Обратные

Первый закон термодинамики, являясь частным случаем общего закона сохранения и превращения энергии, утверждает, что теплота может превращаться в работу, а работа в теплоту, не устанавливая условий, при которых возможны эти превращения.

Однако между преобразованием теплоты в работу и обратно существует глубокое различие. Закон, позволяющий указать направление теплового потока и устанавливающий максимально возможный предел превращения теплоты в работу в тепловых машинах, представляет собой новый закон, полученный из опыта – второй закон термодинамики.

Утверждение о невозможности получения работы за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии составляет основное положение второго закона термодинамики.

Клаузиус: «Тепло не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому».

Планк, Томсон: «Невозможно построить периодически действующую машину, единственным результатом действия которой было бы совершение механической работы за счет охлаждения теплового резервуара».

Тело расширяется по кривой 1-3-2 ;

Работа расширения изображается площ. 123451.

Для возвращения в т.1 имеются три направления:

1. кривая 2-3-1 :

работа расширения равна рабрте сжатия, положительная работа равна 0, т.е.

площ. 132451 = площ. 231542 .

2. кривая сжатия 2-6-1 :

работа сжатия больше работы расширения, т.е.

площ. 132451 < площ. 261542.

3. кривая сжатия 2-7-1 :

работа расширения больше работы сжатия, т.е.

площ. 132451 > площ. 271542, площ. 13271 – положительная работа или работа цикла.

Цикл с положительной работой цикла – называется прямым циклом или циклом теплового двигателя.

Цикл с отрицательной работой цикла – называется обратным циклом или циклом холодильной машины .

Цикл, состоящий из равновесных обратимых процессов, будет обратимым.

Имеем цикл 1-2-3-4-1

q ₁ - теплота подводимая к рабочему телу от горячего источника ,

q ₂ - теплота отводимая от рабочего тела в холодильник,

l _ц - работа цикла .

l _ц = l _расш – l _сж = пл 12561 – пл 34653 = пл 12341 .

В работу превращается теплота равная :

q ₁ – q ₂ = l_ц .

Степень совершенства преобразования теплоты в работу в цикле оценивается термическим КПД цикла :

= = = 1 - < 1
Имеем обратный цикл 1-4-3-2-1

l _ц = пл 43214 - работа, которую надо затратить на осуществление цикла

q ₁ = q ₂ + l _ц ,

где q ₁ - теплота, отданная нагревателю;

q ₂ - теплота, взятая от холодного источника .

Работа холодильной машины оценивается холодильным коэффициентом :

=

Тепловыми насосами называются машины , конечным продуктом которых является производство теплоты q ₁ .

Эффективность работы тепловых насосов оценивается отопительным коэффициентом

Цикл Карно

Цикл имеющий максимальное значение термического КПД предложен инженерам Сади Карно в 1824 году.

Цикл состоит из

адиабат 2-3 и 4-1 и изотерм 1-2 и 3-4 .

Рабочее тело считаем идеальным газом .

Процесс 1-2:

L _1-2 = m R T₁ ln – работа, совершаемая газом при расширении ;

Q _1-2 = Q ₁ = m R T₁ ln – подводимая к газу теплота.

Процесс 2-3:

L _2-3 = (T ₁ – T ₂) – адиабатная работа расширения ;

Q _2-3 = 0.

Процесс 3-4:

L _3-4 = m R T₂ ln = - m R T₂ ln - работа, затрачиваемая на сжатие газа;

Q _3-4 = Q ₂ = - m R T₂ ln - теплота отводимая от газа в холодильник.

Процесс 4-1:

L_4-1 = (T₂ – T₁) = - (T₁ – T₂) - работа , затрачиваемая на сжатие газа;

Q_4-1 = 0.

Полезная работа цикла равна:

L_ц = пл 12341 = пл 123681 + пл 23562 – пл 43574 – пл 14781;

L_ц = L_1-2 + L_2-3 + L_3-4 + L_4-1;

L_ц = m R T₁ ln + ( T₁ – T₂ ) - m R T₂ ln - ( T₁ – T₂ );

L_ц = m R T₁ ln - m R T₂ ln .

Q₁ = Q_1-2 = m R T₁ ln .

.

Для процессов 2-3 и 4-1 имеем:

, ;

, ;

= ,

или .

Откуда = 1 - .

ЦИКЛЫ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Двигатели, в которых процесс сгорания осуществляется в рабочем пространстве машины, называют двигателями внутреннего сгорания.

При исследовании термодинамических циклов двигателей внутреннего сгорания полагают:

1) Циклы замкнуты;

2) Рабочее тело – идеальный газ с постоянной теплоемкостью;

3) Процесс сгорания заменяется обратимым процессом подвода теплоты;

4) Процесс отвода теплоты заменяется обратимым процессом;

5) Механические и тепловые потери отсутствуют.

Цель изучения идеальных циклов – необходимость оценки совершенства действительных тепловых процессов, происходящих в двигателях , а также факторов, влияющих на экономичность двигателя и величину развиваемой им работы.

7.1 Цикл с подводом теплоты при V= const. (Цикл Отто)

Представим цикл с подводом теплоты при V= const в PV и PS – диаграммах.

Цикл состоит из:

1) адиабатного сжатия a-c;

2) изохорного подвода теплоты c-z;

3) адиабатного расширения z-e;

4) изохорного отвода теплоты e-a.

Этот цикл был предложен Отто для двигателей с искровым зажиганием.

Введем обозначения:

- степень сжатия;

- степень повышения давления.

Определим параметры в основных точках цикла.

Точка c:

, ;

, .

Точка z:

, ;

, .

Точка e:

, ;

, .

Определим термический КПД цикла:

.

;

;

,

;

.

Анализируя результаты расчета видим, что : с ; с ; с .

Следовательно, > нецелесообразен , т. к. значителен, а незначителен .

, однако вызывает появление самовоспламенения смеси и детонация .

Следовательно , ограничен сортом топлива , антидетанационными свойствами.

Цикл с подводом теплоты при Р = const. (Цикл Дизеля)

Двигатели работающие по такому циклу называются дизелями . Цикл предложен Дизелем :

Идеальный цикл Дизеля представлен на рисунке в PV и ТS – диаграммах.

Цикл состоит из:

1. адиабатного сжатия a-c;

2. изобарного подвода теплоты c-z;

3. адиабатного расширения z-e;

4. изохорного отвода теплоты e-a.

Введем обозначения:

- степень сжатия;

- степень предварительного расширения.

Определим параметры в основных точках цикла.

Точка c:

, ;

, .

Точка z:

;

, .

Точка e:

,

,

Подведенная теплота равна:

.

Отведенная теплота равна:

.

Термический КПД равен:

,

.

Работа цикла равна:

.

Анализируя полученные формулы, видим, что:

с с

если с

следовательно, с

Сравним и при одинаковых и и различных .

;

; >

Следовательно, цикл Дизеля при больших степенях сжатия выгоднее , чем цикл Отто.

Цикл со смешанным подводом теплоты

Подвод теплоты осуществляется при V= const , затем при Р = const.

Использует положительные свойства цикла Отто и Дизеля.

Процесс сгорания осуществляется сначала в форкамере с ростом давления, затем продолжается в цилиндре при постоянном давлении.

Представим цикл в PV и ТS – диаграммах.

Цикл состоит из:

1. адиабатного сжатия a-c;

2. изохорного подвода теплоты c-z;

3. изобарного подвода теплоты z-z¢;

4. адиабатного расширения z¢-e;

5. изохорного отвода теплоты e-a.

Введем обозначения:

- степень сжатия;

- степень повышения давления;

- степень предварительного расширения.

Определим параметры в основных точках цикла.

Точка c:

, ;

, .

Точка z:

, ;

, .

Точка z¢:

;

, .

Точка e:

,

, ,

.

Термический КПД цикла.

;

;

;

;

,

.

При , цикл обращается в цикл с подводом теплоты при

.

При , цикл обращается в цикл с подводом теплоты при p=const

.

При одинаковых конечных давлениях и температурах во всех трех циклах и одинаковом количестве отводимой теплоты имеем:

.

ИСТЕЧЕНИЕ ГАЗОВ И ПАРОВ