Основные части машины карно

Рейтинг 3.1/5 (115 голосов)

Н.Л.С. Карно (1796-1832) — французский физик, инженер, показал, что для работы теплового двигателя необходимо не менее двух источников теплоты с различными температурами, иначе это противоречило бы второму началу термодинамики.

Второе начало термодинамики исторически возникло из анализа работы тепловых двигателей. Из формулировки второго начала термодинамики по Кельвину следует, что вечный двигатель второго рода — периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет охлаждения одного источника теплоты, — невозможен.

Принцип действия теплового двигателя приведём на примере (рис.1): 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 передаётся количество теплоты Q₂, при этом совершается работа A = Q₁ — Q₂.

Процесс, обратный происходящему в тепловом двигателе, используется в холодильной машине, принцип действия которой представим на примере (рис.2): системой за цикл от термостата с более низкой температурой T₂ отнимается количество теплоты Q₂ и отдаётся термостату с более высокой температурой T₁ количество теплоты Q₁. Для кругового процесса Q=A, но по условию, Q=Q₂—Q₁

При адиабатическом расширении 2-3 теплообмен с окружающей средой отсутствует, и работа расширения A₂₃ совершается за счет изменения внутренней энергии и:

(2)

Количество теплоты Q₂, отданное газом холодильнику при изотермическом, сжатии равно работе сжатия A₃₄:

(3)

Работа адиабатического сжатия

(4)

Работа, совершаемая в результате кругового процесса ,

(5)

и, как можно показать определяется площадью, заштрихованной на рис.3.

Термический к.п.д. цикла Карно

(6)

Применив уравнение для диабад 2-3 и 4-1, получим

(7)

Подставляя (1) и (3) в формулу (6) получаем

т. е. для цикла Карно к.п.д. действительно определяется только температурами нагревателя и холодильника. Для его повышения необходимо увеличивать разность температур нагревателя и холодильника. К.п.д. всякого реального теплового двигателя из-за трения и неизбежных тепловых потерь гораздо меньше вычисленного для цикла Карно.

Обратный цикл Карно положен в основу действия тепловых насосов. В отличие от холодильных машин тепловые насосы должны как можно больше тепловой энергии отдавать горячему телу, например, системе отопления. Часть этой энергии отбирается от окружающей среды с более низкой температурой, а часть — получается за счет механической работы, производимой, например, компрессором.

Теорема Карно послужила основанием для установления термодинамической шкалы температур. Для сравнения температур двух тел необходимо осуществить обратимый цикл Карно, в котором одно тело используется в качестве нагревателя, другое — холодильника. Отношение температур тел равно отношению отданного в этом цикле количества теплоты к полученному. Согласно теореме Карно химический состав рабочего тела не влияет на результаты сравнения температур, поэтому такая термодинамическая шкала не связана со свойствами какого-то определённого термодинамического тела. Отметим, что практически таким образом сравнивать температуры трудно, так как реальные термодинамические процессы, как уже указывалось, являются необратимыми.

Тепловая машина. Цикл Карно

Машиной называется периодический действующий механизм, который, пройдя ряд термодинамических состояний, возвращается в исходное состояние и этот процесс повторяется.

Рассмотрим устройство и работу тепловой машины, изобретенной французским физиком Карно.

С помощью своей тепловой машины Карно провел важнейший опыт, который лег в основу второго начала термодинамики. Для проведения своего опыта Карно использовал цилиндрический сосуд с нетеплопроводными стенками и с теплопроводным дном, заключив в этот сосуд один моль газа. Внутри стенок сосуда перемещался поршень, который давал газу возможность изменять свой объем . В процессе проведения опыта в системе, изобретенной Карно, протекало 4 процесса: изотермическое расширение, адиабатическое расширение, изотермическое сжатие, адиабатическое сжатие. Графики этих процессов представлены на рисунке 33.

Рассмотрим работу идеальной тепловой машины, в качестве рабочего тела в которой используется один моль идеального газа (рис.33)

1. Газ в сжатом состоянии. Поршень в положении j. Обеспечивается изотермическое расширение. Дно соприкасается с нагревателем.
2. Газ расширяется до состояния k (P₂V₂T₁), а затем, адиабатически, до состояния l (P₃V₃T₂). Совершая работу газ охладится, поэтому Т₂

4. Далее газ адиабатически возвращается в состояние j.

В результате цикла, газ, получив количество теплоты Q₁ от нагревателя, и, передав часть тепла Q₂ холодильнику, совершил внешнюю работу.

Возникает вопрос – возможен ли переход системы в первоначальное состояние без участия холодильника. Очевидно, что нет. Проведенный Карно опыт лег в основу второго начала термодинамики.

Второе начало термодинамики — невозможен такой периодически действующий механизм, который бы все переданное ему тепло переводил бы в работу. Часть тепла должна быть отдана холодильнику.

Тепловая машина состоит из нагревателя, холодильника и рабочего тела (рис.34)

Нагреватель передаёт рабочему телу количество теплоты. Рабочее тело совершает работу, равную разности количества теплоты, переданного от нагревателя рабочему телу, и количества теплоты, полученного холодильником от рабочего тела. По такому же принципу, но с обратным циклом Карно, работает холодильная машина.

КПД тепловой машины.

Тепловые машины благодаря трению и неизбежным тепловым потерям имеют небольшой коэффициент полезного действия (например КПД двигателя внутреннего сгорания составляет 45%).

Энтропия — математическая абстракция вводимая, как мера беспорядка в системе и для описания термодинамических процессов.

Энтропия

Свойства энтропии.

1. Энтропия системы нескольких тел равна сумме энтропии этих тел.

2. При обратимых процессах энтропия неизменна, при необратимых – возрастает.

3. Энтропия изолированной системы не изменяется ни при каких процессах.

Вопросы для самоконтроля.

1.Записать уравнение для работы при изотермическом процессе.

2. Что называется тепловой машиной?

3. Сформулировать второе начало термодинамики?

4. Что называют энтропией?

5. Свойства энтропии.

6. В чем заключается цикл Карно?

7. Чему равен КПД тепловой машины?

8.Что называется числом степеней свободы?

9.Что называется внутренней энергии тела?

10.От чего зависит удельная теплоемкость газов?

11.В чем заключается физический смысл универсальной газовой постоянной?

12.Записать уравнение Майера.

13.Какой процесс называется термодинамическим?

14.Сформулировать первое начало термодинамики.

wiki.eduVdom.com

Инструменты пользователя

Инструменты сайта

Боковая панель

Физика:

Контакты

Содержание

Тепловые машины. Цикл Карно

В современной технике механическую энергию получают главным образом за счёт внутренней энергии топлива. Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии в механическую, называют тепловыми двигателями.

Примеры тепловых двигателей

КПД тепловой машины

Работа, совершаемая тепловой машиной, не может быть больше: $A = Q_ <1>— |Q_<2>|$, т.к. рабочее тело, получая некоторое количество теплоты ($Q_<1>$) от нагревателя , часть этого количества теплоты (по модулю равную $|Q_<2>|$) отдаёт холодильнику . Отношение этой работы к количеству теплоты, полученному расширяющимся газом от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия $\eta$ тепловой машины.

Коэффициент полезного действия любой тепловой машины считается по формуле: $$\eta = \frac>=\frac-|Q_<2>|>> = 1 — \frac<|Q_<2>|>>$$

Для увеличения КПД, при расширении или сжатии газа должны быть использованы процессы, позволяющие исключить уменьшение энергии горячего тела, которое происходило бы без совершения работы. Такие процессы существуют — это изотермический и адиабатный процесс.

Цикл Карно

Сади Карно искал пути решения актуальной для его времени задачи — установить причину несовершенства тепловых машин, найти пути наиболее эффективного их использования. Именно он, впервые предложил наиболее совершенный технический процесс, состоящий из изотерм и адиабат.

Схема цикла Карно

Прямой цикл Карно. Исходным состоянием рабочего тела двигателя является состояние точки 4 . На участке 4—1 цикла рабочее тело сжимается адиабатически, т. е. без потерь теплоты. В точке 1 к нему начинают изотермически подводить теплоту $Q_<1>$ от высокотемпературного источника, в результате чего рабочее тело расширяется по линии 1—2 . На участке 2—3 расширение рабочего тела продолжается уже без подвода теплоты, т. е. адиабатически. На участке 3—4 от рабочего тела с помощью источника низкой температуры отбирается теплота $Q_<2>$. В двигателях, работающих по разомкнутому циклу, когда теплоноситель в каждом цикле работы обновляется, процесс охлаждения заменяется процессом обновления теплоносителя.

Линия	Состояние		Описание
1-2	Изотерма $T=T_<1>$ $dQ_<1>$ (нагревание) $V\Uparrow$	От нагревателя поступает теплота $dQ_<1>$ (или $Q_$), газ под поршнем изотермически расширяется.	В начале процесса рабочее тело ( газ ) имеет температуру температуру нагревателя ($T_$ или $T_<1>$). Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты $Q_$ (или $Q_<1>$). При этом объём рабочего тела увеличивается, оно совершает механическую работу, а его энтропия возрастает.
2-3	Адиабата

$dQ=0$
$V\Uparrow$ Газ изолирован от нагревателя и холодильника и адиабатически расширяется. Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой.
При этом температура тела уменьшается до температуры холодильника ($T_$ или $T_<2>$), тело совершает механическую работу, а энтропия остаётся постоянной. 3-4 Изотерма
$T=T_<2>$
$dQ_<2>$
(охлаждение)
$V\Downarrow$ Газ изотермически (при $T = T_<2>$) сжимается и отдает теплоту $dQ_<2>$ холодильнику. Рабочее тело, имеющее температуру холодильника ($T_$ или $T_<2>$), приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты $Q_$ (или $Q_<2>$).
Над телом совершается работа, его энтропия уменьшается. 4-1 Адиабата

$dQ=0$
$V\Downarrow$ Газ изолирован и адиабатически сжимается. Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается под действием внешней силы без теплообмена с окружающей средой.
При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя ($T_$ или $T_<1>$), над телом совершается работа, его энтропия остаётся постоянной.

Иллюстрации цикла Карно

Цикл Карно

Максимальный КПД тепловой машины

Коэффициент полезного действия идеального цикла, как показал С.Карно, может быть выражен через температуру нагревателя ($T_<1>$) и холодильника ($T_<2>$). В реальных двигателях не удаётся осуществить цикл, состоящий из идеальных изотермических и адиабатных процессов. Поэтому КПД их цикла всегда меньше, чем КПД цикла Карно (при прочих равных условиях). $$\eta_ 3 . Адиабатически сжатое компрессором по линии 3—2 рабочее тело охлаждается изотермически по линии 2—1 и далее продолжает расширяться адиабатически по линии 1—4 . На изотерме 4—3 к рабочему телу подводится теплота камеры охлаждения и оно возвращается к исходному состоянию точки 3 .

При этом чем меньше разность температур между холодильной камерой и окружающей средой, тем меньше нужно затратить энергии для передачи теплоты от холодного тела к горячему и тем выше холодильный коэффициент.

Анализ обратного цикла Карно показывает, что передача теплоты от тела менее нагретого телу более нагретому возможна, но этот процесс требует соответствующей энергетической компенсации в системе, в виде затраченной работы или теплоты более высокого потенциала, способного совершить работу при переходе на более низкий потенциал.

Энтропия — часть внутренней энергии замкнутой системы или энергетической совокупности Вселенной, которая не может быть использована, в частности не может перейти или быть преобразована в механическую работу. Существует мнение, что мы можем смотреть на энтропию и как на меру беспорядка в системе.