Arskama.ru

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

Холодильник как тепловой двигатель

Глава 3. Тепло

В природе термическая энергия самопроизвольно всегда переходит от более нагретых тел к менее нагретым. На практике же иногда необходимо провести обратный процесс, то есть перенести тепло от менее нагретых тел к более нагретым. Такой процесс, например, осуществляется в холодильнике. Там термическая энергия отбирается у охлаждаемых тел и отводится в окружающее пространство, температура которого обычно 20-25 С. Однако такой процесс требует затраты работы. По принципу работы холодильник — это тепловой двигатель, работающий в обратном направлении.

Холодильник — обращенный тепловой двигатель

Кратко рассмотрим работу холодильника. В холодильнике трубы, проведенные в объеме, подлежащем охлаждению, наполняются жидкостью, имеющей низкую температуру кипения и высокую теплоту испарения (например аммиак, фреон C2F2CI2 и др.) Энергию, необходимую для испарения, жидкость берет из термической энергии охлаждаемого объема, температура которого вследствие этого понижается. После установления заданной низкой температуры последняя поддерживается благодаря испарению охлаждающей жидкости.

Внутренняя энергия пара больше, чем внутренняя энергия соответствующей жидкости. В холодильнике процесс охлаждения осуществляется за счет того, что рабочее вещество превращает термическую энергию, отобранную из охлаждаемого объема, в энергию своего пара. Затем пар отводится из охлаждаемого объема, сильно сжимается в конденсаторе при помощи компрессоров, превращаясь, таким образом, снова в жидкость, которая возвращается в охлаждаемый объем. Так заканчивается один цикл процесса. С новым испарением начинается новый цикл и т. д.

Тепло, освобождающееся при сжижении пара в конденсаторе холодильника, отдается в окружающее пространство. Количество этого тепла тем больше, чем отобранное у охлаждаемой камеры, так как в тепло переходит и работа, необходимая для переноса его к телам окружающего пространства, имеющим более высокую температуру; отдается здесь и то дополнительное тепло, которое возникло в холодильнике из-за неизбежной необратимости процессов. Следовательно, нужно читывать, что холодильник в то же время нагревает окружающую среду.

Не в каждом холодильнике имеется компрессор. Есть и такие, в которых энергия, необходимая для переноса в окружающее пространство тепла, отобранного от холодильной камеры, поставляется не посредством механической работы, а через тепло. Рабочее вещество холодильной машины (например аммиак) не сжижается здесь под давлением, а растворяется в воде и выпаривается кипячением. При кипении тепло отбирается из окружающей среды (охлаждаемого объема) — это стадия охлаждения. Напротив, при растворении аммиака в воде освобождается тепло — на этой стадии рабочая жидкость нагревает окружающую среду. Это так называемые абсорбционные холодильные машины.

Как можно согласовать тот факт, что тепло переходит от холодильюй камеры с низкой температурой в окружающее пространство, имею-цее более высокую температуру, с всеобщим законом, в соответствии с которым тепло само по себе переходит только от более нагретых тел к менее нагретым?

Прежде чем ответить на этот вопрос, попробуем для сравнения разобрать пример из области механики. Известно, что под действием силы тяжести все тела падают вниз, однако с помощью силы тяжести тела можно поднимать вверх. Если к одному концу троса, перекинутого через блок, привязать тело, которое мы хотим поднять, а к другому — тело большей массы как противовес, то первое поднимается вверх, а противовес опустится вниз. Это стало возможным в результате того, что одновременно тело большой массы опустилось вниз, затратив больше работы, чем необходимо для поднятия груза. Если рассматривать оба тела как единую материальную систему, то ее потенциальная энергия уменьшилась, так как центр тяжести системы двух тел теперь лежит ниже, чем прежде. Таким образом, система как целое под действием силы тяжести опустилась, но одна часть ее все же поднялась. Работу, необходимую для ее поднятия, совершила вторая, опустившаяся часть. Такие явления, когда в сложных процессах на каких-то этапах совершаются изменения, идущие в направлениях, казалось бы противоположных общим законам природы, встречаются не только в холодильных машинах или в механических процессах, но и в других случаях. Например, в живых организмах происходит построение энергетически богатых соединений из менее богатых. Синтез энергетически более богатых веществ происходит также и вне живого организма. Возникновение энергетически богатых соединений осуществляется за счет уменьшения энергии других соединений, необходимая же для синтеза дополнительная химическая энергия может черпаться и из другого энергетического источника. Видно, что несмотря на однозначность основных законов природы, явления, а также искусственно осуществляемые человеком процессы, отличаются большим многообразием. Для понимания этих явлений, кроме знаний общих законов природы, необходимо подробно изучить механизмы различных энергетических превращений, причем одного только термодинамического подхода явно недостаточно — требуется проникновения в микромир этих явлений. Ведь термодинамика имеет дело только с макроскопически измеряемым энергетическим балансом результирующего процесса, состоящего из многих отдельных промежуточных процессов.

Читать еще:  Чери тиго какой двигатель надежнее

ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ, ХОЛОДИЛЬНИКИ И КОНДИЦИОНЕРЫ Подготовила И.А. Боярина. — презентация

Презентация была опубликована 9 лет назад пользователемschool.baltinform.ru

Похожие презентации

Презентация на тему: » ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ, ХОЛОДИЛЬНИКИ И КОНДИЦИОНЕРЫ Подготовила И.А. Боярина.» — Транскрипт:

1 ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ, ХОЛОДИЛЬНИКИ И КОНДИЦИОНЕРЫ Подготовила И.А. Боярина

2 Сгорание топлива Нагревание газа Газ совершает работу и охлаждается Химическая энергия Кинетическая энергия хаотического движения молекул Механическая энергия ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

3 Нагреватель, имеющий температуру Т 1, в контакте с которым рабочему телу сообщается количество теплоты Q 1 (сжигаемое топливо) Обычно газ Холодильник, имеющий температуру Т 2 Т 1, в контакте с которым от рабочего тела отбирается количество теплоты Q 1 (окружающий воздух или вода водоёмов) ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

4 «ИДЕАЛЬНЫЙ ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ» Максимально возможный коэффициент полезного действия При работе ИТД – максимально возможный КПД, благодаря тому, что в нём осуществляется «цикл Карно», в котором рабочее тело: получает от нагревателя некоторое количество теплоты при температуре, равной температуре нагревателя; адиабатно расширяется, охлаждаясь при этом до температуры холодильника; отдаёт холодильнику некоторое количество теплоты при температуре, равной температуре холодильника; адиабатно сжимается, нагреваясь при этом до температуры нагревателя. При работе ИТД – максимально возможный КПД, благодаря тому, что в нём осуществляется «цикл Карно», в котором рабочее тело: получает от нагревателя некоторое количество теплоты при температуре, равной температуре нагревателя; адиабатно расширяется, охлаждаясь при этом до температуры холодильника; отдаёт холодильнику некоторое количество теплоты при температуре, равной температуре холодильника; адиабатно сжимается, нагреваясь при этом до температуры нагревателя.

5 Q1Q1 рабочее тело Q 2 =A+Q 1 A ХОЛОДИЛЬНИК КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ, ОТОБРАННОЕ У ПРОДУКТОВ КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ, ПЕРЕДАННОЕ ВОЗДУХУ В ПОМЕЩЕНИЕ Расширяясь при низкой температуре (при низком давлении), газ отнимает тепло от более холодного тела, а сжимаясь при высокой температуре, он отдаёт тепло более нагретому телу

6 Компрессор засасывает из испарителя хладагент, сжимает его, и за счёт чего температура хладагента повышается и выталкивает в конденсатор. В конденсаторе, нагретый в результате сжатия хладагент остывает, отдавая тепло во внешнюю среду, и конденсируется. Процесс повторяется вновь. При достижении необходимой температуры терморегулятор размыкает электрическую цепь и компрессор останавливается. При повышении температуры (за счёт внешних факторов) терморегулятор вновь включает компрессор. В бытовых и промышленных холодильниках – испарение (Q поглощается) и конденсация (Q выделяется) специальной жидкости 1. Конденсатор 2. Капилляр 3. Испаритель 4. Компрессор

7 КОНДИЦИОНЕР Q1Q1 рабочее тело Q 2 =A+Q 1 A КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ, ОТОБРАННОЕ У ВОЗДУХА В ПОМЕЩЕНИИ КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ, ПЕРЕДАННОЕ НАРУЖНОМУ ВОЗДУХУ В ПОМЕЩЕНИЕ

9 Главное: Основные элементы теплового двигателя: рабочее тело, нагреватель и холодильник. Полезная работа, совершаемая тепловым двигателем, А п =Q 1 -Q 2, где Q 1 – количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя, Q 2 – количество теплоты, отданное рабочим телом холодильнику. Коэффициент полезного действия теплового двигателя: Максимально возможный КПД теплового двигателя:. КПД реального двигателя меньше максимально возможного.

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.

Читать еще:  Датчики температуры двигателя под свечу

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

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.

Читать еще:  Датчик температуры двигателя ниссан авенир

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.

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 .

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector