Тепловые машины

ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

В.С.ЗВОНОВ

Санкт-Петербургский пожарно-спасательный колледж

Предмет: термодинамика, теплопередача, гидравлика

10 апреля, 20232014 г.

Законы термодинамики. Термодинамические процессы. Циклы.

Цикл Карно.Тепловые машины

В.С.ЗВОНОВ

Санкт-Петербургский пожарно-спасательный колледж

Предмет: термодинамика, теплопередача, гидравлика

10 апреля, 20232014 г.

Введение

Молекулярная физика изучает движение больших совокупностей молекул или атомов. В природе мы постоянно сталкиваемся с телами, состоящими из колоссального числа атомов и молекул. Так в 1 см3 воздуха при нормальных условиях содержится 2.7·1019 молекул (концентрация n измеряется в 1см-3), а в1 см3 жидкости (или твердого тела) n = 1022 см–3.

Под макроскопическими телами (макроскопические системы) понимаются тела, состоящие из очень большого числа молекул. По латыни macro означает большой. Как правило, и размеры таких тел значительно больше размеров одного атома или молекулы 10–8 см.

Молекулы или атомы находятся в непрерывном движении. Хаотическое движение молекул газа или колебательное движение молекул твердого тела (жидкости) - тепловое движение. Энергия, связанная с этим движением - внутренняя энергия тела.

Итак, имеется два подхода к изучению макроскопических явлений в макротелах:

Первый закон термодинамики

Если исчезает некоторое количество тепловой энергии, возникает эквивалентное количество механической энергии (в виде совершенной работы).

При совершении какой-либо работы появляется эквивалентное ей количество тепловой энергии.

Математическое выражение первого закона термодинамики

Если к газообразному рабочему телу, находящемуся в равновесии, подвести тепло, то часть его пойдет на изменение внутренней энергии, а часть затрачивается на совершение работы:

Работа расширения:

Для 1 кг массы рабочего тела:

P-v диаграмма

В координатах p-v площадь, ограниченная кривой, осью абсцисс и ординатами крайних точек, равна работе расширения.

Внешняя работа –положительная в процессах расширения и отрицательная – в процессах сжатия.

dq=0 – отсутствует теплообмен системы с окружающей средой, процесс адиабатный.

, объем тела не меняется, , процесс изохорный:

- внутренняя энергия системы не меняется, процесс изотермический:

Первый закон термодинамики

Выводы

Утверждает взаимопревращаемость теплоты и работы и не ставит ограничений в осуществлении этого процесса.

Не противоречит существованию вечного двигателя.

Действительность

Превращение работы в теплоту не связано с ограничениями.

Превращение теплоты в работу требует определенных условий.

Невозможно возвращение ТДС в первоначальное состояние без каких-либо изменений в окружающей среде.

Необратимы все естественные процессы

Второй закон термодинамики

Любой реальный самопроизвольный процесс необратим.

При протекании в ТДС необратимого процесса неизменно возрастает энтропия. Чем больше необратимость – тем больше энтропия. Изменение энтропии – мера необратимости термодинамических процессов.

Аналитическое выражение второго закона термодинамики

Знак > характеризует необратимые процессы Знак = характеризует обратимые процессы

Объединенное уравнение

Объединенное уравнение первого и второго закона термодинамики для обратимых процессов и 1 кг рабочего тела:

История

Рабочая гипотеза тепловой машины, устанавливающая условия превращения теплоты в работу с точки зрения получения максимального к.п.д.

Малая величина к.п.д. тепловой машины – особенность теплоты, а не технического несовершенства машин.

Теоретические тепловые машины работают по круговым термодинамическим процессам – циклам.

Второй закон термодинамики для циклов Процесс, в котором рабочее тела, претерпев ряд

изменений, возвращается в первоначальное состояние, наз.круговым.

Необходимы 3 элемента: Нагреватель или теплоприемник с T1; Холодильник с T2; T1 > T2; Рабочее тело.

Пример цикла

Подводят тепло q1

Рабочее тело расширяется и совершает работу

Для возвращения рабочего тела в первоначальное состояние (сжатие) часть внутренней энергии в форме теплоты рабочее тело отдаст холодильнику q2

Теплота цикла:

Работа цикла:

сжрасц ааа

Циклы

Циклы

Во всех циклах изменение внутренней энергии, энтальпии и энтропии равно 0.

Первый закон термодинамики для циклов:

Второй закон термодинамики в формулировке Карно В круговом процесса теплота нагревателя

не может быть полностью превращена в работу.

Совокупность процессов расширения и сжатия образовала термодинамический цикл, площадь которого равна работе, совершенной рабочим телом.

Классификация циклов

Цикл прямой – линия процесса расширения на p-v диаграмме расположена выше линии сжатия.

Цикл обратный - …… Цикл обратимый – состоит из обратимых процессов. Цикл необратимый - ……

По прямым циклам работают все тепловые двигатели, производимая работа отдается внешнему потребителю.

По обратным циклам работают холодильные машины, теплота переходит от холодного тела к горячему

Степень совершенства цикла

Для оценки цикла необходимо знать долю теплоты q1, превращенной в полезную работу. Термический к.п.д.:

Т.е. невозможно создать тепловую машину, термический к.п.д. которой был бы равен единице.

Цикл Карно

р-v - диаграмма T-S - диаграмма

Цикл Сади Карно

Термодинамический цикл состоит из 2-х изотермических и 2-х адиабатных процессов;

Обратимый круговой процесс состоит из обратимых термодинамических процессов;

Термический к.п.д. цикла Карно не зависит от природы газа и определяется температурами нагревателя и холодильника

Количество подведенного тепла

Теплота цикла

К.п.д. цикла Карно

1

2

1

21

11

1)(

T

T

ST

STT

q

q

q

a ццк

Тепловой машиной называется устройство,в котором внутренняя энергия превращается в механическую.

Примеры тепловых машин: Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) а) карбюраторный двигатель б) дизельный двигатель в) реактивный двигательПаровые и газовые турбины.

Что такое тепловая машина?

Первые тепловые двигатели Кто и когда изобрёл?

Деви Папин – английский физик, один из изобретателей парового двигателя. 1680г. – Изобрёл паровой котёл 1681г. – Снабдил его предохранительным клапаном 1690г. – Первым использовал пар для поднятия поршня и

описал замкнутый термодинамический цикл парового двигателя.

1707г. – Представил описание своего двигателя

Кто и когда построил?

Конец 18 века – построены первые паровые машины. 1774 год – английским изобретателем Джеймсом Уаттом

построена первая универсальная паровая машина.

С 1775 по 1785 г. – фирмой Уатта построено 56 паровых машин. С 1785 по 1795г. – той же фирмой поставлено уже 144 такие

машины.

Первый паровой автомобиль

1770г. Жан Кюньо – французский инженер, построил первую самодвижущуюся тележку,

предназначенную для передвижения артиллерийских орудий

«Младший брат» - паровоз

1803г. – Английский изобретатель Ричард Тревитик сконструировал

первый паровоз. Через 5 лет Тревитик построил новый паровоз. он развивал скорость до 30 км/ч 1816г. – Не имея поддержки, Тревитик разорился и уехал в Южную Америку

Решающая роль

1781-1848г. – Английский конструктор и изобретатель Джордж

Стефенсон 1814г. – Начал заниматься строительством паровозов. 1823г. – Основал первый в мире

паровозостроительный завод 1829г. – На соревновании лучших локомотивов первое

место занял паровоз Стефенсона «Ракета». Его мощность составляла 13 л.с., а скорость 47 км/ч.

Двигатель внутреннего сгорания

1860г. – Французским механиком Ленуаром был изобретён двигатель внутреннего сгорания

1878г. – Немецким изобретателем Отто сконструирован четырёхтактный двигатель

внутреннего сгорания. 1825г. – Немецким изобретателем

Даймлером был создан бензиновый двигатель внутреннего сгорания

Двигатели Дизеля

1896г. – Немецкий инженер Рудольф Дизель сконструировал двигатель внутреннего сгорания в котором

сжималась не горючая смесь, а воздух.

Это наиболее экономичные тепловые двигатели 1)работают на дешёвых видах топлива 2) имеют КПД 31-44%

29 сентября 1913г. Сел на пароход, отправлявшийся в Лондон. Наутро его в

каюте не нашли. Считается, что он покончил с собой, бросившись ночью в воды Ла-Манша.

Тепловые машины могут быть устроеныразличным образом, но в любой тепловоймашине должно быть рабочее вещество,или тело, которое в рабочей части машины совершает механическую работу, нагреватель,где рабочее вещество получает энергию ихолодильник отбирающий у рабочего телатепло.

Рабочим веществом может быть водяной пар или газ.

Рабочеетело

Q1

Q2

Нагреватель Т1

Холодильник Т2

Основные части тепловой машины.

A = Q1 – Q2A = Q1 – Q2A = Q1 – Q2A = Q1 – Q2A = Q1 – Q2A = Q1 – Q2A = Q1 – Q2A = Q1 – Q2A = Q1 – Q2A = Q1 – Q2

КПД теплового двигателя (машины)

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД) называется отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше единицы и выражается в процентах. Невозможность превращения всего количества теплоты, полученного от нагревателя, в механическую работу является платой за необходимость организации циклического процесса и следует из второго закона термодинамики.

Что это такое?

Цикл Карно. КПД идеального теплового двигателя

Наибольшим КПД при заданных температурах нагревателя Tнагр и

холодильника Tхол

обладает тепловой двигатель, где рабочее тело расширяется и сжимается по циклу Карно график которого состоит из двух изотерм (2–3 и 4–1) и двух адиабат (3–4 и 1–2).

В реальных тепловых двигателях КПД определяют по экспериментальной механической мощности N двигателя и сжигаемому за единицу времени количеству топлива. Так, если за время t сожжено топливо массой m и

удельной теплотой сгорания q, то

Для транспортных средств справочной характеристикой часто является объем V сжигаемого топлива на пути s при механической мощности двигателя N и при скорости   . В этом случае, учитывая плотность топлива, можно записать формулу для расчета КПД:

Коэффициент полезного действия

некоторых тепловых машин.

Карбюраторный двигатель 25% Дизельный двигатель 38% Реактивный двигатель 30% Паровая турбина 25% Газовая турбина 55%

Экологические последствия работы тепловых двигателей

Интенсивное использование тепловых машин на транспорте и в энергетике (тепловые и атомные электростанции) ощутимо влияет на биосферу Земли. Хотя о механизмах влияния жизнедеятельности человека на климат Земли идут научные споры, многие ученые отмечают факторы, благодаря которым может происходить такое влияние:

• Парниковый эффект – повышение концентрации углекислого газа (продукт сгорания в нагревателях тепловых машин) в атмосфере. Углекислый газ пропускает видимое и ультрафиолетовое излучение Солнца, но поглощает инфракрасное излучение, идущее в космос от Земли. Это приводит к повышению температуры нижних слоев атмосферы, усилению ураганных ветров и глобальному таянию льдов.

• Прямое влияние ядовитых выхлопных газов на живую природу (канцерогены, смог, кислотные дожди от побочных продуктов сгорания).

• Разрушение озонового слоя при полетах самолетов и запусках ракет. Озон верхних слоев атмосферы защищает все живое на Земле от избыточного ультрафиолетового излучения Солнца.

Экологические последствия работы тепловых двигателей

Человек собирается купить автомобиль сроком на три года, но не может выбрать, какой автомобиль приобрести, с дизельным двигателем, который стоит 23 тысячи долларов, либо автомобиль с бензиновым двигателем стоимостью 20 тысяч долларов. Мощности автомобилей одинаковые и равны 100 кВт. За год он на автомобиле планирует проезжать около 10 тысяч километров. Средняя скорость движения 72 км/ч.

Какой вариант покупки экономически будет более выгодным? Цена за один литр: дизельное топливо 15 руб., бензин 18 руб. Плотность бензина 710 кг/м3 диз. топливо 820 кг/м3.Удельная теплота сгорания соответственно

156*10^6 Дж./кг , 127*10^6. Дж/кг.

Бензин Дизель

Паровая машина

Дени Папен (1647-1712)В 1690 году в Марбурге создал паровой двигатель, который совершал полезную работу за счёт нагревания и конденсации пара. 

Паровая машина

Ползунов Иван Иванович

Проект парового двигателя мощностью 1,8 л.с. Ползунов разработал в 1763 году.

Паровая машина

Паровая машина работает в интервале температур t1 = 120 °С, t2 = 320 °С, получая от нагревателя количество теплоты Q1 = 200 кДж за каждый цикл. Найдите: 1) КПД машины, 2) работу, совершаемую за цикл; 3) количество теплоты, отдаваемое за цикл. [62,5%; 125 кДж; 75 кДж]

Паровая машина

Паровая машина работает в интервале температур t1 = 120 °С, t2 = 320 °С, получая от нагревателя количество теплоты Q1 = 200 кДж за каждый цикл. Найдите: 1) КПД машины, 2) работу, совершаемую за цикл; 3) количество теплоты, отдаваемое за цикл. [62,5%; 125 кДж; 75 кДж]

Паровая машина

Паровая машина работает в интервале температур t1 = 120 °С, t2 = 320 °С, получая от нагревателя количество теплоты Q1 = 200 кДж за каждый цикл. Найдите: 1) КПД машины, 2) работу, совершаемую за цикл; 3) количество теплоты, отдаваемое за цикл. [62,5%; 125 кДж; 75 кДж]

Ответ

Паровоз Ефима и Мирона Черепановых

В 1824 году Ефим Черепанов сконструировал паровую машину мощностью в четыре лошадиных силы, а спустя четыре года Черепановы построили оригинальную золотопромывательную машину, которая промывала в день 800-1000 пудов золотоносного песка. Один черепановский агрегат заменял 24-х старателей и восемь

лошадей.  В 1835 году Черепановы приступили к созданию первого русского паровоза. Движение по первой железнодорожной магистрали — «Царской ветке» открылось 11 ноября 1837 года. Железная дорога соединила Санкт-Петербург с Царским Селом и Павловском.

Мы видим, что истинная благодарность потомков достигаются не званиями и сословиями, не количеством наград и капиталов, а верой, любовью и преданностью своему делу, беспредельным трудолюбием, терпением и ярким самобытным талантом.

Р. Дизель (1858-1913)

Как работает дизельПри первом такте (такт впуска, поршень идет вниз) свежая порция воздуха втягивается в цилиндр через открытый впускной клапан.При втором такте (такт сжатия, поршень идет вверх) впускной и выпускной клапаны закрыты, и воздух сжимается в объеме примерно в 17 раз (от 14:1 до 24:1), т.е. объем становится меньше в 17 раз по сравнению с общим объемом цилиндра, и воздух становится очень горячим.Непосредственно перед началом третьего такта (такт рабочего хода, поршень идет вниз) топливо впрыскивается в камеру сгорания через распылитель форсунки. При впрыске топливо распыляется на мелкие частицы, которые равномерно перемешиваются со сжатым воздухом для создания самовоспламеняемой смеси. Энергия высвобождается при сгорании, когда поршень начинает свое движение в такте рабочего хода. Впрыск продолжается, что вызывает поддержание постоянного давления сгораемого топлива на поршень.Выпускной клапан открывается, когда начинается четвертый такт (такт выпуска, поршень идет вверх), и выхлопные газы проходят через выпускной клапан.

Циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

Цикл воздушно-реактивного двигателя

Цикл Брайтона/Джоуля — термодинамический цикл, описывающий рабочие процессы газотурбинного, турбореактивного ипрямоточного воздушно-реактивного двигателей внутреннего сгорания, а также газотурбинных двигателей внешнего сгорания с замкнутым контуром газообразного (однофазного) рабочего тела.Цикл назван в честь американского инженера Джорджа Брайтона, который изобрёл поршневой двигатель внутреннего сгорания, работавший по этому циклу.

Цикл паротурбинных установокЦикл Ренкина

4’ – образование кипящей воды4’ – 1 – парообразование в котле1 - 1’ – перегрев пара1 – 2’ – расширение в конденсаторе2’ – 1 - конденсация пара3 – 4 – сжатие воды в насосе

Паросиловая установка

Второй закон термодинамики

ПроцессыПроцессы

Обратимые Необратимые

Обратимый процесс

Это процесс, который может происходить как в прямом, так и в обратном направлении

Обратимый процесс – это идеализация реального процесса.

Все макроскопические процессы проходят в определенном направлении

Необратимый процесс Процесс, обратный которому

самопроизвольно не происходит Все макроскопические процессы

являются необратимыми

Примеры

Кусок льда, внесенный в комнату, не отдает энергию окружающей среде и не охлаждается

Маятник самостоятельно не наращивает амплитуду колебаний

Ни охлаждение льда в первом случае, ни увеличение

амплитуды во втором не противоречит ни закону

сохранения энергии, ни законам механики. Оно противоречит

лишь второму закону термодинамики

Второй закон термодинамики

В циклически действующем тепловом двигателе

невозможно преобразовать все количество теплоты,

полученное от нагревателя, в механическую работу

Формулировка Р. Клаузиуса Невозможно

перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обоих системах или окружающих телах

Формулировка У. Кельвина Невозможно

осуществить такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы совершение работы за счет теплоты взятой от одного источника

Статистическое истолкование второго закона термодинамики Изолированная система

самопроизвольно переходит из менее вероятного состояния в более вероятное, или

Замкнутая система многих частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное

Основа второго закона термодинамики

Для превращения тепла в механическую работу необходимы два источника тепла с различной температурой и рабочее тело.

В цикле тепло источника с большей температурой не может быть полностью превращено в работу, т.к. часть его отдается источнику с меньшей температурой.

Тепло не может само переходить от тела менее нагретого к более нагретому без затрат работы.

Второй закон термодинамики для циклов

Математическая запись:

Знак = - обратимые циклы; Знак < - необратимые циклы. Если интеграл, взятый по замкнутому контуру, равен

0, то под знаком интеграла находится полный дифференциал некоторой функции:

Профессор Звонов Валерий СтепановичСанкт-Петербургский пожарно-спасательный колледж

v_zvonov@mail.ru

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ

Профессор Звонов Валерий Степанович

Санкт-Петербургский пожарно-спасательный колледж

«Основные законы термодинамики -2 »

Профессор Звонов Валерий СтепановичСанкт-Петербургский пожарно-спасательный колледж

ВОПРОСЫ ?