Максимальное значение КПД тепловых двигателей
Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 . Впервые это сделал французский инженер и ученый Сади Карно . Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно
.
Аналогично, при изотермическом сжатии рабочее тело отдало холодильнику
.
Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен
.
Из последнего выражения видно, что КПД тепловой машины Карно зависит только от температур нагревателя и холодильника. Кроме того, из него следует, что КПД может составлять 100 % только в том случае, если температура холодильника равна абсолютному нулю, что недостижимо.
Можно показать, что КПД любой тепловой машины, работающей по циклу, отличному от цикла Карно, будет меньше КПД тепловой машины Карно, работающей при тех же температурах нагревателя и холодильника.
Передача тепла от нагревателя рабочему телу и от рабочего тела холодильнику происходит в цикле Карно в отсутствии разности температур. Благодаря этому цикл Карно обратим (передача тепла при наличии конечной разности температур всегда необратима согласно постулату Томсона). Но при отсутствии разности температур тепло передается бесконечно медленно. Поэтому мощность тепловой машины Карно равна нулю.
|
|
|
Связь между обратимостью цикла и КПД
Рассмотрим изолированную систему, состоящую из нагревателя (температура TH), холодильника (температура TX) и рабочего тела. Пусть U — внутренняя энергия такой системы.
Поскольку система изолирована (не обменивается теплом с окружающей средой), работа, произведенная системой, равна убыли внутренней энергии:
Будем рассматривать внутреннюю энергию как функцию и считать, что объём системы в результате процесса не изменился. Найдём производную работы по энтропии:
,
Здесь индекс V указывает на второй аргумент, от которого зависит дифференцируемая функция.
Отсюда видно, что работа, совершенная системой, убывает при увеличении энтропии. Так как в адиабатически изолированной системе энтропия не может уменьшаться (второе начало термодинамики), то максимальная работа соответствует случаю, когда , то есть цикл является обратимым.
Это значит, что обратимый цикл обладает также и максимальным КПД.
Для того, чтобы цикл был обратимым, из него должна быть исключена передача тепла при наличии разности температур (так как такие процессы необратимы в силу постулата Томсона). Значит, передача тепла должна осуществляться в изотермическом процессе. Для того, чтобы менять температуру рабочего тела от температуры нагревателя до температуры холодильника и обратно, необходимо использовать адиабатические процессы (они идут без теплообмена и, значит, тоже не влияют на энтропию). Мы приходим к выводу, что единственным обратимым циклом является цикл Карно.
|
|
|
КПД двигателей внутреннего сгорания.
Присматриваясь к условиям, при которых производится работа в двигателе внутреннего сгорания, мы видим сходство с условиями, при которых производится работа в паровом двигателе. Здесь тоже имеется наличие разности температур: с одной стороны, источник тепла (в данном случае источником тепла является химическая реакция горения) создает высокую температуру рабочего вещества; с другой стороны, имеется громадный резервуар, в котором рассеивается получающаяся теплота,— атмосфера; она играет роль холодильника.
Так как температура газов, получающихся при сгорании смеси внутри цилиндра, довольно высока (свыше 1000 °С), то к. п. д. двигателей внутреннего сгорания может быть значительно выше к. п. д. паровых двигателей. На практике к. п. д. двигателей внутреннего сгорания равен обычно 20—30 %. Примерный энергетический баланс двигателя автомобильного типа показан на рисунке 18.
|
|
|
6. Тепловые двигатели и окружающая среда
Тепловые двигатели – необходимый атрибут современной цивилизации. С их помощью вырабатывается около 80% электроэнергии. Тепловые двигатели - паровые турбины - устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном - поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном - ДВС и паровые турбины; на ж/д. тепловозы с дизельными установками; в авиации - поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта. В тоже время повсеместное использование тепловых двигателей связано с отрицательным воздействием на окружающую среду.
Дата добавления: 2019-02-13; просмотров: 485; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!