22. Призначення і принцип дії теплових двигунів. Кругові процеси (цикли). Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна.

Призначення і принцип дії теплових двигунів

Механічну енергію можна легко перетворити у внутрішню. Наприклад досить пустити важкий брусок по похилій площині і потенціальна енергія бруска перетвориться у внутрішню. А от заставити брусок рухатись вгору підвівши до нього тепло важко, бо перехід впорядкованого руху тіла у невпорядкований рух молекул тіла є необоротним процесом. Для перетворення тепла у механічну роботу потрібні теплові двигуни.

Визначення. Теплові двигуни – це пристрої, що перетворюють внутрішню енергію у механічну.

Одним з різновидів теплових двигунів є циклічний тепловий двигун – машина, яка здійснює замкнений цикл.

Визначення. Круговим процесом або циклом називається процес, при якому система, пройшовши через ряд станів, вертається у вихідний стан. (рис. 22.1).

Тепловий двигун повинен мати нагрівник, робоче тіло і холодильник (Рис.22.2). Нагрівник передає тепло робочому тілу. Отримавши тепло від нагрівника робоче виконує роботу. А для повертання двигуна в початковий стан потрібен холодильник. Зроблені нами висновки справедливі для всіх циклічних теплових двигунів.

Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна

1. Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна є важливою характеристикою машин та двигунів, яка характеризує якість теплового двигуна.

2. Визначення. Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна - це відношення корисної роботи двигуна А_к до кількості теплоти, що поступає від нагрівника Q_н. (Мал.4.19).

3. ;З даної формули можна отримати інший вираз для знаходження коефіцієнтакорисної дії теплового двигуна.

Так, як А_к = Q_н – Q_х, маємо ; або;

Виходячи з отриманих формул видно, що збільшити ККД двигуна можна збільшивши кількість теплоти, що поступає від нагрівника (Q_н), та зменшивши кількість теплоти, що передається холодильнику.

4. Одиницею вимірювання корисної дії теплового двигуна [h] = %

23. Другий закон термодинаміки. Теорема Карно. Цикл Карно. Наслідки теореми Карно.

Другий закон термодинаміки

1. Другий закон термодинаміки встановлює напрям протікання процесів у природі. Цей закон є узагальненням багатьох дослідних фактів і не має теоретичного виводу. Він приймається за постулат.

2. Другий закон термодинаміки має декілька формулювань:

Будь-який необоротній процес у замкненій системі відбувається так, що ентропія системи при цьому зростає ΔS ≥ 0.

По Клаузиусу: не можливий круговий процес, єдиним результатом якого є передача теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого.

3.

4. Застосовують для будь-яких процесів природи.

Ідеальна машина Карно

Французький інженерні Нікола Леонард Саді Карно у 1824р. видав книгу «Роздуми про рушійну силу вогню» в якій він описав ідеальний тепловий двигун - двигун, який мав працювати без витрат тепла у зовнішнє середовище під час робочого ходу поршня (розширенні газу у циліндрі). Такий двигун повинен мати максимальне значення ККД для даного нагрівника і холодильника. Карно довів, що ідеальний двигун повинен працювати за циклом, який складається з двох ізотерм і двох адіабат (Рис. 23.1).

Теорема Карно

1. Встановлює максимально можливий ККД оборотних теплових машини.

2. Визначення. З усіх періодично діючих теплових машин, що мають однакові температури нагрівачів T_н і холодильників T_х, найбільший ККД мають оборотні машини. При цьому максимальне ККД оборотних машин, визначаються тільки температурами нагрівача і холодильника.

3. , де Т_н - абсолютна температура нагрівача; Т_х - абсолютна температура холодильника.

4. теорема справедлива тільки для ідеальної машини Карно.

Наслідки теореми Карно

1. ККД циклу Карно не залежить від роду робочого тіла.

2. ККД визначається тільки різницею температур нагрівача і холодильника.

3. ККД не може бути 100% навіть у ідеальної теплової машини, так як при цьому температура холодильника повинна бути T₂ = 0, що заборонено законами квантової механіки і третім законом термодинаміки.

4. Неможливо створити вічний двигун другого роду, що працює в тепловій рівновазі без перепаду температур, тобто при T₂ = T₁, так як в цьому випадку η_max = 0.

5. Теплові двигуни підвищують ентропію замкнутої системи.