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).
Цикл Карно
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.
Когда мы говорим об обратимости процессов, следует учитывать, что это некоторая идеализация. Все реальные процессы необратимы, поэтому и циклы, по которым работают тепловые машины, также необратимы, а значит и неравновесны. Однако для упрощения количественных оценок таких циклов необходимо считать их равновесными, то есть как если бы они состояли только из равновесных процессов. Этого требует хорошо разработанный аппарат классической термодинамики.
Знаменитый цикл идеального двигателя Карно считается равновесным обратным круговым процессом. В реальных условиях любой цикл не может быть идеальным, так как существуют потери. Он совершается между двумя источниками теплоты с постоянными температурами у теплоотдатчика Т 1 и теплоприемника Т 2 , а также рабочим телом, в качестве которого принят идеальный газ (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Цикл теплового двигателя
Полагаем, что Т 1 > Т 2 и отвод тепла от теплоотдатчика и подвод тепла к теплоприемнику не влияют на их температуры, T 1 и T 2 остаются постоянными. Обозначим параметры газа при левом крайнем положении поршня теплового двигателя: давление – Р 1 объем – V 1 , температура Т 1 . Это точка 1 на графике на осях P-V. В этот момент газ (рабочее тело) взаимодействует с теплоотдатчиком, температура которого также Т 1 . При движении поршня вправо давление газа в цилиндре уменьшается, а объем увеличивается. Это будет продолжаться до прихода поршня в положение, определяемые точкой 2, где параметры рабочего тела (газа) примут значения P 2 , V 2 , T 2 . Температура в этой точке остается неизменной, так как температура газа и теплоотдатчика одинакова в процессе перехода поршня от точки 1 к точке 2 (расширение). Такой процесс, при котором Т не изменяется, называется изотермическим, а кривая 1–2 называется изотермой. В этом процессе от теплоотдатчика к рабочему телу переходит теплота Q 1 .
В точке 2 цилиндр полностью изолируется от внешней среды (теплообмена нет) и при дальнейшем движении поршня вправо уменьшение давления и увеличение объема происходит по кривой 2–3, которая называется адиабатой (процесс без теплообмена с внешней средой). Когда поршень переместится в крайнее правое положение (точка 3), процесс расширения закончится и параметры будут иметь значения Р 3 , V 3 , а температура станет равной температуре теплоприемника Т 2 . При этом положении поршня изоляция рабочего тела снижается и оно взаимодействует с теплоприемником. Если теперь увеличивать давление на поршень, то он будет перемещаться влево при неизменной температуре Т 2 (сжатие). Значит, этот процесс сжатия будет изотермическим. В этом процессе теплота Q 2 перейдет от рабочего тела к тепло-приемнику. Поршень, двигаясь влево, придет в точку 4 с параметрами P 4 , V 4 и T 2 , где рабочее тело вновь изолируется от внешней среды. Дальнейшее сжатие происходит по адиабате 4–1 с повышением температуры. В точке 1 сжатие заканчивается при параметрах рабочего тела P 1 , V 1 , T 1 . Поршень возвратился в исходное состояние. В точке 1 изоляция рабочего тела от внешней среды снимается и цикл повторяется.
Коэффициент полезного действия идеального двигателя Карно.
Работа, совершаемая двигателем, равна:
Впервые этот процесс был рассмотрен французским инженером и ученым Н. Л. С. Карно в 1824 г. в книге «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».
Целью исследований Карно было выяснение причин несовершенства тепловых машин того времени (они имели КПД ≤ 5 %) и поиски путей их усовершенствования.
Цикл Карно — самый эффективный из всех возможных. Его КПД максимален.
На рисунке изображены термодинамические процес-сы цикла. В процессе изотермического расширения (1-2) при температуре T 1 , работа совершается за счет измене-ния внутренней энергии нагревателя, т. е. за счет подве-дения к газу количества теплоты Q :
A 12 = Q 1 ,
Охлаждение газа перед сжатием (3-4) происходит при адиабатном расширении (2-3). Изменение внутренней энергии ΔU 23 при адиабатном процессе (Q = 0 ) полностью преобразуется в механическую работу:
A 23 = -ΔU 23 ,
Температура газа в результате адиабатического рас-ширения (2-3) понижается до температуры холодильни-ка T 2 < T 1 . В процессе (3-4) газ изотермически сжимает-ся, передавая холодильнику количество теплоты Q 2 :
A 34 = Q 2 ,
Цикл завершается процессом адиабатического сжатия (4-1), при котором газ нагревается до температуры Т 1 .
Максимальное значение КПД тепловых двигателей, работающих на идеальном газе, по циклу Карно:
.
Суть формулы выражена в доказанной С . Карно теореме о том, что КПД любого теплового двигателя не может превышать КПД цикла Карно, осуществляемого при той же температуре нагревателя и холодильника.
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.
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
Q = A ,
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
Q 1 − Q 2 = A .
Когда потери энергии (за счет трения и рассеяния ее в окружающую среду) отсутствуют, при работе тепловых машин выполняется закон сохранения энергии
Q 1 = A + Q 2 ,
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.
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 < 0), его внутренняя энергия не изменяется (∆U 34 = 0).
Участок 4–1 соответствует адиабатному сжатию газа. При этом теплообмена с внешней средой не происходит, совершаемая отрицательная работа A 41 приводит к увеличению внутренней энергии газа: ∆U 41 = −A 41 , газ нагревается до температуры нагревателя T 1 , т.е. возвращается в исходное состояние.
Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по циклу Карно, вычисляется по одной из формул:
η = T 1 − T 2 T 1 ⋅ 100 % , η = (1 − T 2 T 1) ⋅ 100 % ,
где T 1 - температура нагревателя; T 2 - температура холодильника.
Пример 9. Идеальная тепловая машина совершает за цикл работу 400 Дж. Какое количество теплоты передается при этом холодильнику, если коэффициент полезного действия машины равен 40 %?
Решение . Коэффициент полезного действия тепловой машины определяется формулой
η = A Q 1 ⋅ 100 % ,
где A - работа, совершаемая газом за цикл; Q 1 - количество теплоты, которое передается от нагревателя рабочему телу (газу).
Искомой величиной является количество теплоты Q 2 , переданное от рабочего тела (газа) холодильнику, не входящее в записанную формулу.
Связь между работой A , теплотой Q 1 , переданной от нагревателя газу, и искомой величиной Q 2 устанавливается с помощью закона сохранения энергии для идеальной тепловой машины
Q 1 = A + Q 2 .
Уравнения образуют систему
η = A Q 1 ⋅ 100 % , Q 1 = A + Q 2 , }
которую необходимо решить относительно Q 2 .
Для этого исключим из системы Q 1 , выразив из каждого уравнения
Q 1 = A η ⋅ 100 % , Q 1 = A + Q 2 }
и записав равенство правых частей полученных выражений:
A η ⋅ 100 % = A + Q 2 .
Искомая величина определяется равенством
Q 2 = A η ⋅ 100 % − A = A (100 % η − 1) .
Расчет дает значение:
Q 2 = 400 ⋅ (100 % 40 % − 1) = 600 Дж.
Количество теплоты, переданной за цикл от газа холодильнику идеальной тепловой машины, составляет 600 Дж.
Пример 10. В идеальной тепловой машине от нагревателя к газу поступает 122 кДж/мин, а от газа холодильнику передается 30,5 кДж/мин. Вычислить коэффициент полезного действия данной идеальной тепловой машины.
Решение . Для расчета коэффициента полезного действия воспользуемся формулой
η = (1 − Q 2 Q 1) ⋅ 100 % ,
где Q 2 - количество теплоты, которое передается за цикл от газа холодильнику; Q 1 - количество теплоты, которое передается за цикл от нагревателя рабочему телу (газу).
Преобразуем формулу, выполнив деление числителя и знаменателя дроби на время t :
η = (1 − Q 2 / t Q 1 / t) ⋅ 100 % ,
где Q 2 /t - скорость передачи теплоты от газа холодильнику (количество теплоты, которое передается газом холодильнику в секунду); Q 1 /t - скорость передачи теплоты от нагревателя рабочему телу (количество теплоты, которое передается от нагревателя газу в секунду).
В условии задачи скорость передачи теплоты задана в джоулях в минуту; переведем ее в джоули в секунду:
- от нагревателя газу -
Q 1 t = 122 кДж/мин = 122 ⋅ 10 3 60 Дж/с;
- от газа холодильнику -
Q 2 t = 30,5 кДж/мин = 30,5 ⋅ 10 3 60 Дж/с.
Рассчитаем коэффициент полезного действия данной идеальной тепловой машины:
η = (1 − 30,5 ⋅ 10 3 60 ⋅ 60 122 ⋅ 10 3) ⋅ 100 % = 75 % .
Пример 11. Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по циклу Карно, равен 25 %. Во сколько раз увеличится коэффициент полезного действия, если температуру нагревателя увеличить, а температуру холодильника уменьшить на 20 %?
Решение . Коэффициент полезного действия идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно, определяется следующими формулами:
- до изменения температур нагревателя и холодильника -
η 1 = (1 − T 2 T 1) ⋅ 100 % ,
где T 1 - первоначальная температура нагревателя; T 2 - первоначальная температура холодильника;
- после изменения температур нагревателя и холодильника -
η 2 = (1 − T ′ 2 T ′ 1) ⋅ 100 % ,
где T ′ 1 - новая температура нагревателя, T ′ 1 = 1,2 T 1 ; T ′ 2 - новая температура холодильника, T ′ 2 = 0,8 T 2 .
Уравнения для коэффициентов полезного действия образуют систему
η 1 = (1 − T 2 T 1) ⋅ 100 % , η 2 = (1 − 0,8 T 2 1,2 T 1) ⋅ 100 % , }
которую необходимо решить относительно η 2 .
Из первого уравнения системы с учетом значения η 1 = 25 % найдем отношение температур
T 2 T 1 = 1 − η 1 100 % = 1 − 25 % 100 % = 0,75
и подставим во второе уравнение
η 2 = (1 − 0,8 1,2 ⋅ 0,75) ⋅ 100 % = 50 % .
Искомое отношение коэффициентов полезного действия равно:
η 2 η 1 = 50 % 25 % = 2,0 .
Следовательно, указанное изменение температур нагревателя и холодильника тепловой машины приведет к увеличению коэффициента полезного действия в 2 раза.