Arskama.ru

Автомобильный журнал
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что называется рабочим телом в двигателе

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.

Тепловой двигатель

Вы будете перенаправлены на Автор24

Что такое тепловая машина

Термодинамика возникла как наука, основной задачей которой было создание наиболее эффективных тепловых машин.

Тепловой машиной (или тепловым двигателем) называется периодически действующий двигатель, который совершает работу за счет получения теплоты.

Обычно в тепловом двигателе механическая работа совершается газом при его расширении. При этом газ в тепловом двигателе называют рабочим телом. Очень часто в качестве рабочего тела выступают воздух или водяные пары. Расширение газа происходит в результате повышения его температуры и давления. Устройство, от которого рабочее тело получает тепло ($Q_n$), называют нагревателем. Таким образом, рабочее тело сначала расширяется от объема $V_1 $до объема $V_2$ $<(V>_2>V_1)$, а затем сжимается до первоначального объема. Для того, чтобы работа, которая совершается за цикл, была больше нуля, давление и температура при расширении должны быть больше, чем при сжатии. Следовательно, рабочему телу при расширении теплоту сообщают, а при сжатии забирают. Значит, помимо нагревателя в тепловом двигателе присутствует еще и холодильник, которому рабочее тело тепло отдает. Рабочее тело совершает круговой процесс. Очевидно, что в этом процессе изменение внутренней энергии газа в двигателе равно нулю. Если в ходе расширения от нагревателя к рабочему телу передано $Q_n$- теплоты, при сжатии $_$ теплоты рабочее тело передало холодильнику, исходя из первого начала термодинамики и учитывая, что $triangle U=0$, получаем, что работа газа в круговом процессе равна:

Теплота $_ne 0$. Понятно, что чем лучше тепловой двигатель превращает теплоту, полученную от нагревателя в работу, тем такой двигатель выгоднее. Эффективность теплового двигателя характеризуют с помощью коэффициента полезного действия (КПД), который определен как:

Уравнение (2), если учесть (1), можно записать в виде:

Машина, которая отбирает от тела с меньшей температурой некоторое количество теплоты $Q_$ и отдает телу с более высокой температурой количество тепла $Q_n’$, причем $Q_n’>Q_$, называется холодильной машиной. Над такой машиной должен быть совершена за цикл работа A’. Эффективность холодильной машины характеризуется ее холодильным коэффициентом (a), который вычисляется как:

КПД необратимого теплового двигателя всегда меньше, чем того, который работает по обратимому циклу.

КПД теплового двигателя

Французский инженер Саади Карно установил важную зависимость КПД теплового двигателя от температуры нагревателя ($T_n$) и холодильника ($T_$). Независимо от конструкции теплового двигателя и выбора рабочего тела КПД идеальной тепловой машины определяется уравнением:

Читать еще:  Что сделать из двигателя от лобзика

Любой реальный тепловой двигатель может иметь КПД $eta le _$.

Идеальная машина, которую придумал Карно, работает по обратимому циклу, состоящему из двух изотерм (1-2, 4-3) и двух адиабат (2-3, 4-1) (рис.1). Рабочим телом в данном случае является идеальный газ. Мы помним, что адиабатный процесс идет без подвода и отвода тепла.

На участке 1-2 рабочее тело получает от нагревателя с температурой $T_n$ количество тепла $Q_n$. В случае изотермического процесса мы можем записать, что:

где $S_1, S_2$- энтропии в соответствующих точках цикла на рис.1.

На участке 3-4 идеальный газ отдает тепло холодильнику с температурой $T_$, при этом количество теплоты, что эквивалентно получению газом теплоты $<-Q>_$, соответственно:

В скобках выражения (7) указано приращение энтропии в процессе 3-4.

Подставим формулы (6), (7) в определение КПД теплового двигателя, получим:

И в нашем выводе уравнения (8) не делалось никаких предположений о свойствах рабочего тела и устройстве теплового двигателя.

Уравнение (8) показывает, что для повышения КПД необходимо повышать $T_n$ и понижать $T_.$ Но так как абсолютный ноль недостижим, то единственный путь увеличить КПД теплового двигателя, увеличивать $T_n$.

Задача по созданию теплового двигателя, который совершал бы работу без холодильника, кажется весьма интересной. В физике такая машина называется вечным двигателем второго рода. Она в принципе не противоречит первому закону термодинамики. Однако эта проблема также неразрешима, как и создание вечного двигателя первого рода. Этот опытный факт в термодинамике принят как постулат — второе начало термодинамики.

Задание: Рассчитайте КПД теплового двигателя с температурой нагревателя 1000С и температурой холодильника 00С. Тепловую машину считайте идеальной.

Используем для решения, выражение для КПД теплового двигателя в виде:

Переведем температуры в СИ, то есть:

Подставим данные для расчета, проведем вычисления:

Ответ: КПД теплового двигателя 27%.

Задание: Найти КПД цикла, который представлен на рис. 2, если в пределах цикла объем идеального газа изменяется в n раз. Рабочим веществом является газ с показателем адиабаты $gamma$.

В качестве основания для расчета КПД используем формулу:

Процесс, в котором газ получает тепло — это процесс 1-2 ($Q_<12>=Q_n$):

где $A_<12>=0$ так как это изохорный процесс. Следовательно:

[Q_<12>=triangle U_<12>=frac<2>nu Rleft(T_2-T_1right)left(2.3right).]

Процесс, в котором газ тепло отдает — это процесс 3-4 изохорный, ($<<-Q>>_<34>=_$). Следовательно:

[Q_<34>=triangle U_<34>=frac<2>nu Rleft(T_4-T_3right)left(2.4right).]

Адиабатные процессы идут без подвода и отвода тепла.

Подставим полученные количества теплоты в выражение для КПД, имеем:

Используем уравнение для адиабаты для процесса 2-3:

Используем уравнение для адиабаты для процесса 4-1:

Найдем разность температур $T_2-T_1$:

Подставим в (2.5) разность температур из (2.8), получим:

Рабочее тело

Рабочее тело — 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 В холодильных машинах в качестве рабочего тела используются фреоны, аммиак, гелий, водород, азот. См. Хладагенты
В ракетостроении рабочим телом называют отбрасываемое от ракеты с целью получения импульса тяги вещество. Например, в электрическом ракетном двигателе рабочим телом является ионизированное расходуемое вещество например, ксенон.
В лазерной технике рабочим телом называется оптический элемент лазера, в котором происходит формирование когерентного электромагнитного излучения.

любой тепловой машины являются рабочее тело нагреватель и холодильник с помощью которых меняется состояние рабочего тела Обратимым называют цикл, который
Существует большое количество различных рабочих тел на основе которых можно построить лазер. Рабочее тело подвергается накачке чтобы получить эффект
высококипящее рабочее тело после вращения турбины отдает тепло конденсатору, который одновременно является испарителем для более низкокипящего рабочего тела Рабочее
внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела Рабочее тело с большой скоростью истекает из двигателя, и, в соответствии
Ракетный двигатель — реактивный двигатель, источник энергии и рабочее тело которого находятся в самом средстве передвижения. Ракетный двигатель — единственный
Двигатель Стирлинга — тепловая машина, в которой рабочее тело в виде газа или жидкости, движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего
установлены четыре реактивных сопла, рабочее тело для которых вырабатывается в газогенераторе ТНА двигателя. Рабочее тело турбины ТНА — вырабатываемый в газогенераторе
подбирается пара из доступного лазера и рабочего тела Лазер освещает рабочее тело в своем спектре излучения, а рабочее тело излучает в требуемом спектре. Мощность
поворачивают рабочее тело для придания потоку необходимого угла атаки по отношению к лопаткам рабочего колеса. По направлению движения потока рабочего тела различают

истории ракетостроения выполнен по схеме с дожиганием генераторного газа. Рабочее тело турбины ТНА окислительный газ, вырабатываемый в газогенераторе при
следует выделить турбоагрегаты у которых для вращения турбины используется рабочее тело пар, высокотемпературный газ, продукты сгорания, технологический газ
название которого идет от рабочего тела Конечному потребителю тепло доставляется посредством теплоносителя, рабочее тело остается в месте генерации
рабочее тело воздух или иной газ заключен в герметичный объём. Здесь осуществлен цикл по типу цикла Севери до — Уаттовского но нагрев рабочего тела
невозможно нагреть рабочее тело от холодильника, имеющего более низкую температуру, или передать тепло в процессе 1 — 4 от рабочего тела нагревателю, имеющему
передаётся рабочему телу В ЯРД Зубрина коэффициент использования энергии ядерного распада значительно выше — поскольку ядерное топливо и рабочее тело объединены
законы взаимодействия света с веществом. Для примера представим, что рабочее тело лазера состоит из нескольких атомов, каждый из которых может находиться
Ганичева — как Тело — львовским информационным агентством Хронос в составе тома Игра Джеральда Перевод В. Филипенко, но уже под названием Тело многократно
Недостаток коробчатого золотника — неуравновешенность, вследствие которой рабочее тело сильно прижимает его к зеркалу, что вызывает износ трущихся поверхностей
пневматическое оружие, в котором расход рабочего тела газа происходит из изолированной ёмкости накопителя в которую рабочее тело предварительно закачивается
компрессоре в камере сгорания происходит изобарный нагрев рабочего тела в газовой турбине рабочее тело адиабатно расширяется отработанные газы изобарно отводятся

Читать еще:  Бустер для запуска автомобильного двигателя

Тепловые двигатели. Термодинамические циклы. Цикл Карно

Устройство, имеющее способность преобразовывать полученную теплоту в механическую работу носит название теплового двигателя. В таких машинах механическая работа совершается в процессе расширения вещества, называющегося рабочим телом. Его роль обычно исполняют газообразные вещества, вроде паров бензина, воздуха и водяного пара.

Рабочее тело приобретает или отдает тепловую энергию при теплообмене с телами, которые имеют внушительный запас внутренней энергии. Такие тела называют тепловыми резервуарами.

Исходя из первого закона термодинамики, можно сделать вывод, что полученное газом количество теплоты Q полностью преобразуется в работу A в условиях изотермического процесса, при котором внутренняя энергия не претерпевает изменений ( Δ U = 0 ) :

Однако, подобный однократный акт превращения теплоты в работу для техники не представляет интереса. Существующие тепловые двигатели, такие как паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и им подобные, работают циклически. Необходимо периодическое повторение процесса теплопередачи и преобразования полученной теплоты в работу. Чтобы данное условие выполнялось, рабочее тело должно совершать круговой процесс или же термодинамический цикл, при котором исходное состояние с периодически восстанавливается. На рисунке 3 . 11 . 1 в виде диаграммы ( p , V ) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых проиллюстрированы круговые. В условиях расширения газ производит положительную работу A 1 , эквивалентную площади под кривой a b c . При сжатии газ совершает отрицательную работу A 2 , равную по модулю площади под кривой c d a . Полная работа за цикл A = A 1 + A 2 на диаграмме ( p , V ) равняется площади цикла. Работа A положительна, в том случае, если цикл проходит по часовой стрелке, и A отрицательна, когда цикл проходит в противоположном направлении.

Рисунок 3 . 11 . 1 . Круговой процесс на диаграмме ( p , V ) . a b c – кривая расширения, c d a – кривая сжатия. Работа A в круговом процессе равна площади фигуры a b c d .

Все круговые процессы обладают общей чертой. Они не могут привестись в действие при контакте рабочего тела только с одним тепловым. Их минимальное число должно быть равным двум.

Тепловой резервуар, обладающий более высоким значением температуры, носит название нагревателя, а с более низким – холодильника.

Рабочее тело при совершении кругового процесса получает от нагревателя некоторую теплоту Q 1 > 0 и теряет, отдавая холодильнику, количество теплоты Q 2 0 . Для полного полученного рабочим телом за цикл количества теплоты Q справедливо следующее выражение:

Q = Q 1 + Q 2 = Q 1 — Q 2 .

Совершая цикл, рабочее тело приходит в свое первоначальное состояние, из чего можно сделать вывод, что изменение его внутренней энергии равняется Δ U = 0 . Основываясь на первом законе термодинамики, запишем:

Из этого следует:

Работа A , которую рабочее тело совершает за цикл, эквивалентна полученному за этот же цикл количеству теплоты Q .

Коэффициентом полезного действия или же КПД η теплового двигателя называют отношение работы A к полученному рабочим телом за цикл от нагревателя количеству теплоты Q 1 , то есть:

η = A Q 1 = Q 1 — Q 2 Q 1 .

Рисунок 3 . 11 . 2 . Модель термодинамических циклов.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя демонстрирует, какая доля тепловой энергии, которую получило рабочее тело от нагревателя, преобразовалась в полезную работу. Оставшаяся часть ( 1 – η ) была без пользы передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины не может быть больше единицы η 1 . На рисунке 3 . 11 . 3 проиллюстрирована энергетическая схема тепловой машины.

Рисунок 3 . 11 . 3 . Энергетическая схема тепловой машины: 1 – нагреватель; 2 – холодильник; 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс. Q 1 > 0 , A > 0 , Q 2 0 ; T 1 > T 2 .

Виды тепловых двигателей

В технике свое применение находят двигатели, использующие круговые процессы. Рисунок 3 . 11 . 3 демонстрирует нам циклы, применяемые в бензиновом карбюраторном и в дизельном двигателях. Они оба в качестве рабочего тела используют смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания включает в себя две изохоры ( 1 – 2 , 3 – 4 ) и две адиабаты ( 2 – 3 , 4 – 1 ) , дизельного двигателя -две адиабаты ( 1 – 2 , 3 – 4 ) , одну изобару ( 2 – 3 ) и одну изохору ( 4 – 1 ) . Реальный КПД (коэффициент полезного действия) у карбюраторного двигателя составляет около 30 % , у дизельного двигателя – приблизительно 40 % .

Читать еще:  Характеристика двигателя умз 405

Рисунок 3 . 11 . 4 . Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания ( 1 ) и дизельного двигателя ( 2 ) .

Цикл Карно

Круговой процесс, изображенный на рисунке 3 . 11 . 5 , состоящий из двух изотерм и двух адиабат был назван циклом Карно в честь открывшего его в 1824 году французского инженера. Данное явление впоследствии оказало колоссальное влияние на развитие учения о тепловых процессах.

Рисунок 3 . 11 . 5 . Цикл Карно.

Находящийся в цилиндре, под поршнем, газ совершает цикл Карно. На участке изотермы ( 1 – 2 ) он приводится в тепловой контакт с нагревателем, обладающим некоторой температурой T 1 . Газ изотермически расширяется, при этом к нему подводится эквивалентное совершенной работе A 12 количество теплоты Q 1 = A 12 . После этого на участке адиабаты ( 2 – 3 ) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает процесс расширения при отсутствующем теплообмене. На данной части цикла газ совершает работу A 23 > 0 . Его температура при адиабатическом расширении снижается до величины T 2 . На идущем следующим участке изотермы ( 3 – 4 ) газ приводится в тепловой контакт с холодильником в условиях температуры T 2 T 1 . Производится процесс изотермического сжатия. Газом совершается некоторая работа A 34 0 и отдается тепло Q 2 0 , эквивалентное произведенной им работе A 34 . Его внутренняя энергия не претерпевает изменений. На последнем оставшемся участке адиабатического сжатия газ снова помещают в адиабатическую оболочку. При сжатии его температура вырастает до величины T 1 , также совершается работа A 41 0 . совершаемая газом за цикл полная работа A эквивалентна сумме работ на отдельных участках:

A = A 12 + A 23 + A 34 + A 41 .

На диаграмме ( p , V ) данная работа равняется площади цикла.

Процессы на любом из участков цикла Карно квазистатичны. Например, оба участка 1 – 2 и 3 – 4 , относящихся к изотермическим, производятся при пренебрежительно малой разности температур рабочего тела, то есть газа, и теплового резервуара, будь то нагреватель или холодильник.

Исходя из первого закона термодинамики, можно заявить, что работа газа в условиях адиабатического расширения или сжатия эквивалентна падению значения Δ U его внутренней энергии. Для 1 моля газа верно следующее выражение:

A = — ∆ U = — C V ( T 2 — T 1 ) ,

в котором T 1 и T 2 представляют собой начальную и конечную температуры рабочего тела.

Из этого следует, что работы, совершаемые газом на двух адиабатических участках цикла Карно, противоположны по знакам и одинаковы по модулю:

Коэффициент полезного действия η цикла Карно может рассчитываться с помощью следующих соотношений:

η = A Q 1 = A 12 + A 34 Q 12 = Q 1 — Q 2 Q 1 = 1 — Q 2 Q 1 .

С. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через величины температур холодильника T 2 и нагревателя T 1 :

η = T 1 — T 2 T 1 = 1 — T 2 T 1 .

Цикл Карно примечателен тем, что ни на одном из его участков тела, обладающие различными температурами, не соприкасаются. Любое состояние рабочего тела в цикле является квазиравновесным, что означает его бесконечную близость к состоянию теплового равновесия с окружающими объектами, то есть тепловыми резервуарами или же термостатами. В цикле Карно исключен теплообмен в условиях конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды (термостатов), если тепло имеет возможность переходить без совершения работы. По этой причине любые другие возможные круговые процессы проигрывают ему в эффективности при заданных температурах нагревателя и холодильника:

η К а р н о = η m a x

Рисунок 3 . 11 . 6 . Модель цикла Карно.

Каждый участок цикла Карно и цикл в целом могут проходиться в обоих направлениях.

Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, в котором полученное рабочим телом тепло частично преобразуется в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине, где некое количество теплоты отходит от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы. Именно поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, носит название обратимой тепловой машины.

В реально существующих холодильных машинах применяются разные циклические процессы. Любой холодильный цикл на диаграмме ( p , V ) обходятся против часовой стрелки. На рисунке 3 . 11 . 7 проиллюстрирована энергетическая схема холодильной машины.

Рисунок 3 . 11 . 7 . Энергетическая схема холодильной машины. Q 1 0 , A > 0 , Q 2 > 0 , T 1 > T 2 .

Работающее по холодильному циклу устройство может обладать двояким предназначением.

Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла Q 2 от охлаждаемых тел, к примеру, от продуктов в камере холодильника, то такое устройство является обычным холодильником.

Эффективность работы холодильника может быть охарактеризована следующим отношением:

Таким образом, эффективность работы холодильника представляет собой количество тепла, отбираемого от охлаждаемых тел на 1 д ж о у л ь затраченной работы. В условиях подобного определения β х может быть, как больше, так и меньше единицы. Для обращенного цикла Карно справедливо выражение:

β x = T 2 T 1 — T 2 .

В случае, когда полезным эффектом является передача некоего количества тепла
| Q 1 | нагреваемым телам, чьим примером может выступать воздух в помещении, то такое устройство называется тепловым насосом.

Эффективность β Т теплового насоса может быть определена с помощью отношения:

То есть она может определяться количеством теплоты, передаваемым более теплым телам на 1 д ж о у л ь затраченной работы. Из первого закона термодинамики следует:

Следовательно, β Т всегда больше единицы. Для обращенного цикла Карно справедливо следующее выражение:

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector