Mio-tech-service.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое цикл теплового двигателя

Тепловая машина Карно — Carnot heat engine

Тепловой двигатель Карно представляет собой теоретический двигатель , который работает на цикле Карно . Базовая модель для этого двигателя была разработана Николя Леонардом Сади Карно в 1824 году. Модель двигателя Карно была графически расширена Бенуа Полем Эмилем Клапейроном в 1834 году и математически исследована Рудольфом Клаузиусом в 1857 году, работа, которая привела к фундаментальной термодинамической концепции энтропии .

Каждая термодинамическая система существует в определенном состоянии . Термодинамический цикл происходит , когда система берется через ряд различных состояний, и , наконец , возвращается в исходное состояние. В процессе прохождения этого цикла система может выполнять работу со своим окружением, тем самым действуя как тепловой двигатель .

Тепловой двигатель действует, передавая энергию из теплой области в прохладную область пространства и, при этом, преобразуя часть этой энергии в механическую работу . Цикл также может быть обратным. На систему можно воздействовать внешней силой, и в процессе она может передавать тепловую энергию от более холодной системы к более теплой, тем самым действуя как холодильник или тепловой насос, а не как тепловая машина.

Описание цикла Карно [ править | править код ]

Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой T H > , холодильника с температурой T X > и рабочего тела.

Цикл Карно состоит из четырёх обратимых стадий, две из которых осуществляются при постоянной температуре (изотермически), а две — при постоянной энтропии (адиабатически). Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T (температура) и S (энтропия).

1. Изотермическое расширение (на рис. 1 — процесс A→B). В начале процесса рабочее тело имеет температуру T H > , то есть температуру нагревателя. При расширении рабочего тела его температура не падает за счет передачи от нагревателя количества теплоты Q H > , то есть расширение происходит изотермически (при постоянной температуре) . При этом объём рабочего тела увеличивается, оно совершает механическую работу, а его энтропия возрастает.

2. Адиабатическое расширение (на рис. 1 — процесс B→C). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом температура тела уменьшается до температуры холодильника T X > , тело совершает механическую работу, а энтропия остаётся постоянной.

Читать еще:  L200 расход топлива дизельного двигателя

3. Изотермическое сжатие (на рис. 1 — процесс C→D). Рабочее тело, имеющее температуру T X > , приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты Q X > . Над телом совершается работа, его энтропия уменьшается.

4. Адиабатическое сжатие (на рис. 1 — процесс D→A). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается под действием внешней силы без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя, над телом совершается работа, его энтропия остаётся постоянной.

Обратный цикл Карно [ | ]

В термодинамике холодильных установок и тепловых насосов рассматривают обратный цикл Карно, состоящий из следующих стадий [9] [10] : адиабатического сжатия за счёт совершения работы (на рис. 1 — процесс C→B); изотермического сжатия с передачей теплоты более нагретому тепловому резервуару (на рис. 1 — процесс B→A); адиабатического расширения (на рис. 1 — процесс A→D); изотермического расширения с отводом теплоты от более холодного теплового резервуара (на рис. 1 — процесс D→C).

Процесс охлаждения в реальности и теории

Теоретический цикл работы холодильной машины значительно отличается от работы холодильных установок в обычной жизни. При работе реальных холодильников и кондиционеров происходят значительные потери давления на входе, выходе, увеличение сжатия, что автоматически снижает эффективность работы.

Сконструировать хладоустановку , имеющую обратимый цикл паровой холодильной машины (Карно) невозможно. В природе нет обратимых процессов. Однако его можно считать эталоном экономически выгодного цикла, к которому надо стремиться.

Цикл Карно

Цикл Карно примечателен тем фактом, что абсолютно на каждом его участке наблюдается отсутствие соприкосновения тел с разными температурами. Квазиравновесным будет являться любое состояние рабочего тела (газа) на цикле. То есть, оно будет бесконечно близким к состоянию, где наблюдается тепловое равновесие с окружающими телами (термостатами или тепловыми резервуарами).

Читать еще:  Датчики температуры двигателя аав

Цикл Карно исключает теплообмен в условиях конечной разности температур окружающей среды (термостатов) и рабочего тела, при которых тепло способно передаваться без совершения работы. Это делает цикл Карно максимально эффективным (из всех возможных) круговым процессом при изначально заданных температурах холодильника и нагревателя.

Любой участок такого цикла и весь он в комплексе может быть пройденным в обоих направлениях:

  • обход цикла по часовой стрелке будет соответствовать тепловому двигателю (тепло, полученное рабочим телом, частично превратится в полезную работу);
  • обход против часовой стрелки будет соответствовать холодильной машине (некоторое количество теплоты будет отбираться от холодного резервуара и передаваться горячему резервуару посредством совершения внешней работы).

Идеальное устройство, функционирующее по циклу Карно, называется обратимой тепловой машиной. В реальных холодильных машинах задействованы разнообразные циклические процессы. Устройство, функционирующее по холодильному циклу, может характеризоваться двояким предназначением. Если полезным эффектом оказывается отбор некоего количества тепла от охлаждаемых тел (к примеру, от продуктов в холодильной камере), такое устройство представляет собой обычный холодильник.

Связь между обратимостью цикла и КПД

Для того чтобы цикл был обратимым, в нём должна быть исключена передача теплоты при наличии разности температур, иначе нарушается условие адиабатичности процесса. Поэтому передача теплоты должна осуществляться либо в изотермическом процессе (как в цикле Карно), либо в эквидистантном процессе (обобщённый цикл Карно или, для примера, его частный случай Цикл Брайтона). Для того чтобы менять температуру рабочего тела от температуры нагревателя до температуры холодильника и обратно, необходимо использовать либо адиабатические процессы (они идут без теплообмена и, значит, не влияют на энтропию), либо циклы с регенерацией тепла при которых нет передачи тепла при разности температур. Мы приходим к выводу, что любой обратимый цикл может быть сведён к циклу Карно.

Примером обратимого цикла, не являющегося циклом Карно, но интегрально совпадающим с ним, является идеальный цикл Стирлинга: в двигателе Стирлинга добавлен регенератор, обеспечивающий полное приближение цикла к циклу Карно с достижением обратимости и тех же величин КПД [14] . Возможны и другие идеальные циклы, в которых коэффициент полезного действия определяется по той же формуле, что и для циклов Карно и Стирлинга, например цикл Эрикссона (англ.) русск. , состоящий из двух изобар и двух изотерм [14] .

Читать еще:  Что такое кованый двигатель

Если же в цикле возникает передача теплоты при наличии разности температур, а таковыми являются все технические реализации термодинамических циклов, то цикл утрачивает свойство обратимости. Иначе говоря, посредством отведённой в цикле механической работы становится невозможным получить исходную теплоту. КПД такого цикла будет всегда меньше, чем КПД цикла Карно.

Цикл Карно и максимальный КПД тепловой машины

Основная статья: Цикл Карно .

Цикл Карно в координатах T и S

Представим себе следующий цикл:

Фаза А→Б. Рабочее тело с температурой, равной температуре нагревателя, приводится в контакт с нагревателем. Нагреватель сообщает рабочему телу тепла в изотермическом процессе (при постоянной температуре), при этом объём рабочего тела увеличивается.

Фаза Б→В. Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться адиабатически (без теплообмена с окружающей средой). При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.

Фаза В→Г. Рабочее тело приводится в контакт с холодильником и передает ему тепла в изотермическом процессе. При этом объём рабочего тела уменьшается.

Фаза Г→А. Рабочее тело адиабатически сжимается до исходного размера, и его температура увеличивается до температуры нагревателя.

Его КПД равен, таким образом,

,

то есть, зависит только от температур холодильника и нагревателя. Видно, что 100%-ный КПД можно получить только в том случае, если температура холодильника есть абсолютный нуль, что недостижимо.

Можно показать, что КПД тепловой машины Карно максимален в том смысле, что никакая тепловая машина с теми же температурами нагревателя и холодильника не может обладать бо́льшим КПД.

Заметим, что мощность тепловой машины Карно равна нулю, так как передача тепла в отсутствии разности температур идет бесконечно медленно.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector