Pracovná tekutina, ktorá prijíma určité množstvo tepla Q 1 z ohrievača, dodáva časť tohto množstva tepla, modulo | Q2 |, do chladničky. Preto nemôže byť vykonaná práca viac A \u003d Q 1- | Q 2 |.Pomer tejto práce k množstvu tepla prijatého expandujúcim plynom z ohrievača sa nazýva koeficient užitočná akcia tepelný stroj:
Účinnosť tepelného motora pracujúceho v uzavretom cykle je vždy nižšia ako jedna. Úlohou tepelnej energetiky je dosiahnuť čo najvyššiu účinnosť, to znamená čo najväčšie množstvo tepla prijatého z ohrievača na prácu. Ako je to možné dosiahnuť?
Prvýkrát najdokonalejší cyklický proces pozostávajúci z izotermov a adiabatov navrhol francúzsky fyzik a inžinier S. Carnot v roku 1824.
Carnotov cyklus.
Predpokladajme, že plyn je vo valci, ktorého steny a piest sú vyrobené z tepelne izolačného materiálu a dno je vyrobené z materiálu s vysokou tepelnou vodivosťou. Objem zaberaný plynom je V 1.
Obrázok 2
Uvedieme valec do kontaktu s ohrievačom (obrázok 2) a necháme plyn izotermicky expandovať a vykonávať práce . Plyn zároveň prijíma určité množstvo tepla z ohrievača. Q 1.Tento proces je graficky znázornený izotermou (krivka AB).
Obrázok 3
Keď sa objem plynu rovná istej hodnote V 1 '< V 2 ,
spodok valca je izolovaný od ohrievača ,
potom sa plyn adiabaticky rozšíri na objem V 2,zodpovedajúci maximálnemu možnému zdvihu piestu vo valci (adiabat slnko). V tomto prípade sa plyn ochladí na teplotu T 2< T 1 .
Ochladený plyn môže byť teraz izotermicky stlačený pri teplote T2.Aby to urobil, musí byť uvedený do kontaktu s telom, ktoré má rovnakú teplotu T 2,teda s chladničkou ,
a stlačiť plyn vonkajšou silou. V tomto procese sa však plyn nevráti do pôvodného stavu - jeho teplota bude vždy nižšia ako T 1.
Preto sa izotermická kompresia privedie na určitý stredný objem V 2 '\u003e V 1(izoterma CD). V takom prípade plyn vydáva určité množstvo tepla do chladničky. Q 2,rovná sa kompresnej práci na nej vykonanej. Potom sa plyn adiabaticky stlačí na určitý objem V 1,zatiaľ čo jeho teplota stúpa na T 1(adiabat DA). Teraz sa plyn vrátil do pôvodného stavu, v ktorom sa jeho objem rovná V 1, teplota je T 1,tlak - p 1a cyklus sa môže znova opakovať.
Takže na webe ABCplyn funguje (A\u003e 0), a na stránke CDApracuje sa na plyne (A< 0).
Na stránkach slnkoa ADpráca sa vykonáva iba zmenou vnútornej energie plynu. Od zmeny vnútornej energie UBC \u003d - UDA, potom je práca pre adiabatické procesy rovnaká: ABC \u003d –ADA.Následne je celková práca vykonaná za cyklus určená rozdielom medzi prácou vykonanou počas izotermických procesov (oddiely AB a CD). Číselne sa táto práca rovná oblasti obrázku ohraničenej krivkou cyklu A B C D.
Iba časť množstva tepla sa skutočne premení na užitočnú prácu. QT,prijaté z ohrievača, rovné QT 1 - | QT 2 |.Takže v Carnotovom cykle užitočná práca A \u003d QT 1- | QT 2 |.
Maximálnu účinnosť ideálneho cyklu, ako ukazuje S. Carnot, možno vyjadriť ako teplota ohrievača (T 1) a chladnička (T 2):
V skutočných motoroch nie je možné uskutočniť cyklus pozostávajúci z ideálnych izotermických a adiabatických procesov. Preto je účinnosť cyklu uskutočňovaného v skutočných motoroch vždy nižšia ako účinnosť Carnotovho cyklu (pri rovnakých teplotách ohrievačov a chladničiek):
Vzorec ukazuje, že čím vyššia je teplota ohrievača a čím nižšia je teplota chladničky, tým vyššia je účinnosť motorov.
| Carnot Nicola Leonard Sadi (1796-1832) - talentovaný francúzsky inžinier a fyzik, jeden zo zakladateľov termodynamiky. Vo svojej práci „Úvaha o hnacej sile ohňa ao strojoch schopných vyvinúť túto silu“ (1824) najskôr ukázal, že tepelné motory môžu pracovať iba pri prechode tepla z horúceho telesa na studené. Carnot vynašiel ideálny tepelný motor, vypočítal účinnosť ideálneho stroja a dokázal, že tento koeficient je maximálny možný pre akýkoľvek skutočný tepelný motor. |  | ||
Ako pomoc pri svojom výskume vynašiel Carnot v roku 1824 (na papieri) ideálny tepelný motor s ideálnym plynom ako pracovnou tekutinou. Dôležitá úloha Carnotovho motora spočíva nielen v jeho možnom praktickom použití, ale aj v tom, že umožňuje vysvetliť princípy činnosti tepelných motorov všeobecne; nemenej dôležitá je skutočnosť, že Carnotovi sa pomocou jeho motora podarilo významne prispieť k zdôvodneniu a pochopeniu druhého termodynamického zákona. Všetky procesy v Carnotovom stroji sa považujú za rovnovážné (reverzibilné). Reverzibilný proces je proces, ktorý prebieha tak pomaly, že ho možno považovať za postupný prechod z jedného rovnovážneho stavu do druhého atď., A celý tento proces je možné vykonať opačným smerom bez zmeny vykonanej práce a odovzdaného množstva tepla. (Upozorňujeme, že všetky skutočné procesy sú nezvratné.) Kruhový proces alebo cyklus sa vykonáva v stroji, v ktorom sa systém po sérii transformácií vráti do pôvodného stavu. Carnotov cyklus sa skladá z dvoch izotermov a dvoch adiabatov. Krivky A - B a C - D sú izotermy a krivky B - C a D - A sú adiabaty. Najskôr plyn expanduje izotermicky pri teplote Ti. Zároveň prijíma množstvo tepla Q 1 z ohrievača. Potom sa adiabaticky rozširuje a nevymieňa teplo s okolitými telami. Potom nasleduje izotermické stlačenie plynu pri teplote T2. V tomto procese plyn vydáva množstvo tepla Q 2 do chladničky. Nakoniec sa plyn adiabaticky stlačí a vráti sa do pôvodného stavu. Počas izotermickej expanzie plyn vykonáva prácu A "1\u003e 0, ktorá sa rovná množstvu tepla Q 1. Pri adiabatickej expanzii B - C sa pozitívna práca A" 3 rovná zníženiu vnútornej energie, keď je plyn ochladený z teploty T 1 na teplotu T 2: A "3 \u003d - dU 1,2 \u003d U (Ti) -U (T2). Izotermické stlačenie pri teplote T2 vyžaduje prácu A 2 na plyne. Plyn vykonáva zodpovedajúco negatívnu prácu A "2 \u003d -A 2 \u003d Q 2. Nakoniec adiabatická kompresia vyžaduje na plyne prácu A 4 \u003d dU 2,1. Samotná práca plynu A "4 \u003d -A 4 \u003d -dU 2,1 \u003d U (T 2) -U (T 1). Preto sa celková práca plynu v dvoch adiabatických procesoch rovná nule. Počas cyklu pracuje plyn A" \u003d A "1 + A "2 \u003d Q 1 + Q 2 \u003d | Q 1 | - | Q 2 |. Táto práca sa číselne rovná ploche útvaru ohraničenej krivkou cyklu. Pre výpočet účinnosti je potrebné vypočítať prácu počas izotermických procesov A - B a C - D. Výpočty vedú k nasledujúcemu výsledku:  (2) Účinnosť Carnotovho tepelného motora sa rovná pomeru rozdielu medzi absolútnymi teplotami ohrievača a chladničky a absolútnou teplotou ohrievača. Hlavný význam vzorca (2) získaného Carnotom pre účinnosť ideálneho stroja je v tom, že určuje maximálnu možnú účinnosť ktoréhokoľvek tepelného motora. Carnot dokázal nasledujúcu vetu: akákoľvek skutočná tepelný motorpráca s ohrievačom s teplotou T 1 a chladničkou s teplotou T 2 nemôže mať účinnosť presahujúcu účinnosť ideálneho tepelného motora. Účinnosť motorov na skutočný ohrev Vzorec (2) poskytuje teoretický limit pre maximálnu hodnotu Tepelná účinnosť motorov. Ukazuje, že čím je vyššia teplota ohrievača a nižšia teplota chladničky, tým je tepelný motor efektívnejší. Iba pri teplote chladničky rovnajúcej sa absolútnej nule je účinnosť 1. V skutočných tepelných motoroch procesy prebiehajú tak rýchlo, že pokles a zvýšenie vnútornej energie pracovnej látky so zmenou jej objemu nie je potrebné časovo kompenzovať prítokom energie z ohrievača a prenosom energie do chladničky. Preto nie je možné realizovať izotermické procesy. To isté platí pre prísne adiabatické procesy, pretože v prírode neexistujú ideálne tepelné izolátory. Cykly vykonávané v skutočných tepelných motoroch pozostávajú z dvoch izochorov a dvoch adiabatov (v Ottovom cykle), dvoch adiabatov, izobárov a izochórov (v dieselovom cykle), dvoch adiabatov a dvoch izobarov (v plynovej turbíne) atď. V takom prípade by jeden mal mať mať na pamäti, že tieto cykly môžu byť ideálne, rovnako ako Karnottov cyklus. Je však potrebné, aby teploty ohrievača a chladničky neboli konštantné, ako v Carnotovom cykle, ale aby sa menili rovnakým spôsobom, ako sa mení teplota pracovnej látky v procesoch izochorického ohrevu a chladenia. Inými slovami, pracovná látka musí byť v kontakte s nekonečne veľkým počtom ohrievačov a chladničiek - iba v takom prípade dôjde k rovnovážnemu prenosu tepla na izochoroch. Samozrejme, v cykloch skutočných tepelných motorov nie sú procesy rovnovážne, v dôsledku čoho je účinnosť skutočných tepelných motorov pri rovnakom teplotnom rozmedzí oveľa nižšia ako účinnosť Carnotovho cyklu. Výraz (2) zároveň hrá obrovskú úlohu v termodynamike a je akýmsi „majákom“, ktorý naznačuje spôsoby, ako zvýšiť účinnosť skutočných tepelných motorov. |
|||
 | V Ottovom cykle sa najskôr do valca nasaje pracovná zmes 1–2, potom 2–3 adiabatické stlačenie a po jeho izochorickom spaľovaní 3–4 sprevádzané zvýšením teploty a tlaku splodín horenia dôjde k ich adiabatickej expanzii 4–5, potom izochorickému poklesu tlaku 5 -2 a izobarické vylučovanie výfukových plynov piestom 2-1. Pretože sa práce nevykonávajú na izochoroch a práca pri nasávaní pracovnej zmesi a vypúšťaní výfukových plynov je rovnaká a opačná, je užitočná práca v jednom cykle rovná rozdielu medzi prácou na adiabatoch expanzie a kompresie a je graficky znázornená oblasťou cyklu. | ||
| Pri porovnaní účinnosti skutočného tepelného motora s účinnosťou Carnotovho cyklu je potrebné poznamenať, že pri vyjadrení (2) sa teplota T 2 vo výnimočných prípadoch môže zhodovať s teplotou okolia, ktorú berieme pre chladničku, vo všeobecnosti presahuje teplotu prostredia. Teda napríklad v motoroch vnútorné spaľovanie T 2 by sa mala chápať ako teplota výfukových plynov, nie teplota prostredia, do ktorého sa výfukové plyny vytvárajú. | |||
 | Obrázok zobrazuje cyklus štvortaktného spaľovacieho motora s izobarickým spaľovaním (naftový cyklus). Na rozdiel od predchádzajúceho cyklu sa vstrebáva v časti 1-2. atmosférický vzduch, ktorý je podrobený adiabatickému stlačeniu v sekciách 2-3 až 3 10 6 -3 10 5 Pa. Vstreknuté kvapalné palivo sa vznieti v prostredí vysoko stlačeného vzduchu, čo znamená ohriaty vzduch a horí 3-4 izobaricky, a potom dôjde k adiabatickej expanzii produktov spaľovania 4-5. Ostatné procesy 5-2 a 2-1 prebiehajú rovnako ako v predchádzajúcom cykle. Malo by sa pamätať na to, že v spaľovacích motoroch sú cykly podmienene uzavreté, pretože pred každým cyklom je valec naplnený určitou hmotnosťou pracovnej látky, ktorá je z valca na konci cyklu vyhodená von. | ||
Ale teplota chladničky prakticky nemôže byť oveľa nižšia ako teplota okolia. Môžete zvýšiť teplotu ohrievača. Akýkoľvek materiál (pevná látka) má však obmedzenú tepelnú odolnosť alebo tepelnú odolnosť. Zahriatím postupne stráca svoje elastické vlastnosti a pri dostatočne vysokej teplote sa topí. Teraz sa hlavné úsilie inžinierov zameriava na zvýšenie účinnosti motorov znížením trenia ich častí, strát paliva kvôli neúplnému spaľovaniu atď. Skutočné možnosti zvýšenia účinnosti sú tu stále veľké. Pre parnú turbínu sú teda počiatočné a konečné teploty pary približne tieto: T 1 \u003d 800 K a T 2 \u003d 300 K. Pri týchto teplotách je maximálna hodnota účinnosti:  Skutočná hodnota účinnosti z dôvodu rôznych druhov energetických strát je približne 40%. Maximálna účinnosť - asi 44% má spaľovacie motory. Účinnosť žiadneho tepelného motora nemôže prekročiť maximálnu možnú hodnotu  kde T1 je absolútna teplota ohrievača a T2 je absolútna teplota chladničky. Najdôležitejším technickým problémom je zvýšenie účinnosti tepelných motorov a ich maximálne priblíženie. |
Clausiova nerovnosť
(1854): Množstvo tepla prijatého do systému v ľubovoľnom kruhovom procese delené absolútnou teplotou, pri ktorej bol prijatý ( daný množstvo tepla) nie je kladné.
Dodané množstvo tepla kvázi staticky získaný systémom nezávisí od prechodovej cesty (je určená iba počiatočným a konečným stavom systému) - pre kvázistatická procesy Clausiova nerovnosť sa mení na rovnosť .
Entropia, funkcia štátu S termodynamický systém, ktorého zmena dS pre nekonečne malú reverzibilnú zmenu stavu systému sa rovná pomeru množstva tepla prijatého do systému v tomto procese (alebo odobratého zo systému) k absolútnej teplote T:
Množstvo dSje totálny rozdiel, t.j. jeho integrácia pozdĺž ľubovoľne zvolenej cesty dáva rozdiel medzi hodnotami entropia v počiatočnom (A) a konečnom (B) stave:
Teplo nie je funkciou stavu; preto integrál δQ závisí od zvolenej cesty prechodu medzi stavmi A a B. Entropia merané v J / (mol. stupeň).
Koncepcia entropia sa predpokladá funkcia systému druhý zákon termodynamiky, ktorý vyjadruje prostredníctvom entropia rozdiel medzi nezvratné a reverzibilné procesy... Pre prvý dS\u003e δQ / T pre druhý dS \u003d δQ / T.
Entropia ako funkcia vnútorná energia U systém, objem V a počet mólov n i iTáto zložka je charakteristickou funkciou (pozri. Termodynamické potenciály). Je to dôsledok prvého a druhého princípu termodynamiky a je zapísané rovnicou:
kde r - tlak, μ i - chemický potenciál ith zložka. Deriváty entropia o prírodných premenných U, V a n i sú si rovné:
Odkaz na jednoduché vzorce entropia s tepelnými kapacitami pri konštantnom tlaku C str a konštantný objem Životopis:
Skrz entropia podmienky na dosiahnutie termodynamickej rovnováhy systému sú formulované so stálosťou jeho vnútornej energie, objemom a počtom mólov i-stá zložka (izolovaný systém) a podmienky stability pre takúto rovnováhu:
Znamená to, že entropia izolovaná sústava dosiahne maximum v stave termodynamickej rovnováhy. Spontánne procesy v systéme môžu prebiehať iba smerom k zvyšovaniu entropia.
Entropia patrí do skupiny termodynamických funkcií nazývaných Massier-Planckove funkcie. Ostatné funkcie patriace do tejto skupiny - Masívnejšia funkcia F 1 = S - (1 / T) U a Planckova funkcia Ф 2 \u003d S - (1 / T) U - (p / T) V, je možné získať aplikáciou Legendrovej transformácie na entropiu.
Podľa tretieho termodynamického zákona (pozri. Termická veta ), zmena entropia v reverzibilnej chemickej reakcii medzi látkami v kondenzovanom stave má tendenciu k nule pri T→0:
Planckov postulát (alternatívna formulácia tepelnej vety) to ustanovuje entropia akákoľvek chemická zlúčenina v kondenzovanom stave pri absolútnej nulovej teplote je podmienene nulová a možno ju brať ako referenčný bod pri určovaní absolútnej hodnoty entropia látok pri akejkoľvek teplote. Určujú rovnice (1) a (2) entropia až do stáleho obdobia.
V chemickom termodynamika široko používané sú tieto pojmy: štandardné entropia S 0, t.j. entropia pri tlaku r\u003d 1,01 · 105 Pa (1 atm); štandard entropia chemická reakcia t.j. rozdiel normy entropiavýrobky a činidlá; čiastočné molárne entropia zložka viaczložkového systému.
Na výpočet chemických rovnováh použite vzorec:
kde TO - rovnovážna konštanta, a - štandardne gibbsova energiaentalpia a entropia reakcie; R -plynová konštanta.
Vymedzenie pojmu entropia pre nerovnovážny systém je založený na koncepcii lokálnej termodynamickej rovnováhy. Lokálna rovnováha znamená splnenie rovnice (3) pre malé objemy nerovnovážneho systému ako celku (pozri. Termodynamika nevratných procesov). V prípade nezvratných procesov v systéme, výroba (výskyt) entropia... Plný diferenciál entropia je v tomto prípade definovaná Carnot-Clausiovou nerovnosťou:
kde dS i\u003e0 - rozdiel entropianesúvisí s tepelným tokom, ale s výrobou entropiav dôsledku nezvratných procesov v systéme ( difúzia. tepelná vodivosť, chemické reakcie atď.). Miestna výroba entropia (t - čas) je vyjadrený ako súčet súčinov zovšeobecnených termodynamických síl X i k zovšeobecneným termodynamickým tokom J i:
Výroba entropia napríklad z dôvodu difúzie súčasti i v dôsledku sily a toku hmoty J; výroba entropia v dôsledku chemickej reakcie - silou X \u003d A / Tkde A-chemická afinita a tok Jrovná reakčnej rýchlosti. V štatistickej termodynamike entropia izolovaného systému je určený pomerom: kde k - boltzmannova konštanta... - termodynamická váha stavu, rovná sa počtu možných kvantových stavov sústavy s danými hodnotami energie, objemu, počtu častíc. Rovnovážny stav systému zodpovedá rovnosti populácií jednotlivých (nedegenerovaných) kvantových stavov. Vzostupne entropia v nezvratných procesoch je to spojené so zriadením pravdepodobnejšieho rozdelenia danej energie systému medzi jednotlivé subsystémy. Zovšeobecnená štatistická definícia entropia, čo platí aj pre neizolované systémy, spája entropia s pravdepodobnosťou rôznych mikrostavov nasledovne:
kde w i - pravdepodobnosť ith štát.
Absolútne entropia chemická zlúčenina sa stanoví experimentálne, hlavne kalorimetrickou metódou, na základe pomeru:
Použitie druhého princípu vám umožňuje definovať entropia chemické reakcie podľa experimentálnych údajov (metóda elektromotorických síl, metóda tlaku pár atď.). Možný výpočet entropia chemické zlúčeniny metódami štatistickej termodynamiky, založené na molekulárnych konštantách, molekulovej hmotnosti, geometrii molekúl, frekvencii normálnych vibrácií. Tento prístup sa úspešne uplatňuje pri ideálnych plynoch. Pre kondenzované fázy poskytuje štatistický výpočet oveľa menšiu presnosť a vykonáva sa v obmedzenom počte prípadov; v posledných rokoch sa v tejto oblasti dosiahol značný pokrok.
Témy kodéra USE: princípy činnosti tepelných strojov, účinnosť tepelného motora, tepelné motory a ochrana životného prostredia.
V skratke, tepelné stroje premieňať teplo na prácu alebo naopak pracovať na teplo.
Tepelné motory sú dvoch typov - v závislosti od smeru procesov v nich prebiehajúcich.
1. Tepelné motory prevádzať teplo prichádzajúce z externého zdroja na mechanickú prácu.
2. Chladiace stroje prenášať teplo z menej ohriateho telesa do viac ohriateho v dôsledku mechanickej práce vonkajšieho zdroja.
Zvážme tieto typy tepelných motorov podrobnejšie.
Tepelné motory
Vieme, že práca na tele je jedným zo spôsobov, ako zmeniť jeho vnútornú energiu: dokonalá práca sa akoby v tele rozpustila a zmenila sa na energiu chaotického pohybu a interakcie jeho častíc.
Obrázok: 1. Zahrejte motor
Tepelný motor je zariadenie, ktoré naopak extrahuje užitočnú prácu z „chaotickej“ vnútornej energie tela. Vynález tepelného motora radikálne zmenil tvár ľudskej civilizácie.
Schematický diagram tepelného motora je možné znázorniť nasledovne (obr. 1). Poďme pochopiť, čo znamenajú prvky tohto diagramu.
Pracovný orgán motor je plynový. Rozpína \u200b\u200bsa, posúva piest a vykonáva tak užitočné mechanické práce.
Ale aby sme prinútili plyn expandovať, prekonávať vonkajšie sily, je potrebné ho zohriať na teplotu, ktorá je výrazne vyššia ako teplota okolia. Za týmto účelom sa plyn uvedie do styku s ohrievač - spaľovanie paliva.
V procese spaľovania paliva sa uvoľňuje významná energia, z ktorej časť ide na ohrev plynu. Plyn prijíma množstvo tepla z ohrievača. Vďaka tomuto teplu robí motor užitočnú prácu.
To je všetko jasné. Čo je to chladnička a prečo je to potrebné?
Vďaka jedinej expanzii plynu môžeme prichádzajúce teplo využiť čo najefektívnejšie a úplne ho premeniť na prácu. K tomu je potrebné plyn izotermicky rozpínať: prvý zákon termodynamiky, ako vieme, nám v tomto prípade dáva.
Nikto ale nepotrebuje jednorazové rozšírenie. Motor musí bežať cyklicky, ktorá poskytuje periodickú opakovateľnosť pohybov piestu. Preto musí byť na konci expanzie plyn stlačený, čím sa vráti do pôvodného stavu.
V procese expanzie robí plyn pozitívnu prácu. V procese kompresie sa na plyne vykonáva pozitívna práca (a samotný plyn vykonáva negatívnu prácu). Vo výsledku je užitočná práca plynu na cyklus :.
Samozrejme, že musí byť style \u003d "vertical-align: -20%;" trieda \u003d "tex" alt \u003d ""\u003e, alebo (inak nemá zmysel žiadny motor).
Pri stlačení plynu musíme urobiť menej práce, ako urobil plyn pri expanzii.
Ako je to možné dosiahnuť? Odpoveďou je stlačenie plynu pri nižších tlakoch ako pri expanzii. Inými slovami, mal by ísť proces kompresie na diagrame nižšie expanzný proces, to znamená, že cyklus musí prejsť v smere hodinových ručičiek (obr. 2).
Obrázok: 2. Zahrejte cyklus motora
Napríklad v cykle na obrázku je práca plynu počas expanzie rovnaká ako plocha zakriveného lichobežníka. Podobne sa práca stlačeného plynu rovná ploche zakriveného lichobežníka so znamienkom mínus. Vo výsledku sa ukáže, že práca s plynom na jeden cyklus je pozitívna a rovná sa oblasti cyklu.
Dobre, ale ako dosiahnuť, aby sa plyn vrátil do pôvodného stavu pozdĺž nižšej krivky, tj. Cez štáty s nižšími tlakmi? Pripomeňme si, že pre daný objem platí, že čím nižšia teplota, tým nižší tlak plynu. V dôsledku toho musí stlačený plyn prechádzať cez štáty s nižšími teplotami.
Presne na to slúži chladnička: do v pohode plyn v procese kompresie.
Chladnička môže byť atmosféra (pre spaľovacie motory) alebo chladiaca tečúca voda (pre parné turbíny). Po ochladení plyn vydáva trochu tepla do chladničky.
Ukazuje sa, že celkové množstvo tepla prijatého plynom za cyklus je rovnaké. Podľa prvého zákona termodynamiky:
kde je zmena vnútornej energie plynu na cyklus. Rovná sa nule: pretože plyn sa vrátil do pôvodného stavu (a vnútorná energia, ako si pamätáme, je) štátna funkcia). Vo výsledku sa práca na plyn za cyklus rovná:
(1)
Ako vidíte: nie je možné úplne premeniť teplo pochádzajúce z ohrievača na prácu. Časť tepla musí byť odovzdaná do chladničky, aby sa zabezpečila cyklickosť procesu.
Ukazovateľom účinnosti premeny energie spaľovacieho paliva na mechanickú prácu je účinnosť tepelného motora.
Účinnosť tepelného motora je pomer mechanickej práce k množstvu tepla prijatého z ohrievača:
Ak vezmeme do úvahy vzťah (1), máme tiež
(2)
Ako vidíme, účinnosť tepelného motora je vždy menšia ako jednota. Napríklad účinnosť parných turbín je približne a účinnosť spaľovacích motorov približne.
Chladiace stroje
Každodenné skúsenosti a fyzikálne experimenty nám hovoria, že v procese výmeny tepla sa teplo prenáša z viac zohriateho tela do menej zohriateho, ale nie naopak. Nikdy sa nepozorujú procesy, pri ktorých v dôsledku prenosu tepla energia spontánne prechádza zo studeného tela do horúceho, v dôsledku čoho by sa studené telo ešte viac ochladilo a horúce telo by sa ešte viac zahrialo.
Obrázok: 3. Chladiaci stroj
Kľúčové slovo je tu „spontánne“. Ak používate externý zdroj energie, je celkom možné uskutočniť proces prenosu tepla zo studeného tela na horúce. Toto robia chladničky.
autá.
V porovnaní s tepelným motorom majú procesy v chladiacom stroji opačný smer (obr. 3).
Pracovný orgán nazýva sa aj chladiaci stroj chladivo... Pre zjednodušenie ho budeme považovať za plyn, ktorý absorbuje teplo pri expanzii a vydáva sa pri kompresii (v skutočných chladiacich jednotkách je chladivom prchavý roztok s nízkou teplotou varu, ktorý pri odparovaní odoberá teplo a počas kondenzácie vydáva teplo).
Chladnička v chladiacom stroji je to teleso, z ktorého sa odvádza teplo. Chladnička prenáša množstvo tepla na pracovnú tekutinu (plyn), v dôsledku čoho sa plyn rozširuje.
Počas kompresie plyn vydáva teplo teplejšiemu telu - ohrievač... Aby k takémuto prenosu tepla mohlo dôjsť, musí sa plyn stlačiť pri vyšších teplotách, ako tomu bolo pri expanzii. To je možné iba vďaka práci vykonávanej externým zdrojom (napríklad elektromotorom (v skutočných chladiacich jednotkách vytvára elektromotor nízky tlak vo výparníku, v dôsledku čoho chladivo vrie a odoberá teplo; naopak, v kondenzátore vytvára elektromotor) vysoký tlak, pod ktorým chladivo kondenzuje a vydáva teplo)). Preto sa ukáže, že množstvo tepla odovzdaného do ohrievača je väčšie ako množstvo tepla odobratého z chladničky, a to iba o množstvo:
Na diagrame teda prebieha prevádzkový cyklus chladiaceho stroja proti smeru hodinových ručičiek... Oblasť cyklu predstavuje prácu vykonanú externým zdrojom (obr. 4).
Obrázok: 4. Chladiaci cyklus
Hlavným účelom chladiaceho stroja je chladenie nádrže (napríklad mrazničky). V tomto prípade tento zásobník plní úlohu chladničky a prostredie slúži ako ohrievač - teplo odvádzané zo zásobníka sa do neho odvádza.
Ukazovateľ účinnosti chladiaceho stroja je koeficient chladenia, ktorá sa rovná pomeru tepla odobraného z chladničky k práci externého zdroja:
Koeficient výkonu môže byť viac ako jeden. V skutočných chladničkách má hodnoty od približne 1 do 3.
Existuje ešte jedna zaujímavá aplikácia: chladič môže pracovať ako tepelné čerpadlo... Potom jeho účelom je ohriať určitý zásobník (napríklad na vykurovanie miestnosti) v dôsledku tepla odvedeného z prostredia. V tomto prípade bude týmto zásobníkom ohrievač a prostredím bude chladnička.
Ukazovateľ účinnosti tepelného čerpadla je súčiniteľ kúreniasa rovná pomeru množstva tepla odovzdaného do vyhrievanej nádrže k práci externého zdroja:
Hodnoty vykurovacieho koeficientu skutočných tepelných čerpadiel sa zvyčajne pohybujú v rozmedzí od 3 do 5.
Tepelný stroj Karnot
Dôležitými vlastnosťami tepelného motora sú najvyššie a najnižšie hodnoty teploty pracovnej tekutiny počas cyklu. Tieto hodnoty sú podľa toho pomenované teplota ohrievača a teplota chladničky.
Videli sme, že účinnosť tepelného motora je striktne menšia ako jednota. Nastáva prirodzená otázka: aká je najvyššia možná účinnosť tepelného motora s pevnými hodnotami teploty ohrievača a teploty chladničky?
Nech je napríklad maximálna teplota pracovnej kvapaliny motora rovnaká a minimálna -. Aká je teoretická hranica účinnosti pre takýto motor?
Odpoveď na túto otázku dal francúzsky fyzik a inžinier Sadi Carnot v roku 1824.
Vynašiel a skúmal nádherný tepelný motor s ideálnym plynom ako pracovnou tekutinou. Tento stroj funguje carnotov cykluspozostávajúci z dvoch izotermov a dvoch adiabatov.
Zvážte priama slučka Carnotov stroj ide v smere hodinových ručičiek (obr. 5). V takom prípade funguje stroj ako tepelný motor.
Obrázok: 5. Carnotov cyklus
Izoterma ... Na tomto mieste sa plyn uvedie do tepelného kontaktu s tepelným ohrievačom a expanduje izotermicky. Množstvo tepla pochádza z ohrievača a úplne sa premení na prácu v tejto oblasti :.
Adiabat ... Na účely následného stlačenia je potrebné plyn preniesť do zóny s nižšími teplotami. Za týmto účelom je plyn tepelne izolovaný a na danom mieste potom adiabaticky expanduje.
Pri expanzii robí plyn pozitívnu prácu a preto klesá jeho vnútorná energia :.
Izoterma ... Tepelná izolácia sa odstráni, plyn sa privedie do tepelného kontaktu s teplotnou chladničkou. Nastáva izotermická kompresia. Plyn vydáva množstvo tepla do chladničky a robí negatívnu prácu.
Adiabat ... Táto časť je nevyhnutná na uvedenie plynu do pôvodného stavu. Počas adiabatickej kompresie plyn vykonáva negatívnu prácu a zmena vnútornej energie je pozitívna :. Plyn sa zahrieva na pôvodnú teplotu.
Carnot zistil efektívnosť tohto cyklu (výpočty, bohužiaľ, nie sú v rozsahu školských osnov):
(3)
Navyše to dokázal Účinnosť Carnotovho cyklu je najvyššia možná pre všetky tepelné motory s teplotou ohrievača a teplotou chladničky .
Vo vyššie uvedenom príklade teda máme:
Aký má zmysel používať izotermy a adiabaty, a nie niektoré ďalšie procesy?
Ukazuje sa, že izotermické a adiabatické procesy vytvárajú stroj Carnot reverzibilné... Dá sa to spustiť reverzná slučka (proti smeru hodinových ručičiek) medzi rovnakým ohrievačom a chladničkou bez zapojenia ďalších zariadení. V takom prípade bude stroj Carnot fungovať ako chladič.
Schopnosť prevádzkovať Carnotov stroj v oboch smeroch hrá veľmi dôležitú úlohu v termodynamike. Napríklad táto skutočnosť slúži ako odkaz v dôkaze o maximálnej účinnosti Carnotovho cyklu. K tomu sa vrátime v nasledujúcom článku venovanom druhému zákonu termodynamiky.
Tepelné motory a ochrana životného prostredia
Tepelné motory spôsobujú vážne poškodenie životného prostredia. Ich rozsiahle použitie vedie k množstvu negatívnych účinkov.
Rozptýlenie obrovského množstva tepelnej energie do atmosféry vedie k zvýšeniu teploty planéty. Hrozí, že sa otepľovanie podnebia zmení na topiace sa ľadovce a katastrofické katastrofy.
K otepľovaniu podnebia vedie aj akumulácia oxidu uhličitého v atmosfére, ktorá spomaľuje únik tepelného žiarenia Zeme do vesmíru (skleníkový efekt).
V dôsledku vysokej koncentrácie produktov spaľovania paliva sa situácia v životnom prostredí zhoršuje.
Ide o celo civilizačné problémy. V boji proti škodlivým účinkom prevádzky tepelných motorov je potrebné zvýšiť ich účinnosť, znížiť emisie toxických látok, vyvinúť nové druhy paliva a ekonomicky využívať energiu.
Účinnosť tepelného motora. Podľa zákona o zachovaní energie sa práca vykonaná motorom rovná:
kde je teplo prijaté z ohrievača, je teplo dodané do chladničky.
Účinnosť tepelného motora je pomer práce vykonanej motorom k množstvu tepla prijatého z ohrievača:
Pretože vo všetkých motoroch sa určité množstvo tepla prenáša do chladničky, vo všetkých prípadoch
Maximálna účinnosť tepelných motorov. Francúzsky inžinier a vedec Sadi Carnot (1796 1832) si vo svojej práci „Úvahy o hybnej sile ohňa“ (1824) stanovil cieľ: zistiť, za akých podmienok bude prevádzka tepelného motora najefektívnejšia, teda za akých podmienok bude mať motor maximálnu účinnosť.
Carnot prišiel s ideálnym tepelným motorom s ideálnym plynom ako pracovnou tekutinou. Vypočítal účinnosť tohto stroja pracujúceho s teplotným ohrievačom a teplotnou chladničkou
Hlavným významom tohto vzorca je, ako dokázal Carnot, opierajúc sa o druhý zákon termodynamiky, že žiadny skutočný tepelný motor pracujúci s teplotným ohrievačom a teplotným chladičom nemôže mať účinnosť, ktorá prekračuje účinnosť ideálneho tepelného motora.
Vzorec (4.18) udáva teoretický limit pre maximálnu hodnotu účinnosti tepelných motorov. Ukazuje to, že čím účinnejší je tepelný motor, tým vyššia je teplota ohrievača a tým nižšia je teplota chladničky. Iba pri teplote chladničky rovnajúcej sa absolútnej nule,
Ale teplota chladničky prakticky nemôže byť oveľa nižšia ako teplota okolia. Môžete zvýšiť teplotu ohrievača. Akýkoľvek materiál (pevná látka) má však obmedzenú tepelnú odolnosť alebo tepelnú odolnosť. Zahriatím postupne stráca svoje elastické vlastnosti a pri dostatočne vysokej teplote sa topí.
Teraz sa hlavné úsilie inžinierov zameriava na zvýšenie účinnosti motorov znížením trenia ich častí, strát paliva kvôli neúplnému spaľovaniu atď. Skutočné možnosti zvýšenia účinnosti sú tu stále veľké. Pre parnú turbínu sú teda počiatočné a konečné teploty pary približne tieto: Pri týchto teplotách je maximálna účinnosť:
Skutočná hodnota účinnosti v dôsledku rôznych druhov energetických strát sa rovná:
Najdôležitejším technickým problémom je zvýšenie účinnosti tepelných motorov a ich maximálne priblíženie.
Tepelné motory a ochrana prírody. Široké použitie tepelných motorov na získanie energie vhodnej na použitie v najväčšej miere v porovnaní s
všetky ostatné typy výrobných procesov sú spojené s dopadom na životné prostredie.
Podľa druhého zákona termodynamiky sa výroba elektrickej a mechanickej energie v zásade nemôže uskutočňovať bez odvádzania významného množstva tepla do životného prostredia. To nemôže viesť k postupnému zvyšovaniu priemernej teploty na Zemi. Teraz je spotreba energie asi 1010 kW. Keď táto sila dosiahne priemernú teplotu, zreteľne sa zvýši (asi o jeden stupeň). Ďalšie zvýšenie teploty by mohlo ohroziť topenie ľadovcov a katastrofické zvýšenie hladiny morí.
Týmto sa však nevyčerpajú negatívne dôsledky používania tepelných motorov. Pece tepelných elektrární, spaľovacie motory automobilov atď. Nepretržite emitujú látky škodlivé pre rastliny, zvieratá a ľudí do atmosféry: zlúčeniny síry (počas spaľovania uhlia), oxidy dusíka, uhľovodíky, oxid uhoľnatý (CO) atď. Osobitné nebezpečenstvo v tomto ohľade sú zastúpené automobily, ktorých počet alarmujúco rastie a čistenie výfukových plynov je náročné. V jadrových elektrárňach nastáva problém so zneškodňovaním nebezpečného rádioaktívneho odpadu.
Okrem toho použitie parných turbín v elektrárňach vyžaduje na ochladenie odpadových pár veľké plochy pre jazierka. So zvyšovaním kapacity elektrární sa prudko zvyšuje dopyt po vode. V roku 1980 sa v našej krajine na tieto účely vyžadovalo asi voda, teda asi 35% dodávok vody pre všetky odvetvia hospodárstva.
To všetko predstavuje pre spoločnosť rad vážnych problémov. Spolu s najdôležitejšou úlohou zvýšenia účinnosti tepelných motorov je potrebné vykonať niekoľko opatrení na ochranu životného prostredia. Je potrebné zvýšiť účinnosť štruktúr, ktoré bránia emisiám škodlivých látok do ovzdušia; dosiahnuť úplnejšie spaľovanie paliva v automobilových motoroch. Už teraz nie sú vozidlá s vysokým obsahom CO vo výfukových plynoch povolené. Diskutuje sa o možnosti vytvorenia elektrických vozidiel, ktoré môžu konkurovať bežným vozidlám, a o možnosti použitia paliva bez škodlivých látok vo výfukových plynoch, napríklad v motoroch pracujúcich na zmesi vodíka s kyslíkom.
Z dôvodu úspory miesta a vodných zdrojov je vhodné postaviť celé komplexy elektrární, predovšetkým jadrových, s uzavretým cyklom zásobovania vodou.
Ďalším smerom vyvíjaného úsilia je zvýšenie efektívnosti využívania energie a boj za jej šetrenie.
Riešenie vyššie uvedených problémov je pre ľudstvo životne dôležité. A tieto problémy s maximálnym úspechom môžu
v socialistickej spoločnosti s plánovaným hospodárskym rozvojom v celoštátnom meradle. Organizácia ochrany životného prostredia si však vyžaduje globálne úsilie.
1. Aké procesy sa nazývajú nezvratné? 2. Aké sú najbežnejšie nezvratné procesy? 3. Uveďte príklady nezvratných procesov, ktoré nie sú uvedené v texte. 4. Formulujte druhý zákon termodynamiky. 5. Ak by rieky tiekli dozadu, znamenalo by to toto porušenie zákona o zachovaní energie? 6. Aké zariadenie sa nazýva tepelný motor? 7. Aká je úloha ohrievača, chladničky a pracovného média tepelného motora? 8. Prečo nemôžu tepelné motory využívať vnútornú energiu oceánu ako zdroj energie? 9. Čo sa nazýva účinnosť tepelného motora?
10. Aká je maximálna možná hodnota účinnosti tepelného motora?
\u003e\u003e Fyzika: Princíp činnosti tepelných motorov. Koeficient výkonu (COP) tepelných motorov
Rezervy vnútornej energie v zemskej kôre a oceánoch možno považovať za prakticky neobmedzené. Ale na vyriešenie praktických problémov nestačí mať energetické rezervy. Je tiež potrebné vedieť používať energiu na uvedenie do pohybu obrábacích strojov v továrňach a závodoch, dopravných prostriedkov, traktorov a iných strojov, na otáčanie rotorov generátorov elektrického prúdu atď. Ľudstvo potrebuje motory - prístroje schopné vykonávať prácu. Väčšina motorov na Zemi je tepelné motory... Tepelné motory sú zariadenia, ktoré premieňajú vnútornú energiu paliva na mechanickú.
Princípy činnosti tepelných motorov.Aby mohol motor vykonávať prácu, je potrebný tlakový rozdiel na oboch stranách piestu motora alebo lopatiek turbíny. U všetkých tepelných motorov sa tento tlakový rozdiel dosahuje zvýšením teploty pracovnej tekutiny (plynu) o stovky alebo tisíce stupňov v porovnaní s teplotou okolia. Tento nárast teploty nastáva pri spaľovaní paliva.
Jednou z hlavných častí motora je nádoba naplnená plynom s pohyblivým piestom. Pracovnou tekutinou pre všetky tepelné motory je plyn, ktorý vykonáva prácu pri expanzii. Označme počiatočnú teplotu pracovnej tekutiny (plynu) T 1. Táto teplota v parných turbínach alebo strojoch sa získava parou v parnom kotle. V spaľovacích motoroch a plynových turbínach dochádza k nárastu teploty pri spaľovaní paliva vo vnútri samotného motora. Teplota T 1 teplota ohrievača. “
Úloha chladničky.Po dokončení práce plyn stráca energiu a nevyhnutne sa ochladzuje na určitú teplotu. T 2, ktorá je zvyčajne o niečo vyššia ako teplota okolia. Volajú ju teplota chladničky... Chladnička je atmosféra alebo špeciálne zariadenie na chladenie a kondenzáciu odpadovej pary - kondenzátory... V druhom prípade môže byť teplota v chladničke mierne nižšia ako teplota okolia.
Takže v motore nemôže pracovná kvapalina počas expanzie venovať všetku svoju vnútornú energiu výkonu práce. Časť tepla sa nevyhnutne prenáša do chladničky (atmosféry) spolu s výfukovými parami alebo výfukovými plynmi zo spaľovacích motorov a plynových turbín. Táto časť vnútornej energie sa stráca.
Tepelný motor vykonáva prácu vďaka vnútornej energii pracovnej tekutiny. Okrem toho sa v tomto procese teplo prenáša z teplejších telies (kúrenie) na chladnejšie (chladnička).
Schematický diagram tepelného motora je znázornený na obrázku 13.11.
Pracovné telo motora prijíma množstvo tepla z ohrievača počas spaľovania paliva Q 1robiť prácu A´ a prenesie množstvo tepla do chladničky Q 2 .
Koeficient výkonu (COP) tepelného motoraNemožnosť úplnej premeny vnútornej energie plynu na prevádzku tepelných strojov je spôsobená nezvratnosťou procesov v prírode. Ak by sa teplo mohlo spontánne vrátiť z chladničky do ohrievača, potom by sa vnútorná energia mohla pomocou ktoréhokoľvek tepelného motora úplne premeniť na užitočnú prácu.
Podľa zákona o zachovaní energie sa práca vykonaná motorom rovná:
kde Q 1 je množstvo tepla prijatého z ohrievača a Q 2 - množstvo tepla dodaného do chladničky.
Koeficient výkonu (COP) tepelného motoravolať pracovný postoj A´produkované motorom na množstvo tepla prijatého z ohrievača:
Pretože všetky motory prenášajú trochu tepla do chladničky, η<1.
Účinnosť tepelného motora je úmerná teplotnému rozdielu medzi ohrievačom a chladničkou. Kedy T 1 -T 2\u003d 0 motor nemôže bežať.
Maximálna účinnosť tepelných motorov. Zákony termodynamiky umožňujú vypočítať maximálnu možnú účinnosť tepelného motora pracujúceho s ohrievačom na teplotu T 1, a chladničku s teplotou T 2... Prvýkrát to urobil francúzsky inžinier a vedec Sadi Carnot (1796-1832) vo svojej práci „Úvahy o hnacej sile ohňa a strojoch schopných vyvinúť túto silu“ (1824).
Carnot prišiel s ideálnym tepelným motorom s ideálnym plynom ako pracovnou tekutinou. Ideálny tepelný motor spoločnosti Carnot pracuje v cykle pozostávajúcom z dvoch izotermov a dvoch adiabatov. Najskôr sa nádoba s plynom dostane do kontaktu s ohrievačom, plyn sa izotermicky rozpína \u200b\u200bpri pozitívnej práci pri teplote T 1, zatiaľ čo on prijíma množstvo tepla Q 1.
Potom je nádoba tepelne izolovaná, plyn pokračuje v adiabatickom rozširovaní, zatiaľ čo jeho teplota klesá na teplotu chladničky T 2... Potom sa plyn privedie do kontaktu s chladničkou a počas izotermického stlačenia poskytne chladničke množstvo tepla Q 2uzatváranie zmlúv na objem V 4
Carnot získal pre efektívnosť tohto stroja nasledujúci výraz:
Ako možno čakáte, účinnosť stroja Carnot je priamo úmerná rozdielu v absolútnych teplotách medzi ohrievačom a chladničkou.
Hlavný význam tohto vzorca je, že akýkoľvek skutočný tepelný stroj pracujúci s ohrievačom s teplotou T 1, a chladnička s teplotou T 2, nemôže mať účinnosť presahujúcu účinnosť ideálneho tepelného motora.
Vzorec (13.19) udáva teoretický limit pre maximálnu hodnotu účinnosti tepelných motorov. Ukazuje to, že čím účinnejší je tepelný motor, tým vyššia je teplota ohrievača a tým nižšia je teplota chladničky. Iba pri teplote chladničky rovnej absolútnej nule, η
=1.
Teplota chladničky ale nemôže byť prakticky nižšia ako teplota okolia. Môžete zvýšiť teplotu ohrievača. Akýkoľvek materiál (pevná látka) má však obmedzenú tepelnú odolnosť alebo tepelnú odolnosť. Zahriatím postupne stráca svoje elastické vlastnosti a pri dostatočne vysokej teplote sa topí.
Teraz je hlavné úsilie inžinierov zamerané na zvýšenie účinnosti motorov znížením trenia ich častí, strát paliva kvôli neúplnému spaľovaniu atď. Skutočné možnosti zvýšenia účinnosti sú tu stále veľké. Pre parnú turbínu sú teda počiatočné a konečné teploty pary približne tieto: T 1≈ 800 K a T 2≈ 300 K. Pri týchto teplotách je maximálna hodnota účinnosti:
Najdôležitejším technickým problémom je zvýšenie účinnosti tepelných motorov a ich maximálne priblíženie.
Tepelné motory vykonávajú prácu kvôli rozdielu v tlaku plynu na povrchoch piestov alebo lopatiek turbíny. Tento tlakový rozdiel je generovaný teplotným rozdielom. Maximálna možná účinnosť je úmerná tomuto teplotnému rozdielu a nepriamo úmerná absolútnej teplote ohrievača.
Tepelný motor nemôže fungovať bez chladničky, ktorou je zvyčajne atmosféra.
???
1. Aké zariadenie sa nazýva tepelný motor?
2. Aká je úloha ohrievača, chladničky a pracovnej kvapaliny v tepelnom motore?
3. Čo sa nazýva účinnosť motora?
4. Aká je maximálna hodnota účinnosti tepelného motora?
G.Ya Myakishev, B. B. Bukhovtsev, N. N. Sotsky, fyzika 10. stupňa
Obsah lekcie osnova lekcie podpora lekcie rámca prezentácia akceleračné metódy interaktívne technológie Prax úlohy a cvičenia autotestovacie workshopy, školenia, prípady, úlohy domáce zadania diskusné otázky rečnícke otázky študentov Ilustrácie audio, videoklipy a multimédiá fotky, obrázkové tabuľky, tabuľky, schémy, humor, vtipy, zábava, komiksové podobenstvá, porekadlá, krížovky, citáty Doplnky stravy abstrakty články tipy na zvedavé podvádzacie listy učebnice základný a doplnkový slovník pojmov iné Zdokonaľovanie učebníc a hodín opravy chýb v návode aktualizácia fragmentu inovačných prvkov učebnice v lekcii a nahradenie zastaraných poznatkov novými Iba pre učiteľov perfektné lekcie kalendárny plán na rok metodické odporúčania diskusného programu Integrované hodinyAk máte k tejto lekcii nejaké opravy alebo návrhy,
Načítava ...