

Киселёв В.Г. Об ограниченности области применения теоремы Карно. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2019;21(3):32-45. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2019-21-3-32-45

For citation:

Kiselev V.G. Regarding the application limitations of the Carnot, s theorem. Power engineering: research, equipment, technology. 2019;21(3):32-45. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2019-21-3-32-45


Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector