Термическим кпд теплового цикла

В процессе расширения газ производит работу против сил внешнего давления. Для того чтобы вновь повторить тот же процесс расширения газа и вновь получить работу , нужно возвратить газ в исходное состояние т.е. сжать газ. При этом газ совершит круговой процесс (цикл). На сжатие газа, естественно, должна быть затрачена работа; эта работа подводится к газу от какого-либо внешнего источника.
Понятно, что процесс сжатия газа от давления p2 до давления p1 нужно осуществить по пути, отличному от пути процесса расширения. В противном случае работа, получаемая при расширении газа, будет равна работе, затрачиваемой на сжатие, и суммарная работа, полученная в результате кругового процесса, будет равна нулю. Работа, отдаваемая системой за один цикл (будем называть ее работой цикла), равна разности (алгебраической сумме) работы расширения и работы сжатия. Понятно, что путь процесса сжатия следует выбрать таким образом, чтобы работа сжатия по абсолютной величине была меньше работы расширения, иначе работа цикла будет отрицательной, т.е. в результате цикла работа будет не производиться, а затрачиваться; впрочем, как будет показано в дальнейшем, в определенных случаях (циклы холодильных машин) используется именно такое построение цикла.
Циклические процессы, в результате которых производится работа, осуществляются в различных тепловых двигателях. Тепловым двигателем называют непрерывно действующую систему, осуществляющую круговые процессы (циклы), в которых теплота превращается в работу. Вещество, за счет изменения состояния которого получают работу в цикле, именуется рабочим телом.
Типовой процесс в pV координатах.
Работа цикла находит очень удобную графическую интерпретацию в p, V-диаграмме.
Если 1-а-2 — кривая процесса расширения, а 2-b-1 — кривая процесса сжатия, то площадь под кривой 1-а-2 равна работе расширения, площадь под кривой 2-b-1 — работе сжатия, а площадь, ограниченная замкнутой кривой (кривой цикла) 1-a-2-b-1, представляет собой работу цикла.
Работа цикла Lц равна количеству теплоты, подведенной извне к рабочему телу. В соответствии с первым законом термодинамики: работа, производимая двигателем, строго равна количеству теплоты, отобранной от внешнего источника и подведенной к рабочему телу двигателя. Если бы можно было построить такой тепловой двигатель, в котором количество производимой работы было больше, чем количество теплоты, подведенной к рабочему телу от внешнего источника, то это означало бы, что первый закон термодинамики (закон сохранения и превращения энергии) несправедлив. Из этого следовало бы, что можно построить такой тепловой двигатель, в котором работа производилась бы вообще без подвода теплоты извне, т.е. вечный двигатель.
Что касается теплоты Qц, которая превращается в работу, то следует отметить, что на одних участках цикла теплота к рабочему телу подводится, на других — отводится. Как будет показано далее, отвод определенного количества теплоты от рабочего тела на некоторых участках цикла является неотъемлемым условием осуществимости цикла любого теплового двигателя.
Если обозначить теплоту, подводимую к рабочему телу в цикле, через Q1, а теплоту, отводимую от рабочего тела в цикле, через Q2, то очевидно, что
И тогда в соответствии с первым законом термодинамики:
Введем новое понятие о так называемом термическом коэффициенте полезного действия (КПД) цикла. Термическим КПД цикла называют отношение работы цикла к количеству теплоты, подведенной к рабочему телу в цикле. Обозначая термический КПД цикла ηт, получаем в соответствии с этим определением:
Термический КПД цикла характеризует степень совершенства того или иного цикла: чем больше ηт, тем совершеннее цикл; при подводе к рабочему телу одного и того же количества теплоты Q1 в цикле, у которого ηт больше, производится большая ′ работа Lц.
Введем понятие об источниках теплоты. Систему, от которой отбирается теплота Q1, сообщаемая рабочему телу цикла, принято называть горячим источником теплоты , а систему, которой отдается теплота Q2, отбираемая от рабочего тела, холодным источником теплоты.
Спасибо за прочтение материала. В следующий раз материал про будет про обратимые и необратимые циклы, которые приведут нас к формулировке второго закона термодинамики.
Источник
Термодинами́ческие ци́клы — круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых совпадают начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление, объём, температура и энтропия).
Термодинамические циклы являются моделями процессов, происходящих в реальных тепловых машинах для превращения тепла в механическую работу.
Компонентами любой тепловой машины являются рабочее тело, нагреватель и холодильник (с помощью которых меняется состояние рабочего тела).
Обратимым называют цикл, который можно провести как в прямом, так и в обратном направлении в замкнутой системе. Суммарная энтропия системы при прохождении такого цикла не меняется. Единственным обратимым циклом для машины, в которой передача тепла осуществляется только между рабочим телом, нагревателем и холодильником, является Цикл Карно. Существуют также другие циклы (например, цикл Стирлинга и цикл Эрикссона (англ.)), в которых обратимость достигается путём введения дополнительного теплового резервуара — регенератора. Общим (т.е. указанные циклы частный случай) для всех этих циклов с регенерацией является Цикл Рейтлингера. Можно показать (см. статью Цикл Карно), что обратимые циклы обладают наибольшей эффективностью.
Основные принципы[править | править код]
Прямое преобразование тепловой энергии в работу запрещается постулатом Томсона (см. Второе начало термодинамики). Поэтому для этой цели используются термодинамические циклы.
Для того, чтобы управлять состоянием рабочего тела, в тепловую машину входят нагреватель и холодильник. В каждом цикле рабочее тело забирает некоторое количество теплоты () у нагревателя и отдаёт количество теплоты холодильнику. Работа, совершённая тепловой машиной в цикле, равна, таким образом,
,
так как изменение внутренней энергии в круговом процессе равно нулю (это функция состояния).
Напомним, что работа не является функцией состояния, иначе суммарная работа за цикл также была бы равна нулю.
При этом нагреватель потратил энергию . Поэтому тепловой, или, как его ещё называют, термический или термодинамический коэффициент полезного действия тепловой машины (отношение полезной работы к затраченной тепловой энергии) равен
.
Вычисление работы и КПД в термодинамическом цикле[править | править код]
Работа в термодинамическом цикле, по определению, равна
,
где — контур цикла.
C другой стороны, в соответствии с первым началом термодинамики, можно записать
.
Аналогичным образом, количество теплоты, переданное нагревателем рабочему телу, равно
.
Отсюда видно, что наиболее удобными параметрами для описания состояния рабочего тела в термодинамическом цикле служат температура и энтропия.
Цикл Карно и максимальный КПД тепловой машины[править | править код]
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 отсутствие разности температур идёт бесконечно медленно.
См. также[править | править код]
- Тепловая машина
- Рабочее тело
- Цикл Карно
- Бинарные циклы
Ссылки[править | править код]
- Интерактивный сетевой расчет и графическая иллюстрация основных термодинамических циклов
- Программа Расчет термодинамических циклов
Литература[править | править код]
- Базаров И. П. Термодинамика. (недоступная ссылка) М.: Высшая школа, 1991, 376 с.
- Базаров И. П. Заблуждения и ошибки в термодинамике. Изд. 2-ое испр. М.: Едиториал УРСС, 2003. 120 с.
- Дыскин Л.М., Пузиков Н.Т. Расчет термодинамических циклов.
- Квасников И. А. Термодинамика и статистическая физика. Т.1: Теория равновесных систем: Термодинамика. Том.1. Изд. 2, испр. и доп. М.: УРСС, 2002. 240 с.
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1975. — Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 519 с.
- Александров А. А. Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок. Издательство МЭИ, 2004.
Источник
In thermodynamics, the thermal efficiency () is a dimensionless performance measure of a device that uses thermal energy, such as an internal combustion engine, a steam turbine or a steam engine, a boiler, furnace, or a refrigerator for example. For a heat engine, thermal efficiency is the fraction of the energy added by heat (primary energy) that is converted to net work output (secondary energy). In the case of a refrigeration or heat pump cycle, thermal efficiency is the ratio of net heat output for heating, or removal for cooling, to energy input (the coefficient of performance).
Overview[edit]
Output (mechanical) energy is always lower than input energy
In general, energy conversion efficiency is the ratio between the useful output of a device and the input, in energy terms. For thermal efficiency, the input, , to the device is heat, or the heat-content of a fuel that is consumed. The desired output is mechanical work, , or heat, , or possibly both. Because the input heat normally has a real financial cost, a memorable, generic definition of thermal efficiency is[1]
From the first law of thermodynamics, the energy output cannot exceed the input, and by the second law of thermodynamics it cannot be equal in a non-ideal process, so
When expressed as a percentage, the thermal efficiency must be between 0% and 100%. Efficiency is typically less than 100% because there are inefficiencies such as friction and heat loss that convert the energy into alternative forms. For example, a typical gasoline automobile engine operates at around 25% efficiency, and a large coal-fuelled electrical generating plant peaks at about 46%, advances in Formula 1 motorsport regulations have pushed teams to develop highly efficient power units which peak around 45–50% thermal efficiency. The largest diesel engine in the world peaks at 51.7%. In a combined cycle plant, thermal efficiencies are approaching 60%.[2] Such a real-world value may be used as a figure of merit for the device.
For engines where a fuel is burned there are two types of thermal efficiency: indicated thermal efficiency and brake thermal efficiency.[3] This efficiency is only appropriate when comparing similar types or similar devices.
For other systems the specifics of the calculations of efficiency vary but the non dimensional input is still the same. Efficiency = Output energy / input energy
Heat engines[edit]
Heat engines transform thermal energy, or heat, Qin into mechanical energy, or work, Wout. They cannot do this task perfectly, so some of the input heat energy is not converted into work, but is dissipated as waste heat Qout into the environment
The thermal efficiency of a heat engine is the percentage of heat energy that is transformed into work. Thermal efficiency is defined as
The efficiency of even the best heat engines is low; usually below 50% and often far below. So the energy lost to the environment by heat engines is a major waste of energy resources. Since a large fraction of the fuels produced worldwide go to powering heat engines, perhaps up to half of the useful energy produced worldwide is wasted in engine inefficiency, although modern cogeneration, combined cycle and energy recycling schemes are beginning to use this heat for other purposes. This inefficiency can be attributed to three causes. There is an overall theoretical limit to the efficiency of any heat engine due to temperature, called the Carnot efficiency. Second, specific types of engines have lower limits on their efficiency due to the inherent irreversibility of the engine cycle they use. Thirdly, the nonideal behavior of real engines, such as mechanical friction and losses in the combustion process causes further efficiency losses.
Carnot efficiency[edit]
The second law of thermodynamics puts a fundamental limit on the thermal efficiency of all heat engines. Even an ideal, frictionless engine can’t convert anywhere near 100% of its input heat into work. The limiting factors are the temperature at which the heat enters the engine, , and the temperature of the environment into which the engine exhausts its waste heat, , measured in an absolute scale, such as the Kelvin or Rankine scale. From Carnot’s theorem, for any engine working between these two temperatures:[4]
This limiting value is called the Carnot cycle efficiency because it is the efficiency of an unattainable, ideal, reversible engine cycle called the Carnot cycle. No device converting heat into mechanical energy, regardless of its construction, can exceed this efficiency.
Examples of are the temperature of hot steam entering the turbine of a steam power plant, or the temperature at which the fuel burns in an internal combustion engine. is usually the ambient temperature where the engine is located, or the temperature of a lake or river into which the waste heat is discharged. For example, if an automobile engine burns gasoline at a temperature of and the ambient temperature is , then its maximum possible efficiency is:
It can be seen that since is fixed by the environment, the only way for a designer to increase the Carnot efficiency of an engine is to increase , the temperature at which the heat is added to the engine. The efficiency of ordinary heat engines also generally increases with operating temperature, and advanced structural materials that allow engines to operate at higher temperatures is an active area of research.
Due to the other causes detailed below, practical engines have efficiencies far below the Carnot limit. For example, the average automobile engine is less than 35% efficient.
Carnot’s theorem applies to thermodynamic cycles, where thermal energy is converted to mechanical work. Devices that convert a fuel’s chemical energy directly into electrical work, such as fuel cells, can exceed the Carnot efficiency.
[5][6]
Engine cycle efficiency[edit]
The Carnot cycle is reversible and thus represents the upper limit on efficiency of an engine cycle. Practical engine cycles are irreversible and thus have inherently lower efficiency than the Carnot efficiency when operated between the same temperatures and . One of the factors determining efficiency is how heat is added to the working fluid in the cycle, and how it is removed. The Carnot cycle achieves maximum efficiency because all the heat is added to the working fluid at the maximum temperature , and removed at the minimum temperature . In contrast, in an internal combustion engine, the temperature of the fuel-air mixture in the cylinder is nowhere near its peak temperature as the fuel starts to burn, and only reaches the peak temperature as all the fuel is consumed, so the average temperature at which heat is added is lower, reducing efficiency.
An important parameter in the efficiency of combustion engines is the specific heat ratio of the air-fuel mixture, γ. This varies somewhat with the fuel, but is generally close to the air value of 1.4. This standard value is usually used in the engine cycle equations below, and when this approximation is made the cycle is called an air-standard cycle.
- Otto cycle: automobiles The Otto cycle is the name for the cycle used in spark-ignition internal combustion engines such as gasoline and hydrogen fuelled automobile engines. Its theoretical efficiency depends on the compression ratio r of the engine and the specific heat ratio γ of the gas in the combustion chamber.[4]:558
Thus, the efficiency increases with the compression ratio. However the compression ratio of Otto cycle engines is limited by the need to prevent the uncontrolled combustion known as knocking. Modern engines have compression ratios in the range 8 to 11, resulting in ideal cycle efficiencies of 56% to 61%.
- Diesel cycle: trucks and trains In the Diesel cycle used in diesel truck and train engines, the fuel is ignited by compression in the cylinder. The efficiency of the Diesel cycle is dependent on r and γ like the Otto cycle, and also by the cutoff ratio, rc, which is the ratio of the cylinder volume at the beginning and end of the combustion process:[4]
The Diesel cycle is less efficient than the Otto cycle when using the same compression ratio. However, practical Diesel engines are 30% – 35% more efficient than gasoline engines.[7] This is because, since the fuel is not introduced to the combustion chamber until it is required for ignition, the compression ratio is not limited by the need to avoid knocking, so higher ratios are used than in spark ignition engines.
- Rankine cycle: steam power plants The Rankine cycle is the cycle used in steam turbine power plants. The overwhelming majority of the world’s electric power is produced with this cycle. Since the cycle’s working fluid, water, changes from liquid to vapor and back during the cycle, their efficiencies depend on the thermodynamic properties of water. The thermal efficiency of modern steam turbine plants with reheat cycles can reach 47%, and in combined cycle plants, in which a steam turbine is powered by exhaust heat from a gas turbine, it can approach 60%.[4]
- Brayton cycle: gas turbines and jet engines The Brayton cycle is the cycle used in gas turbines and jet engines. It consists of a compressor that increases pressure of the incoming air, then fuel is continuously added to the flow and burned, and the hot exhaust gasses are expanded in a turbine. The efficiency depends largely on the ratio of the pressure inside the combustion chamber p2 to the pressure outside p1[4]
Other inefficiencies[edit]
One should not confuse thermal efficiency with other efficiencies that are used when discussing engines. The above efficiency formulas are based on simple idealized mathematical models of engines, with no friction and working fluids that obey simple thermodynamic rules called the ideal gas law. Real engines have many departures from ideal behavior that waste energy, reducing actual efficiencies below the theoretical values given above. Examples are:
- friction of moving parts
- inefficient combustion
- heat loss from the combustion chamber
- departure of the working fluid from the thermodynamic properties of an ideal gas
- aerodynamic drag of air moving through the engine
- energy used by auxiliary equipment like oil and water pumps.
- inefficient compressors and turbines
- imperfect valve timing
These factors may be accounted when analyzing thermodynamic cycles, however discussion of how to do so is outside the scope of this article.
Energy conversion[edit]
For a device that converts energy from another form into thermal energy (such as an electric heater, boiler, or furnace), the thermal efficiency is
where the quantities are heat-equivalent values.
So, for a boiler that produces 210 kW (or 700,000 BTU/h) output for each 300 kW (or 1,000,000 BTU/h) heat-equivalent input, its thermal efficiency is 210/300 = 0.70, or 70%. This means that 30% of the energy is lost to the environment.
An electric resistance heater has a thermal efficiency close to 100%.[8] When comparing heating units, such as a highly efficient electric resistance heater to an 80% efficient natural gas-fuelled furnace, an economic analysis is needed to determine the most cost-effective choice.
Effects of fuel heating value[edit]
The heating value of a fuel is the amount of heat released during an exothermic reaction (e.g., combustion) and is a characteristic of each substance. It is measured in units of energy per unit of the substance, usually mass, such as: kJ/kg, J/mol.
The heating value for fuels is expressed as the HHV, LHV, or GHV to distinguish treatment of the heat of phase changes:
- Higher heating value (HHV) is determined by bringing all the products of combustion back to the original pre-combustion temperature, and in particular condensing any vapor produced. This is the same as the thermodynamic heat of combustion.
- Lower heating value (LHV) (or net calorific value) is determined by subtracting the heat of vaporization of the water vapor from the higher heating value. The energy required to vaporize the water therefore is not realized as heat.
- Gross heating value accounts for water in the exhaust leaving as vapor, and includes liquid water in the fuel prior to combustion. This value is important for fuels like wood or coal, which will usually contain some amount of water prior to burning.
Which definition of heating value is being used significantly affects any quoted efficiency. Not stating whether an efficiency is HHV or LHV renders such numbers very misleading.
Heat pumps and refrigerators[edit]
Heat pumps, refrigerators and air conditioners use work to move heat from a colder to a warmer place, so their function is the opposite of a heat engine. The work energy (Win) that is applied to them is converted into heat, and the sum of this energy and the heat energy that is moved from the cold reservoir (QC) is equal to the total heat energy added to the hot reservoir (QH)
Their efficiency is measured by a coefficient of performance (COP). Heat pumps are measured by the efficiency with which they add heat to the hot reservoir, COPheating; refrigerators and air conditioners by the efficiency with which they remove heat from the cold interior, COPcooling:
The reason the term “coefficient of performance” is used instead of “efficiency” is that, since these devices are moving heat, not creating it, the amount of heat they move can be greater than the input work, so the COP can be greater than 1 (100%). Therefore, heat pumps can be a more efficient way of heating than simply converting the input work into heat, as in an electric heater or furnace.
Since they are heat engines, these devices are also limited by Carnot’s theorem. The limiting value of the Carnot ‘efficiency’ for these processes, with the equality theoretically achievable only with an ideal ‘reversible’ cycle, is:
The same device used between the same temperatures is more efficient when considered as a heat pump than when considered as a refrigerator:
This is because when heating, the work used to run the device is converted to heat and adds to the desired effect, whereas if the desired effect is cooling the heat resulting from the input work is just an unwanted by-product. Sometimes, the term efficiency is used for the ratio of the achieved COP to the Carnot COP, which can not exceed 100%.[9]
Energy efficiency[edit]
The ‘thermal efficiency’ is sometimes called the energy efficiency. In the United States, in everyday usage the SEER is the more common measure of energy efficiency for cooling devices, as well as for heat pumps when in their heating mode. For energy-conversion heating devices their peak steady-state thermal efficiency is often stated, e.g., ‘this furnace is 90% efficient’, but a more detailed measure of seasonal energy effectiveness is the annual fuel use efficiency (AFUE).[10]
Heat exchangers[edit]
A counter flow heat exchanger is the most efficient type of heat exchanger in transferring heat energy from one circuit to the other. However, for a more complete picture of heat exchanger efficiency, exergetic considerations must be taken into account. Thermal efficiencies of an internal combustion engine are typically higher than that of external combustion engines.
See also[edit]
- Kalina cycle
- Electrical efficiency
- Mechanical efficiency
- Heat engine
- Federal roofing tax credit for energy efficiency (US)
- Lower heating value
- Relative cost of electricity generated by different sources
- Higher heating value
- Energy conversion efficiency
References[edit]
- ^ Fundamentals of Engineering Thermodynamics, by Howell and Buckius, McGraw-Hill, New York, 1987
- ^ GE Power’s H Series Turbine
- ^ The Internal Combustion Engine in Theory and Practice: Vol. 1 – 2nd Edition, Revised, MIT Press, 1985, Charles Fayette Taylor – Equation 1-4, page 9
- ^ a b c d e Holman, Jack P. (1980). Thermodynamics. New York: McGraw-Hill. pp. 217. ISBN 0-07-029625-1.
- ^ Sharma, B. K. (1997). Electro Chemistry, 5th Ed. Krishna Prakashan Media. pp. E-213. ISBN 8185842965.
- ^ Winterbone, D.; Ali Turan (1996). Advanced Thermodynamics for Engineers. Butterworth-Heinemann. p. 345. ISBN 0080523366.
- ^ “Where does the energy go?”. Advanced technologies and energy efficiency, Fuel Economy Guide. US Dept. of Energy. 2009. Retrieved 2009-12-02.
- ^ “Energy Saver – Department of Energy”. www.energysavers.gov.
- ^ “Coefficient of Performance”. Industrial Heat Pumps. Retrieved 2018-11-08.
- ^ HVAC Systems and Equipment volume of the ASHRAE Handbook, ASHRAE, Inc., Atlanta, GA, US, 2004
Источник
Рассмотрим более
подробно цикл и принцип работы тепловой
машины. Уравнение первого закона
термодинамики для рабочего тела в
круговом процессе имеет вид:
,
поскольку при завершении его рабочее
тело возвращается в исходное состояние,
поэтому.
Но, согласно второму
закону термодинамики, теплота не может
превратиться в работу, если при этом не
протекает какой-либо компенсирующий
процесс. В тепловых двигателях таким
процессом является отдача части теплоты,
полученной рабочим телом, другому телу,
причем не тому, от которого она была
получена.
|
Рис. |
Таким образом, принципиальная
схема тепловой машины должна включать
в себя минимум три элемента (рис. 3.5):
рабочее тело (газ
или пар), получающее теплоту q1
и переводящее
часть ее в работу цикла
l
ц;
2) теплоотдатчик
(нагреватель), сообщающий за цикл каждой
единице массы рабочего тела теплоту
q1;
3) теплоприемник
(охладитель), в который от единицы массы
рабочего тела за каждый цикл отводится
теплота q2, меньшая
q1.
Таким образом, в полезную работу
преобразуется только часть теплоты,
получаемой от теплоотдатчика:
.
(3.2)
Термическим кпд цикла тепловой машины называется отношение
работы
цикла к теплоте, подведенной к рабочему
телу (от теплоотдатчика), т.е.
. (3.3)
Термический КПД
характеризует совершенство цикла
тепловой машины (двигателя) с точки
зрения преобразования в полезную работу
теплоты q1,
подведенной к рабочему телу.
Так как по
второму закону термодинамики всегда
q2
> 0, то для
всех тепловых
машин t
< 1.
3.5. Цикл Карно и теоремы Карно
Французский инженер
Сади Карно в 1824 г. опубликовал работу,
в которой предложил цикл, дающий
максимальное значение термического
КПД цикла тепловой машины при данных
значениях температур теплоотдатчика
и теплоприемника. Это прямой обратимый
цикл, состоящий из двух изотерм и двух
адиабат, изображенный в p,
v–
координатах
на рис. 3.6 и получивший название цикла
Карно.
|
|
Рис. | Рис. явлений |
Физическая картина
явлений может быть представлена следующим
образом (рис. 3.7). В точке А
находится газ с давлением объемомυА
и температуройТ1,
равной температуре нагревателя,
заключающего в себе большой запас
энергии. Поршень двигателя под влиянием
высокого давления начинает двигаться
вправо, при этом внутреннее пространство
цилиндра сообщено с нагревателем,
поддерживающим в расширяющемся газе
постоянную температуру Т1посредством
передачи ему соответствующего количества
энергии в виде теплоты q1.
Таким образом, расширение газа идет
изотермически по кривой
А-В. В точке
В цилиндр
изолируется от нагревателя, но газ
продолжает расширяться, двигая поршень
в том же направлении; процесс расширения
идет без подвода теплоты, т.е. адиабатно
(q =
0) по кривой
В-С. В этом
процессе в работу расширения превращается
часть внутренней энергии газа и,
следовательно, его температура понижается
до значения
Т2,
равного температуре охладителя. В этот
момент поршень достигает своего крайнего
правого положения.
Обратное движение
поршня происходит под воздействием
энергии, накопленной в маховике и
передаваемой посредством кривошипно-шатунного
механизма. Газ сжимается сначала
изотермически по кривой C–D,
для этого внутреннее пространство
цилиндра сообщается с охладителем,
поддерживающим температуру
,
а в точкеD
цилиндр изолируется от охладителя, и
дальнейшее сжатие идет по адиабатеD–A(q
= 0). В этом
процессе за счет работы сжатия внутренняя
энергия газа повышается, поэтому его
температура растет от Т1
до Т2.
Сжатие заканчивается в точке A,
где газ приходит к своему начальному
состоянию. На этом цикл завершен и
возможно его повторение.
Проследим процессы,
протекающие в рабочем теле в этом цикле,
считая рабочее тело идеальным
газом.
Процесс А-В
– изотермическое расширение газа при
.
Газ совершает работу расширения
,
эквивалентную площади под кривой этого
процесса, за счет подвода к нему от
теплоотдатчика теплоты, эквивалентной
этой работе:.
Процесс В-С
– адиабатное расширение газа (q
= 0). Газ совершает
работу расширения за счет убыли его
внутренней энергии, при этом его
температура снижается до значения
.
Процесс C–D– изотермическое
сжатие газа при
.
На сжатие газа затрачивается работа,
эквивалентная площади под кривой этого
процесса, а в теплоприемник отводится
теплота,
эквивалентная этой работе, в количестве:
.
Процесс D–A– адиабатное
сжатие газа (q
= 0). На сжатие
газа затрачивается работа, эквивалентная
площади под кривой этого процесса. При
этом внутренняя энергия газа повышается,
и он нагревается до температуры
,
возвращаясь в исходное состояние в
точке А.
Термический
КПД цикла Карно.
.
(3.4)
Для адиабатных
процессов В-С
и D–Aможно записать
и
.
Следовательно,
или
.
Тогда из (3.4) следует,
что термический КПД цикла Карно для
идеального газа равен:
, (3.5)
т.е. зависит только
от соотношения температур теплоотдатчика
и теплоприемника.
Опираясь на второй
закон термодинамики, Карно доказал
также следующие положения, носящие
название теорем
Карно:
1) термический КПД
цикла Карно не зависит от природы
рабочего тела и определяется только
отношением температур теплоотдатчика
Т1
и теплоприемника
Т2;
2) невозможно
создать тепловую машину, работающую в
том же диапазоне температур (т.е. с
),
термический КПД которой был бы выше
КПД
цикла Карно.
Действительно,
если температуры теплоотдатчика Т1
и теплоприемника Т2
постоянны в процессах подвода и отвода
тепла, то цикл Карно является единственно
возможным обратимым
циклом. Поэтому его термический
к.п.д. устанавливает максимально
возможную степень преобразования
теплоты в работу при заданных значениях
Т1
и Т2.
Любой другой
цикл, в котором теплоотдатчик и
теплоприемник имеют те же значения
температур (Т1
и Т2),
а температура рабочего тела в процессах
подвода и отвода тепла изменяется, будет
необратимым,
так как в этом случае не выполняется
одно из условий обратимости, а именно
отсутствие конечной
разности температур рабочего тела и
теплоотдатчика (или теплоприемника)
при подводе или отводе тепла. Поскольку
необратимость
связана с потерей работы (например,
за счет трения), значения термических
к.п.д. таких циклов всегда меньше цикла
Карно.
Таким образом,
термический КПД цикла Карно, определяемый
формулой (3.5), представляет собой
максимально
возможное значение термического КПД
тепловой машины,
цикл которой реализуется в диапазоне
температур между Т1
и Т2
.
Из анализа
результатов, полученных С. Карно,
вытекает также следующее.
Во-первых,
так как реально Т1
<
и Т2
> 0, то
всегда
.
Во-вторых,
если Т1 = Т2
,
то термический КПД цикла Карно равен
нулю. Следовательно, если все тела
термодинамической системы имеют
одинаковую температуру, т. е. находятся
в тепловом равновесии, то преобразование
теплоты в работу невозможно.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Источник


