- •Оглавление
- •Введение
- •Внутренняя энергия газа
- •Первое начало термодинамики
- •Теплоёмкость идеального газа
- •Применение I начала к изопроцессам
- •Адиабатный процесс
- •Политропический процесс
- •Скорость звука в газах
- •II начало термодинамики
- •Статиcтический смысл II начала термодинамики
- •«Теория тепловой смерти Вселенной»
- •Круговые процессы (циклы). Работа цикла
- •Цикл Карно. Кпд тепловой машины
- •Работа бытового холодильника
- •Технические циклы
Работа бытового холодильника
В этом холодильнике, как и в любой холодильной машине, за счёт внешней механической работы теплота передаётся от тела с меньшей температурой телу с большей температурой. В безкомпрессорных холодильниках достигается небольшое охлаждение.
Рассмотрим принцип работы компрессорного бытового холодильника.
В нижней части бытового холодильника имеется небольшой компрессор, приводимый в движение электромотором. Система холодильного агрегата заполняется рабочим веществом (хладоагент – жидкость с низкой температурой кипения), обычно фреоном -12 (смесь органических веществ). Компрессор холодильника засасывает пары фреона из кожуха компрессора, сжимает их и нагнетает через трубопровод в конденсатор, представляющий собой трубчатый змеевик, расположенный на наружной части кожуха холодильника. В конденсаторе пары фреона конденсируются, при этом выделяющаяся теплота рассеивается в окружающее пространство через достаточно большую площадь охлаждения. После конденсатора жидкий фреон подаётся через капиллярную (тонкую) трубку в испаритель, имеющий достаточно большой внутренний объём и помещённый внутри шкафа холодильника. Поступающий в испаритель жидкий фреон испаряется, отнимая при этом теплоту от стенок испарителя и соприкасающегося с ним воздуха. Выход испарителя соединён трубопроводом с внутренней поверхностью кожуха компрессора, в который попадает пар хладоагента, охлаждается и повторяет цикл.
Технические циклы
Мы показали, что наивысшим КПД обладает обратимый цикл Карно: .
Применяемые же в технических тепловых машинах циклы необратимы и незамкнуты(по окончании цикла рабочее вещество выбрасывается наружу).
Рассмотрим некоторые технические циклы.
1.Рабочий цикл идеальной поршневой паровой машины (рис.1)
1)Участок 1 – 2: пар поступает из котла в цилиндр. Считаем = const. Давление пара растёт от (давление пара в холодильнике) до (давление пара в котле).
2)Участок 2 – 3:пар продолжает поступать, поршень движется вправо, растёт до , = const.
3)Участок 3 – 4:поступление пара в цилиндр прекращается. Пар расширяется адиабатически. Объём растёт от до . Поршень в крайнем правом положении.
4)Участок 4 – 5:пар выпускается в холодильник. Давление падает до .
5)Участок 5 – 1:при обратном движении поршень выталкивает оставшиеся пары. Объём падает от до . Поршень в крайнем левом положении.
Полная работа машины за 1 цикл равна: ;
Действительный цикл паровых машин несколько отличается от этого (см. пунктир внутри идеального цикла). Его . Для обратного цикла Карно, проведённого между теми же нагревателем(t =) и холодильник(t =), КПД .
2.Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания (Рис.2)
1) Первый такт – всасывание горючего(пары бензина вместе с воздухом). Объём растёт от до .= const (атмосфер.). Поршень идёт слева направо: ЕА.
2)Поршень идёт налево: АВ – сжатие адиабатическое: уменьшается до , увеличится до, изменится на .
3) Зажигание (от искры). Смесь взрывается: ВС, давление мгновенно растёт: от до , изменяется на . Затем поршень идёт вправо, газ расширяется адиабатически – CD – рабочий ход. При правом крайнем положении поршня открывается клапан выпускной: давление падает до , а температура с до : участок DA.
4)Четвёртый ход поршня влево – выталкиваются отработанные газы. Участок АЕ.
Работа при этом цикле равна:
Можно показать, что:. Мы исходим из того, что: .
, .
Для идеального цикла Карно мы бы имели:
, но > , поэтому: > .
3.Цикл Дизеля (Рис.3) Он применяется в двигателях внутреннего сгорания, где используется низкосортное горючее.
После всасывания воздуха(0 – 1)и его адиабатного сжатия (1 – 2) впрыскивается горючее(точка 2)Вследствие сильного нагревания воздуха при адиабатном сжатии горючее самовоспламеняется и сгорает относительно медленно – изобарно, поэтому поршень успевает прийти в движение(2 – 3). Затем – рабочий ход (адиабатное расширение:3 – 4). На участке 4 – 1 происходит изохорное охлаждение. В положении 4 открывается выпускной клапан. После этого продукты сгорания выбрасываются в атмосферу (1 – 0).
Здесь =, =.
Найдём КПД: ,, с учётом выражений для , и уравнения Пуассона получим: , где ,
после преобразований: .
Для повышения КПД нужно увеличить сжатие. По практическим соображениям коэффициент сжатия обычно не превышает 10. КПД современных двигателей внутреннего сгорания ~30-40 %(это близко к предельному значению).