Тема 3.7. Круговий процес(цикл) й його ккд. Теплові двигуни. Цикл Карно. Максимальний ккд тепловий машин. Другий початок термодинаміки. Ентропія.
Тепловий двигун
Теплові двигуни з'явились на початку XVIII ст. у період індустріального
розвитку металургійної і текстильної промисловості. В Росії паровий двигун був запропонований 1.1. Ползуновим (1765). У 17X4 р. Дж. Уатг одержав патент на універсальний паровий двигун. 11 роки, коли жив С. Карно (1796-1832), найкращі парові машини мали коефіцієнт корисної дії (ККД) 5 %. Це спонукало його дослідити причини недосконалості теплових машин і знайти шляхи підвищення їх ККД.
С. Карно друкує працю "Роздуми про рушійну силу вогню і про інше, здатні розвивати цю силу". Ця праця увійшла до скарбниці світної науки і поставила її автора в ряди основоположників термодинаміки . С. Карно запропонував цикл ідеальної теплової машини.
Силовий двигун - це пристрій, який перетворює внутрішню енергію
машин в механічну. Енергія, яка виділяється під час згоряння палива, через теплообмін передається газу. Газ, розширюючись, виконує роботу проти зовнішніх сил і надає руху механізму. Будову теплового двигуна
подано на рис. а.
Будь-який тепловий двигун складається з трьох основних частин: робочого тіла, нагрівника і холодильника. Робоче тіло (газ або пара) під час
розширення виконує роботу, одержавши від нагрівника деяку кількість
теплоти. Температура нагрівника Тх залишається сталою за рахунок
згоряння палива. У процесі стискання робоче тіло передає деяку кількість
теплоти холодильнику, який має температуру Т2 <ТХ. Тепловий двигун має працювати циклічно. Якщо тіло з початкового стану А переводиться в кінцевий стан В, а потім через інші проміжні стани повертається у початковий стан А, то кажуть, що виконується коловий процес, або цикл
(рис.б).
Після закінчення циклу тіло повертається у свій початковий стан, внутрішня енергія набуває початкового значення. Тому робота циклу може виконуватись тільки за рахунок зовнішніх джерел, які підводять теплоту до робочого тіла. Реальні теплові двигуни працюють за розімкненим циклом, тобто після розширення газ викидається, а в машину вводиться і стискається
нова порція газу.
Цикл Карно
Розрізняють прямий цикл (цикл теплової машини) і зворотний цикл (цикл холодильної машини).
Робочий цикл Карно складається з двох рівноважних Ізотермічних
і двох рівноважних адіабатних процесів.
Рівноважним називають процес, в якому газ проходить ряд рівноважних станів, що йдуть один за одним. Параметри двох таких сусідніх станів відрізняються на дуже малу величину. В ідеальній машині, яка працює за циклом Карно, немає жодних втрат на теплопровідність, тертя, випромінювання тощо. Робочою речовиною є ідеальний газ.
На ділянці 1-2 (ізотерма) ідеальний газ виконує роботу щодо ізотерміч-
ного розширення за рахунок теплоти, одержаної від нагрівника. Внутрі-
шня енергія газу не змінюється, бо Т = соnst. У процесі адіабатного роз
ширення (ділянка 2-3) газ виконує роботу за рахунок зміни внутрішньої
енергії, оскільки в цьому процесі газ теплоти не одержує. У процесі ізотер-
мічного стискання (ділянка 3 4) наділена теплота повністю передається
холодильнику, внутрішня енергія не змінюється. У процесі адіабатного
стискання (ділянка 4-1) робота витрачається на підвищення внутрішньої
енергії газу, теплоти ідеальний газ не одержує. Таким чином, ідеальний газ
повертається у свій початковий стан і, отже, до початкового значення його
внутрішньої енергії. Від нагрівника ідеальний газ одержав кількість теплоти , холодильнику віддав ,отже, за першим началом термодинаміки,
в роботу перетворено кількість теплоти, яка дорівнює А=Q1-Q2 . Величина η
називається коефіцієнтом корисної дії (ККД) теплової машини.
ККД циклу Карно можна записати через температури нагрівника Т1 і
холодильника Т2:
Отже, коефіцієнт корисної дії визначається тільки температурами нагрівника та холодильника і не залежить від роду робочої речовини.
Другий закон термодинаміки.
Перший закон термодинахміки встановлює кількісне співвідношення між кількістю теплоти, роботою і зміною внутрішньої енергії тіла, але воно не визначає напряму перебігу процесів. З точки зору І закону термодинаміки перехід енергії у формі теплоти однаково можливий як від більш нагрітого до менш нагрітого тіла, так і навпаки. Напрям процесів, які відбуваються в природі і пов'язані з перетвореннйм енергії, визначає другий закон термодинаміки.
Перетворення теплоти в роботу можливе тільки за наявності нагрівника і холодильника; у всіх теплових машинах корисно використовується тільки частина енергії, яка передасться від нагрівника до холодильиика.
Інакше кажучи, жодний тепловий двигун, у тому числі й двигун внутрішнього згоряння, не може дати ККД, який дорівнює одиниці. Є кілька
формулювань другого закону.
"Коефіцієнт корисної дії ідеальної теплової машини визначається
тільки температурами тепловіддавача і теплоприймача" (С. Карно).
«У природі неможливий процес, єдиним результатом якого був би
перехід теплоти повністю в роботу» (М. Планк).
"Теплота, не може сама собою переходити від тіла з нижчою температурою до тіла з вищою температурою" (Р. Клаузіус).
Другий закон заперечує можливість використання запасів внутрішньої
Енергії якого-небудь джерела без переведення її на нижчий температурний рівень, тобто без холодильника. Наприклад, практично необмежена внутрішньої енергії океанів не можуть бути повністю використані.
Використання теплоти океану, як тільки температура його стане нижчою,
ніж температура навколишнього середовища, привело б до процесу, у
якому теплота переходила б від більш холодного до більш гарячого тіла,
а такий процес сам собою відбуватися не може. Отже, другий закон термодинаміки стверджує неможливість побудови вічного двигуна другого
роду, тобто двигуна, який працює за рахунок охолодження якого-небудь
одного тіла.
Перший і другий закони термодинаміки, з одного боку, дають можливість інженерам і технікам визначати, які проекти просто нереальні, фантастичні, і, з другого, показують їм реальний шлях до вдосконалення теплових машин.
Ентропія.
