топлинни двигатели

Ежедневните наблюдения и многобройни експерименти са показали, че не може да се извърши всеки термодинамичен процес, при който се наблюдава първия закон на термодинамиката. По-специално, спонтанно прехвърляне на вътрешната енергия от по-малко загрява до по-топъл тяло не е забранено по принцип първия закон на термодинамиката. Но никой досега не е наблюдавано, че горещо тяло се понижава в студена вода, загрява още повече, а водата е по този начин по-трудно да се охлади. По същия начин, никой не е виждал, до известна тяло, за да се увеличи нейната потенциална енергия, до определена височина, което се дължи на намалението на вътрешния енергиен, съпроводен с намаляване на температурата.

Обобщаването на огромните експериментални данни могат да се формулира втория закон на термодинамиката. показва посоката, в която термодинамичните процеси може да продължи.

Термодинамични процес не е възможно, единственият резултат, който би прехвърля енергия от вътрешността на по-малко загрява до по-топъл тяло (на думи, собственост немския физик Рудолф Клаузиус).

Цикличното процес не е възможно, единственият резултат, който ще работи в натоварването поради вътрешна енергия се изважда от всеки орган, чрез топлообмен (формулиране принадлежност английски физик Уилям Томсън).

Кръгов процес (или цикъл) - поредица от процеси, водещи термодинамична система към първоначалното си състояние.

Фразата "единственият резултат" в отчета за Клаузиус означава, че термодинамичен процес не трябва да предизвиква промени в околните органи. Например, в хладилници вътрешната енергия се предава от хладилно помещение до нагрява среда. Но тя не работи на работното вещество и на процеса на вземане на тази работа е свързана с промени в околните органи.

Същото важи и за формулировката на Thomson. "Превръщането на топлината в работа" в цикличен процес може да възникне, ако тялото освен отдаваща вътрешен енергиен чрез топлообмен в процес включва по-малко нагрява орган, който се прехвърля към вътрешната част на енергия, взета от загрява тяло.

Вторият закон на термодинамиката е в основата на работата на който и да е от текущия цикъл на топлина двигателя.

На цикличност на топлина Двигателят може да се разгледа пример на кръгов процес провежда с количество от газ или пара.

Да предположим, че нека в цилиндъра с прилепнала бутало определено количество газ или пара, която се нарича работна среда. Работният флуид се разширява, няма да работят срещу външни сили. Всяка бутилка е с ограничен размер, така че разширяването на работния флуид, след като трябва да се прекрати. При прекратяване на спиране на разширяване и процеса на превръщане на вътрешната енергия на пара или газ в механична енергия.

В този пример, ние се занимаваме с двигател с вътрешно горене единично действие. Такива двигатели включват, например, огнестрелни оръжия.

За повторно разширяване на работния орган и следователно повторението на работата, работната среда да бъдат компресирани. За тази цел на буталото и работният флуид трябва да се преобразува в първоначалното си състояние. Но ако работният флуид се компресира в същото налягане, при което тя се разширява, за извършената полезна работа за един цикъл ще бъде нула.

За полезна работа за цикъл, различна от нула, компресия на работна течност трябва да се извършва при по-ниско налягане, отколкото по време на експанзия. Горното е илюстрирано чрез диаграма на налягането на газа в цилиндъра под буталото, от неговия обем. Работа на външни сили на работния флуид по време на разширяване числено равна на площта на фигура 1 V - А - X - B - V 2. и компресия - квадратен V 2 - Б - Y - А - V 1. защрихованата зона, ограничена от затворена крива е числено равно на полезната работа, извършена от работната течност в един цикъл. От кривата В - Y - А съответства на по-ниска температура, отколкото крива - х - С това означава, че по време на работния флуид компресия трябва да се свържат по-малко нагрява тяло.

По този начин, цикличен топлинен двигател можем да наречем топлинен двигател, в който с помощта на повтарящи се цикли на трансформация извършват вътрешната течност енергия в механична енергия.

За циклична работа на топлина двигател трябва да има температура Т 1. тяло наречен нагревател тяло при температура Т 2. наречен обратен и работен флуид, който, като един цикъл от нагревател топлина количество Q 1. хладилник предава топлина количество Q 2 и разликата Q 1 - Q 2 се превръща в работа.

В лабораторията за симулиране на цикличен действието на топлината на двигателя, като използвате следните настройки.

Високата бехеровата чаша се пълни с вода. В долната част на стъклото е анилин. Студената анилин плътност само малко по-висока от плътността на водата, но този излишък е достатъчно, че тя потъва във вода. Що се отнася до повърхността на водата отдолу на друга чаша напълнена със студена вода или лед. Ние нагрява прозрачно дъно, което е приблизително анилин. При нагряване анилин се разширява, плътността му намалява. След това става по-малко от плътността на водата, анилин като капки се появяват на повърхността си. Докосването на студено стъкло дъното, анилин се охлажда, неговите увеличава плътността отново и той се удавя. Процесът се повтаря, докато има температурна разлика между долната и горната част на вода в чаша с анилин. В този експеримент, анилин симулира работния флуид от двигател с вътрешно горене, пламък е нагревател, чашата с лед - хладилник.

Помислете за енергийния баланс на един цикъл топлинен двигател.

Да предположим, че работното тяло като в първоначалното състояние, вътрешната енергия U 1. придобива от нагревателя по време на количеството на разширение на топлина Q 1 и изпълнява работен 1. вътрешната енергия става равна на U 2.

Да приемем, че в операционната компресия тялото изпраща хладилник количеството топлина Q 2 и прави отрицателна работа A 2. връщане по този начин с първоначалното състояние.

Прилагането на разширяване и свиване на работния орган на първия закон на термодинамиката, получаваме:

От тази формула, по-специално, от това следва, че η <1, так как в соответствии с формулировкой Томсона Q 2 не может быть равно нулю.

Трябва да се отбележи, че тази функция на топлинни двигатели, които понякога се разглеждат като "безполезно" откат енергия в хладилника, е от съществено значение и не може да се елиминира чрез подобряване на конструкции.

Проучване на работата на топлинните машини, френски физик и инженер Сади Карно установили, че максимално ефективността на топлинната двигателят може да бъде постигнато, ако придобиването и енергията на удара при обмена работа топлина ще се случи без промяна на температурата и на работната среда, температурата се променя само по време на изпълнение на работата.

Въз основа на тези съображения, вградената цикъл на Карно идеален топлинен двигател, състоящи се от две изотерми и две адиабатно.

В Карно цикъл работен флуид, който изпълнява ролята на идеалния газ заема V I обем и по т налягане 1. предвидено в термичен контакт с нагревателя, чиято температура Т1.

В много бавно намаляване на външно налягане и без прекъсване на контакта с нагревател, работният флуид се дава възможност да се разширява по изотерма и 1-2 променя състоянието си с параметри (р 2. V 2. T 1). В този случай работните това осъществява течност работят, равно количество топлина Q 1. Получената от нагревателя, температурата на която остава постоянна поради безкрайно голям топлинен капацитет.

Когато изотермично разширяване на работния флуид пълното превръщане на вътрешната енергия, получена от нагревателя в механична енергия.

След това работният флуид се дава възможност за по-нататъшно разширяване под адиабатно изолация. Това дава възможност за понижаване на температурата на работния флуид от температурата на нагревателя на температурата на хладилника. Поради това, в бъдеще ще трябва да се изпълняват по-малко работа, когато външни сили на натиск. Освен това, температурата понижаване не се постига чрез термичен контакт с по-малко загрява тялото, което ще доведе до загуба на енергия, и в резултат на работа на работна течност вътрешната енергия.

Следващата стъпка отстранява термичната изолация и термичен контакт се извършва с течност кондензатора работа, която също има безкрайно голям топлинен капацитет.

Без да се прекъсва контактът с кондензатора, работната среда, се пресова, в състояние, с параметри (р 4. V 4. Т2). Външните сили извършват работа, равна на количеството топлина се отказали хладилника.

За завършване на работния флуид цикъл е отново под адиабатно изолация се пресова и се превръща в първоначалното си състояние. Външните сили извършват някаква работа.

Енергиен баланс на цикъла на Карно, извършена с идеален газ, показва, че работата по adiabats се изключват взаимно и полезна работа за един цикъл е равен на разликата между работата, извършена от изотермите на разширяване и свиване.

Прилагането на първия закон на термодинамиката на всеки процес на Карно цикъл и с помощта на идеален газ уравнение на състоянието и уравнение, описващо адиабатичния процес, израз на ефективността на цикъла на Карно, извършена с идеален газ: