Avtonova37.ru

Авто мастер
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Цикл карно работа совершаемая двигателем за цикл формула

II. Молекулярная физика

Двигатель, в котором происходит превращение внутренней энергии топлива, которое сгорает, в механическую работу.

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела (газ, жидкость и др.) и холодильника. В основе работы двигателя лежит циклический процесс (это процесс, в результате которого система возвращается в исходное состояние).

Прямой цикл теплового двигателя

Общее свойство всех циклических (или круговых) процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q1 (происходит расширение) и отдает холодильнику количество теплоты Q2, когда возвращается в исходное состояние и сжимается. Полное количество теплоты Q=Q1-Q2, полученное рабочим телом за цикл, равно работе, которую выполняет рабочее тело за один цикл.

Обратный цикл холодильной машины

При обратном цикле расширение происходит при меньшем давлении, а сжатие — при большем. Поэтому работа сжатия больше, чем работа расширения, работу выполняет не рабочее тело, а внешние силы. Эта работа превращается в теплоту. Таким образом, в холодильной машине рабочее тело забирает от холодильника некоторое количество теплоты Q1 и передает нагревателю большее количество теплоты Q2.

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:  Что делать если двигатель тойота ест масло

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.

КПД тепловой машины Карно

Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно

.

Аналогично, при изотермическом сжатии рабочее тело отдало холодильнику

.

Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен

.

Из последнего выражения видно, что КПД тепловой машины Карно зависит только от температур нагревателя и холодильника. Кроме того, из него следует, что КПД может составлять 100 % только в том случае, если температура холодильника равна абсолютному нулю. Это невозможно, но не из-за недостижимости абсолютного нуля (этот вопрос решается только третьим началом термодинамики, учитывать которое здесь нет необходимости), а из-за того, что такой цикл или нельзя замкнуть, или он вырождается в совокупность двух совпадающих адиабат и изотерм.

Поэтому максимальный КПД любой тепловой машины будет меньше или равен КПД тепловой машины Карно, работающей при тех же температурах нагревателя и холодильника. Например, КПД идеального цикла Стирлинга равен КПД цикла Карно.

Термины

  • Второй закон термодинамики – энтропия изолированной системы никогда не станет меньше, потому что они развиваются спонтанно в сторону термодинамического баланса.
  • Тепловой двигатель – устройство, трансформирующее тепловую энергию в механическую работу.

Второй закон термодинамики ясно говорит, что тепловой двигатель не способен достичь 100% эффективности, потому что во внешнюю среду должно поступать тепло (Qc). Какая же максимальная эффективность у теплового двигателя?

Этот вопрос в 1824 году решил рассмотреть Сади Карно, исследовавший технологию тепловых двигателей. Ему удалось создать теоретический цикл (цикл Карно), который добивался максимально возможной эффективности. Теперь любой двигатель, использующий этот цикл, именуется в честь Карно.

Особенность его цикла в том, что он применил лишь обратимые процессы. Необратимые несут в себе диссипативные факторы (трение и турбулентность). Это повышает теплопередачу во внешний мир и негативно сказывается на эффективности.

Второй закон термодинамики (третья форма): идеальный двигатель Карно, функционирующий между двумя указанными температурными показателями, обладает максимально возможной эффективностью. Это касается всех двигателей, работающих на обратимых процессах.

Читать еще:  Skoda rapid стук двигателя при запуске на холодную

Цикл Карно основывается на двух изотермических и двух адиабатических процессах. Они обратимы.

Здесь используются исключительно обратимые изотермические и адиабатические процессы. Теплообмен Qh поступает в рабочее вещество в период изотермического пути АВ при стабильной температуре Th. Теплопередача осуществляется во время изотермического пути CD при температурной отметке Tc. Тогда W равно площади внутри пути – ABCDA. Также отображена схема двигателя Карно, функционирующего между горячими и прохладными резервуарами при показателях Th и Tc

Карно выявил эффективность идеального теплового двигателя:

Для идеального двигателя вычислили, что соотношение Qc/Qh приравнивается к отношению абсолютных температур. То есть Qc/Qh = Tc/Th. Никакому тепловому двигателю не сравнится с эффективностью Карно. Реальная эффективность достигает лишь 0.7 от этого максимума.

Первая и вторая теоремы Карно [ править ]

Из последнего выражения следует, что КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя и холодильника, но не зависит ни от устройства машины, ни от вида или свойств её рабочего тела. Этот результат составляет содержание первой теоремы Карно [8] . Кроме того, из него следует, что КПД может составлять 100 % только в том случае, если температура холодильника равна абсолютному нулю. Это невозможно, но не из-за недостижимости абсолютного нуля (этот вопрос решается только третьим началом термодинамики, учитывать которое здесь нет необходимости), а из-за того, что такой цикл или нельзя замкнуть, или он вырождается в совокупность двух совпадающих адиабат и изотерм.

Поэтому максимальный КПД любой тепловой машины не может превосходить КПД тепловой машины Карно, работающей при тех же температурах нагревателя и холодильника. Это утверждение называется второй теоремой Карно [5] [9] . Оно даёт верхний предел КПД любой тепловой машины и позволяет оценить отклонение реального КПД от максимального, то есть потери энергии вследствие неидеальности тепловых процессов.

Принципы Карно

Если процессы, которые составляют цикл Карно тепловой машины, являются обратимыми, то она носит наименование обратимой тепловой машины. В противном случае имеем ее необратимый вариант. На практике все тепловые двигатели являются таковыми, поскольку обратимых процессов не существует в природе.

Карно сформулировал принципы, являющиеся следствием второго начала термодинамики. Они выражаются следующим образом:

1. КПД необратимого теплового двигателя всегда меньше, чем у обратимого, работающего от тех же двух тепловых резервуаров.

2. КПД всех обратимых тепловых двигателей, работающих от тех же двух тепловых резервуаров, являются одинаковыми.

Читать еще:  Чип тюнинг двигателя ленд крузер прадо бензин

То есть КПД обратимой тепловой машины не зависит от используемого рабочего тела, его свойств, длительности цикла работы и типа теплового двигателя. Он является функцией только температуры резервуаров:

где QL — теплота, передаваемая низкотемпературному резервуару, который имеет температуру TL; QH — теплота, передаваемая от высокотемпературного резервуара, который имеет температуру ТH; g, F — любые функции.

Читайте также

Возникновение и развитие термодинамики. Карно

Возникновение и развитие термодинамики. Карно Если в XVIII в. в физике (за исключением механики) господствовал эксперимент, так что физику определяли как науку «о всем том, что через опыты познать можно», то в XIX в. картина начинает меняться. Экспериментальная физика

3.2. Несимметричность взаимных превращений теплоты и работы. Принцип Карно

3.2. Несимметричность взаимных превращений теплоты и работы. Принцип Карно Второй закон термодинамики, так же как и первый, формировался в течение длительного периода трудами многих ученых и инженеров. Без его использования дальнейшее развитие теплоэнергетики,

39. Что такое солнечный цикл?

39. Что такое солнечный цикл? Генрих Швабе, наблюдавший Солнце постоянно, искал гипотетическую планету внутри орбиты Меркурия. Он надеялся поймать пятнышко, пересекающее солнечную поверхность.Вместо этого Швабе обнаружил медленное изменение числа солнечных пятен. Он

КПД реальных тепловых машин

Для настоящего теплового двигателя полный термодинамический процесс обычно необратим. Рабочая жидкость возвращается в исходное состояние после одного цикла, и, таким образом, изменение энтропии жидкостной системы равно 0, но сумма изменений энтропии в горячем и холодном резервуаре в этом циклическом процессе больше 0.

Внутренняя энергия жидкости также является переменной состояния, поэтому ее полное изменение за один цикл равно 0. Таким образом, общая работа, выполняемая системой W , равна теплу, вложенному в систему, за вычетом отведенного тепла . Q ЧАС < displaystyle Q _ < text >> Q C < displaystyle Q _ < text >>

Для реальных двигателей — разделы 1 и 3 цикла Карно; в котором тепло поглощается «рабочей жидкостью» из горячего резервуара и передается им соответственно в холодный резервуар; больше не остаются идеально обратимыми, и существует разница температур между температурой резервуара и температурой жидкости во время теплообмена.

Во время передачи тепла от горячего резервуара к текучей среде температура текучей среды будет немного ниже, чем , и процесс для текучей среды не обязательно может оставаться изотермическим. Пусть будет полное изменение энтропии жидкости в процессе поглощения тепла. Т ЧАС < displaystyle T _ < text >> Т ЧАС < displaystyle T _ < text >> Δ S ЧАС < displaystyle Delta S _ < text >>

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector