Теплова машина за цикл здійснює
Автор статьи – профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: принципы действия тепловых машин, КПД тепловой машины, тепловые двигатели и охрана окружающей среды.
Коротко говоря, тепловые машины преобразуют теплоту в работу или, наоборот, работу в теплоту.
Тепловые машины бывают двух видов – в зависимости от направления протекающих в них процессов.
1. Тепловые двигатели преобразуют теплоту, поступающую от внешнего источника, в механическую работу.
2. Холодильные машины передают тепло от менее нагретого тела к более нагретому за счёт механической работы внешнего источника.
Рассмотрим эти виды тепловых машин более подробно.
Тепловые двигатели
Мы знаем, что совершение над телом работы есть один из способов изменения его внутренней энергии: совершённая работа как бы растворяется в теле, переходя в энергию беспорядочного движения и взаимодействия его частиц.
Рис. 1. Тепловой двигатель
Тепловой двигатель – это устройство, которое, наоборот, извлекает полезную работу из «хаотической» внутренней энергии тела. Изобретение теплового двигателя радикально изменило облик человеческой цивилизации.
Принципиальную схему теплового двигателя можно изобразить следующим образом (рис. 1). Давайте разбираться, что означают элементы данной схемы.
Рабочее тело двигателя – это газ. Он расширяется, двигает поршень и совершает тем самым полезную механическую работу.
Но чтобы заставить газ расширяться, преодолевая внешние силы, нужно нагреть его до температуры, которая существенно выше температуры окружающей среды. Для этого газ приводится в контакт с нагревателем – сгорающим топливом.
В процессе сгорания топлива выделяется значительная энергия, часть которой идёт на нагревание газа. Газ получает от нагревателя количество теплоты . Именно за счёт этого тепла двигатель совершает полезную работу .
Это всё понятно. Что такое холодильник и зачем он нужен?
При однократном расширении газа мы можем использовать поступающее тепло максимально эффективно и целиком превратить его в работу. Для этого надо расширять газ изотермически: первый закон термодинамики, как мы знаем, даёт нам в этом случае .
Но однократное расширение никому не нужно. Двигатель должен работать циклически, обеспечивая периодическую повторяемость движений поршня. Следовательно, по окончании расширения газ нужно сжимать, возвращая его в исходное состояние.
В процессе расширения газ совершает некоторую положительную работу . В процессе сжатия над газом совершается положительная работа (а сам газ совершает отрицательную работу ). В итоге полезная работа газа за цикл: .
Разумеется, должно быть , или (иначе никакого смысла в двигателе нет).
Сжимая газ, мы должны совершить меньшую работу, чем совершил газ при расширении.
Как этого достичь? Ответ: сжимать газ под меньшими давлениями, чем были в ходе расширения. Иными словами, на -диаграмме процесс сжатия должен идти ниже процесса расширения, т. е. цикл должен проходиться по часовой стрелке (рис. 2).
Рис. 2. Цикл теплового двигателя
Например, в цикле на рисунке работа газа при расширении равна площади криволинейной трапеции . Аналогично, работа газа при сжатии равна площади криволинейной трапеции со знаком минус. В результате работа газа за цикл оказывается положительной и равной площади цикла .
Хорошо, но как заставить газ возвращаться в исходное состояние по более низкой кривой, т. е. через состояния с меньшими давлениями? Вспомним, что при данном объёме давление газа тем меньше, чем ниже температура. Стало быть, при сжатии газ должен проходить состояния с меньшими температурами.
Вот именно для этого и нужен холодильник: чтобы охлаждать газ в процессе сжатия.
Холодильником может служить атмосфера (для двигателей внутреннего сгорания) или охлаждающая проточная вода (для паровых турбин). При охлаждении газ отдаёт холодильнику некоторое количество теплоты .
Суммарное количество теплоты, полученное газом за цикл, оказывается равным . Согласно первому закону термодинамики:
где – изменение внутренней энергии газа за цикл. Оно равно нулю: , так как газ вернулся в исходное состояние (а внутренняя энергия, как мы помним, является функцией состояния). В итоге работа газа за цикл получается равна:
(1)
Как видите, : не удаётся полностью превратить в работу поступающее от нагревателя тепло. Часть теплоты приходится отдавать холодильнику – для обеспечения цикличности процесса.
Показателем эффективности превращения энергии сгорающего топлива в механическую работу служит коэффициент полезного действия теплового двигателя.
КПД теплового двигателя – это отношение механической работы к количеству теплоты , поступившему от нагревателя:
С учётом соотношения (1) имеем также
(2)
КПД теплового двигателя, как видим, всегда меньше единицы. Например, КПД паровых турбин приблизительно , а КПД двигателей внутреннего сгорания около .
Холодильные машины
Житейский опыт и физические эксперименты говорят нам о том, что в процессе теплообмена теплота передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот. Никогда не наблюдаются процессы, в которых за счёт теплообмена энергия самопроизвольно переходит от холодного тела к горячему, в результате чего холодное тело ещё больше остывало бы, а горячее тело – ещё больше нагревалось.
Рис. 3. Холодильная машина
Ключевое слово здесь – «самопроизвольно». Если использовать внешний источник энергии, то осуществить процесс передачи тепла от холодного тела к горячему оказывается вполне возможным. Это и делают холодильные
машины.
По сравнению с тепловым двигателем процессы в холодильной машине имеют противоположное направление (рис. 3).
Рабочее тело холодильной машины называют также хладагентом. Мы для простоты будем считать его газом, который поглощает теплоту при расширении и отдаёт при сжатии (в реальных холодильных установках хладагент – это летучий раствор с низкой температурой кипения, который забирает теплоту в процессе испарения и отдаёт при конденсации).
Холодильник в холодильной машине – это тело, от которого отводится теплота. Холодильник передаёт рабочему телу (газу) количество теплоты , в результате чего газ расширяется.
В ходе сжатия газ отдаёт теплоту более нагретому телу – нагревателю. Чтобы такая теплопередача осуществлялась, надо сжимать газ при более высоких температурах, чем были при расширении. Это возможно лишь за счёт работы , совершаемой внешним источником (например, электродвигателем (в реальных холодильных агрегатах электродвигатель создаёт в испарителе низкое давление, в результате чего хладагент вскипает и забирает тепло; наоборот, в конденсаторе электродвигатель создаёт высокое давление, под которым хладагент конденсируется и отдаёт тепло)). Поэтому количество теплоты, передаваемое нагревателю, оказывается больше количества теплоты, забираемого от холодильника, как раз на величину :
Таким образом, на -диаграмме рабочий цикл холодильной машины идёт против часовой стрелки. Площадь цикла – это работа , совершаемая внешним источником (рис. 4).
Рис. 4. Цикл холодильной машины
Основное назначение холодильной машины – охлаждение некоторого резервуара (например, морозильной камеры). В таком случае данный резервуар играет роль холодильника, а нагревателем служит окружающая среда – в неё рассеивается отводимое от резервуара тепло.
Показателем эффективности работы холодильной машины является холодильный коэффициент, равный отношению отведённого от холодильника тепла к работе внешнего источника:
Холодильный коэффициент может быть и больше единицы. В реальных холодильниках он принимает значения приблизительно от 1 до 3.
Имеется ещё одно интересное применение: холодильная машина может работать как тепловой насос. Тогда её назначение – нагревание некоторого резервуара (например, обогрев помещения) за счёт тепла, отводимого от окружающей среды. В данном случае этот резервуар будет нагревателем, а окружающая среда – холодильником.
Показателем эффективности работы теплового насоса служит отопительный коэффициент, равный отношению количества теплоты, переданного обогреваемому резервуару, к работе внешнего источника:
Значения отопительного коэффициента реальных тепловых насосов находятся обычно в диапазоне от 3 до 5.
Тепловая машина Карно
Важными характеристиками тепловой машины являются наибольшее и наименьшее значения температуры рабочего тела в ходе цикла. Эти значения называются соответственно температурой нагревателя и температурой холодильника.
Мы видели, что КПД теплового двигателя строго меньше единицы. Возникает естественный вопрос: каков наибольший возможный КПД теплового двигателя с фиксированными значениями температуры нагревателя и температуры холодильника ?
Пусть, например, максимальная температура рабочего тела двигателя равна , а минимальная – . Каков теоретический предел КПД такого двигателя?
Ответ на поставленный вопрос дал французский физик и инженер Сади Карно в 1824 году.
Он придумал и исследовал замечательную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Эта машина работает по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат.
Рассмотрим прямой цикл машины Карно, идущий по часовой стрелке (рис. 5). В этом случае машина функционирует как тепловой двигатель.
Рис. 5. Цикл Карно
Изотерма . На участке газ приводится в тепловой контакт с нагревателем температуры и расширяется изотермически. От нагревателя поступает количество теплоты и целиком превращается в работу на этом участке: .
Адиабата . В целях последующего сжатия нужно перевести газ в зону более низких температур. Для этого газ теплоизолируется, а затем расширяется адиабатно на учатке .
При расширении газ совершает положительную работу , и за счёт этого уменьшается его внутренняя энергия: .
Изотерма . Теплоизоляция снимается, газ приводится в тепловой контакт с холодильником температуры . Происходит изотермическое сжатие. Газ отдаёт холодильнику количество теплоты и совершает отрицательную работу .
Адиабата . Этот участок необходим для возврата газа в исходное состояние. В ходе адиабатного сжатия газ совершает отрицательную работу , а изменение внутренней энергии положительно: . Газ нагревается до исходной температуры .
Карно нашёл КПД этого цикла (вычисления, к сожалению, выходят за рамки школьной программы):
(3)
Кроме того, он доказал, что КПД цикла Карно является максимально возможным для всех тепловых двигателей с температурой нагревателя и температурой холодильника .
Так, в приведённом выше примере имеем:
В чём смысл использования именно изотерм и адиабат, а не каких-то других процессов?
Оказывается, изотермические и адиабатные процессы делают машину Карно обратимой. Её можно запустить по обратному циклу (против часовой стрелки) между теми же нагревателем и холодильником, не привлекая другие устройства. В таком случае машина Карно будет функционировать как холодильная машина.
Возможность запуска машины Карно в обоих направлениях играет очень большую роль в термодинамике. Например, данный факт служит звеном доказательства максимальности КПД цикла Карно. Мы ещё вернёмся к этому в следующей статье, посвящённой второму закону термодинамики.
Тепловые двигатели и охрана окружающей среды
Тепловые двигатели наносят серьёзный ущерб окружающей среде. Их повсеместное использование приводит к целому ряду негативных эффектов.
• Рассеяние в атмосферу огромного количества тепловой энергии приводит к повышению температуры на планете. Потепление климата грозит обернуться таянием ледников и катастрофическими бедствиями.
• К потеплению климата ведёт также накопление в атмосфере углекислого газа, который замедляет уход теплового излучения Земли в космос (парниковый эффект).
• Из-за высокой концентрации продуктов сгорания топлива ухудшается экологическая ситуация.
Это – проблемы в масштабе всей цивилизации. Для борьбы с вредными последствиями работы тепловых двигателей следует повышать их КПД, снижать выбросы токсичных веществ, разрабатывать новые виды топлива и экономно расходовать энергию.
Источник
Мы поможем в написании ваших работ! Мы поможем в написании ваших работ! Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ? | Теплова машина – це періодично діючий пристрій, який може виконувати механічну роботу за рахунок внутрішньої енергії палива. У тепловому двигуні робоче тіло (пара, газ) отримує від нагрівника з температурою T1 (палива, що згоряє) певну кількість теплоти Q1 і, здійснюючи цикл, виконує роботу A та віддає холодильнику (довкіллю) з температурою T2 кількість теплоти Q2. Цикл Карно́ – цикл роботи теплового двигуна. Цикл складається з чотирьох стадій: 1)Робоча речовина нагрівається за сталої температури (ізотермічний процес). 2)Робоча речовина розширюється за сталої ентропії (адіабатичний процес). 3)Робоча речовина охолоджується за сталої температури (ізотермічний процес). 4)Робоча речовина стискається за сталої ентропії (адіабатичний процес). Коефіцієнт корисної дії для двигуна, що працює за циклом Карно, залежить лише від різниці температур нагрівача T1 і охолоджувача T2. η = T1 -T2/ T1 Карно сформулював наступну теорему: всі оборотні двигуни, що працюють між двома термостатами, мають той самий ККД; жоден необоротний двигун, що працює між тими ж термостатами, не може мати більш високого ККД. У реальних двигунах ККД завжди трохи нижче, ніж ККД ідеального двигуна. При роботі теплової машини робоче тіло здійснює замкнутий термодинамічний цикл. Для будь-якої реальної теплової машини весь цикл, включаючи його окремі процеси, незворотній, що викликає необхідність витрачати частину виробленої роботи для перекладу робочого тіла в первинний стан, забезпечуючи замикання кругового процесу. Зазначені втрати призводять до того, що не вся вироблена робота стає корисною, а частина її втрачається в самій теплової машині, переходячи в теплоту. Максимальним к.к.д. володіє теплова машина, в якій цикл робочого тіла складається тільки з рівноважних теплових процесів, і, отже, є оборотним. Однак для здійснення нагрівання й охолодження необхідний теплообмін робочого тіла з нагрівачем і холодильником теплової машини, який тим більш ефективний, ніж помітніше різниця температур. Виникаючі при цьому теплові потоки порушують стан теплової рівноваги і роблять ці процеси незворотними. Щоб уникнути цього, необхідно теплообмін здійснювати при дуже малій різниці температур, в межі, для досягнення рівноважного процесу, при нескінченно малій різниці. Тому реалізувати рівноважний процес при теплообміні можна тільки в разі теплового рівноваги робочого тіла і нагрівача (або холодильника). Теплообмін з нагрівачем і холодильником в розглянутій теплової машині повинен відбуватися при ізотермічних процесах. Така умова може бути виконано тільки приблизно. Інший процес, який може протікати без виникнення теплових потоків – це адіабатичний процес. Якщо він протікає нескінченно повільно, то такий процес є рівноважним і оборотним. Зазначені два рівноважних процесу (ізотермічний і адіабатичний) можуть бути використані для складання оборотного циклу. Для організації найпростішого кругового процесу досить використання двох ізотерм і двох адіабати. Такий рівноважний термодинамічний цикл отримав назву циклу Карно.. Оборотний цикл Карно складається з двох ізотерм, що описують процес теплопередачі від нагрівача до робочого тіла і від робочого тіла до холодильника, і двох адіабати, що описують розширення і стиснення робочого тіла в тепловій машині . Цикл Карно на діаграмі: Р – тиск, V – об’єм. Тіла, які зовні здаються твердими, не завжди є такими з точки зору фізики. Істинно тверді тіла мають кристалічну структуру, з упорядкованістю молекул чи атомів у межах всього кристалу (з дальнім порядком). При нагріванні кристалічної речовини зростає хаотичність руху її молекул, і за досить високої температури зникає дальній порядок (відбувається процес плавлення). Хімічно прості кристали плавляться за цілком визначеної температури. Зворотний процес – тверднення (кристалізація). Температура кристалізації збігається з температурою плавлення. Від початку плавлення (і тверднення) і до закінчення кожного з цих процесів температура речовини залишається незмінною. Чим більша маса речовини, яку треба розплавити, тим більша кількість теплоти для цього потрібна: , , , . Питома теплота плавлення чисельно дорівнює кількості теплоти, яку необхідно передати одному кілограму кристалічної речовини, нагрітої до температури плавлення, щоб перетворити її на рідину тієї ж температури. Для процесу кристалізації ; у цьому випадку – питома теплота кристалізації. Вимірюється в (Дж/кг) Питóма теплотá випарóвування (пароутворення) – це фізична скалярна величина L, що чисельно дорівнює кількості теплоти, яку необхідно надати 1 кг рідини для перетворення її в пару при температурі її кипіння. Одиниці вимірювання в СІ – джоуль на кілограм ([L] = Дж/кг). Отже: , , , . Питома теплота випаровування дорівнює питомій теплоті конденсації, тобто кількості теплоти, яка виділяється при конденсації 1 кг газу при сталій температурі. Для процесу конденсації ; у цьому випадку L – питома теплота конденсації. 66. Для дослідження поведінки одного моля реального газу розглянемо ізотерми Ван- дер-Ваальса, які визначаються рівнянням: Перетворимо це рівняння у вигляд: і де а – поправка, що залежить від інтенсивності молекулярних взаємодій; b – поправка, що зумовлюється розмірами молекул газу; p – внутрішній тиск; Vm- молярний об’єм газу; R=8,31 Дж/моль*К – універсальна газова стала. Коефіцієнти рівняння залежать від тиску, температури і хімічної природи газу. Ізотерми газу, які описуються рівнянням Ван-дер-Ваальса, мають вигляд, наведений на рис. 66, де . При температурах є область станів, де кожному значенню тиску відповідають три точки ізотерми й ізотерма має хвилеподібну ділянку. При підвищенні температури ці три точки зближуються і зливаються в одну точку К , яка є точкою перегину ізотерми при Дотична до ізотерми в точці К паралельна осі абсцис. При температурах ізотерми Ван-дер-Ваальса близькі до ізотерми ідеального газу. Розглянемо ізотерми при (рис. 67). На ділянках 1-3 і 5-7 при зменшенні об’єму зростає тиск р що відповідає експерименту. Частина ізотерми 1-2 відповідає газоподібному стану, а частина 6-7 – рідині. На ділянці стискання речовини приводить до зменшення тиску . У природі немає і не може бути таких речовин, в яких із збільшенням тиску об’єм не зменшується, а зростає. Стан речовини з такими властивостями повинен бути дуже нестійким. Істинна ізотерма матиме вигляд ламаної лінії . У станах, що відповідають горизонтальній ділянці 2-6 , спостерігається рівновага рідкої і газоподібної фази речовини. 67. До провідників належать речовини, які мають вільні заряджені частинки, що здатні рухатись впорядковано по всьому об’єму тіла під дією електричного поля. Це пояснюється тим, що валентні електрони легко віддаляються від атомів. Якщо металевий провідник внести в електричне поле, то під впливом електричних сил вільні електрони перерозподіляються. Перерозподіл зарядів триватиме доти, поик напруженість поля всередині провідника не дорівнюватиме нулю. Провідниками є всі метали, деякі хімічні сполуки, водні розчини солей, кислот, лугів, розплави солей, іонізовані гази. Власні напівпровідники зазвичай мають невелику концентрацію вільних носіїв заряду, електронів та дірок, яка залежить від ширини забороненої зони та температури. При збільшенні температури концентрація вільних електронів та дірок дуже швидко зростає. Ефект цього зростання набагато перевищує ефект від збільшення частоти актів розсіяння, тож провідність власних напівпровідників різко збільшується при високих температурах. Іншим фактором, який збільшує провідність власних напівпровідників, є створення підвищеної концентрації вільних носіїв заряду світловим опроміненням або інжекцією. При поглинанні кванта світла в напівпровіднику утворюється пара носіїв заряду – електрон переходить із валентної зони у зону провідності, залишаючи за собою дірку. Якщо до освітленого напівпровідника прикласти напругу, то в напівпровіднику потече доволі значний струм. Така провідність називається фотопровідністю і широко використовується у різноманітних фотоелементах. Аналогічну провідність можна створити при опроміненні швидкими частками, що служить основою роботи напівпровідникових детекторів радіації. У легованих напівпровідниках навіть при кімнатних температурах концентрація електронів у зоні провідності (напівпровідники n-типу) чи дірок у валентній зоні (напівпровідники p-типу) висока, оскільки для переходу між зоною й домішковим рівнем електрону потрібно набрати набагато меншу енергію (глибина домішкових рівнів зазвичай не перевищує 0.5 еВ). Тому провідність легованих напівпровідників доволі висока й наближається до провідності металів. Вона теж росте із температурою, оскільки для неї фактор збільшення концентрації носіїв у зоні важливіший за збільшення частоти актів розсіяння. Контакти між областями n-типу й p-типу, які називають p-n переходами мають особливу односторонню провідність. На цьому факті базується робота різноманітних напівпровідникових пристроїв – діодів, транзисторів, фотодіодів, напівпровідникових сонячних елементів, активного шару копіювальних машин, лазерних принтерів тощо. Надпровідники можуть нескінченно довго підтримувати електричний струм навіть, коли електричне поле, яке його викликало, виключити. Формально провідність напівпровідників нескінченна. Надпровідний стан існує лише при низьких температурах, хоча теоретично верхня границя температури переходу із надпровідного в звичайний стан не встановлена. Фізична природа нескінченної провідності надпровідників в тому, що в надпровідниках подавлені канали розсіяння енергії. Носіями заряду в надпровідниках є куперівські пари – зв’язані стани двох електронів із протилежними спінами й протилежними напрямками руху. Куперівські пари утворюються завдяки непрямому притягуванню між електронами, зумовленому взаємодією із кристалічною ґраткою. Електрон, рухаючись в кристалі, деформує ґратку, створюючи «канал», який притягає інший електрон. Куперівські пари мають унікальні властивості. У них неможливо забрати енергію, бо електрони, які увійшли до їх складу, вже віддали енергію на утворення пари. Діелектрик або ізолятор складається з нейтральних атомів або молекул.Електрони і ядра в нейтральному атомі зв”язані між собоюі не можуть переміщатися під дією поля по всьому об”єму тіла, як вільні заряди провідника.Всередині діелектрика може існувати електричне поле. Додатній заряд зосереджений в центрі атома. Електрон рухається навколо ядра з великою швидкістю: один оберт за 10 -15 с. Це дає підставу вважати, що центр розподілу від”ємного заряду припадає на середину атома, тобто збігається з додатньо зарядженим ядром. Електричним диполем наз. нейтральну в цілому систему двох однакових за модулем і протилежних за знаком точкових зарядів, що перебувають на де-якій відстані один від одного. Отже, діелектрики можна поділити на такі види: – Неполярні – що складаються з атомів або молекул, у яких центри розподілу додатніх і від”ємних зарядів збігаються (інертні гази, кисень, водень). – Полярні – що складаються з молекул, у яких центри розподілу додатніх і від”ємних зарядів не збігаються (спирт, вода, сіль,…). В полярному діелектрику тепловий рух зумовлює хаотичну орієнтацію електричних диполів. На поверхні і в об”ємі діелектрика електричний заряд рівний нулю. І напруженість електричного поля рівна нулю. В неполярному діелектрику під дією поля молекули деформуються і їх можна розглядати як пружні електричні диполі. Отже, діелектрик, вміщений в електричне поле, поляризується. Електричне поле поляризаційних зарядів завжди спрямоване назустріч зовнішньому полю, тому зовнішнє поле всередині діелектрика послаблюється (але не компенсується повністю, як у провідниках), а поблизу діелектрика поле спотворюється. Зв’язаний заряд створює в діелектрику електричне поле Е1, що спрямоване проти напруженості зовнішнього поля зарядів на пластинах Е0. Через це поле всередині діелектрика послаблюється. Напруженість результуючого поля становить: Е = Е0 – Е1. Для характеристики електричних властивостей діелектрика вводять фізичну величину – діелектричну проникливість. Діелектрична проникливість середовища – це фізична величина, що показує, у скільки разів модуль напруженості електричного поля Е всередині діелектрика менший за модуль напруженості поля Е0 у вакуумі: Напруженість електричного поля точкового заряду або зарядженої кулі, які вміщені в однорідний діелектрик: Закон Кулона для зарядів в однорідному діелектрику: |
Источник