Зачем в тепловом двигателе нужен холодильник
Лучший ответ:
Для совершения работы теплового двигателя необходима разность давлений по сторонам поршня. Для этого повышается температура рабочего тела на сотни градусов по отношению к температуре окружающей среды.
Рабочее тело — это газ, который совершает работу при расширении.
Холодильник необходим для охлаждения газа перед сжатием, т.к. работа на сжатие должна быть меньше.
Другие вопросы:
Определите pH растворов, в которых А) (H )=10^-10 моль/л. Б) (OH-)=10^-2 моль/л.
(х-1,5)=4,(3-х)=5,(2х-3)=0,(6-5х)=0 помогите решить эти уровнения
Читайте также:
- Бытовые электронные машины
- Динамическая модель машины
- Зап дет дан вида,необх для ремонта 1 машины,Нр-Нрасх ЗД на 1 машину, К-кол-во ед обор-ния дан вида
- И сидели люди в машинах, И машины сидели в людях, Потому что сплошные пробки На Дорогах Жизни без Света.
- ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ БАЗОВОЙ МАШИНЫ
- Индекс в обозначении заключительного состояния машины Тьюринга .
- Испытание на тепловые потери.
- Катя выскочила из машины и побежала без оглядки к дому.
- Кибермашины в шпионаже и на полицейской службе
- Конденсационные тепловые электростанции
- Коэффициент полезного действия тепловой машины
- Машины для внесения удобрений
Лекция 13
Внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса
Внутренняя энергия ванн-дер-ваальсовского газа
.
суммарная кинетическая энергия молекул в Ц-системе, связанной с сосудом;
– суммарная энергия взаимодействия молекул (собственная потенциальная энергия).
Если газ расширяется в пустоту без теплообмена с окружающими телами, то , и согласно первому началу термодинамики в этом процессе U = = const. Получается, что с ростом объёма температура реального газа уменьшается (в отличие от идеального газа).
Тепловые машины (двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, газовые турбины и др.) предназначены для получения полезной работы за счёт теплоты, выделяемой вследствие сгорания топлива, ядерных превращений, нагрева солнечными лучами или по другим причинам. Ниже приведена условная схема тепловой машины (а) и её термодинамический цикл (б).
В качестве холодильника часто выступает окружающая среда. В космических энергоустановках окружающая среда отсутствует и необходим специальный холодильник-излучатель.
Наличие холодильника и передача ему части полученной от нагревателя теплоты является обязательным, так как иначе работа тепловой машины невозможна. Вычисляемая по первому началу термодинамики величина QXявляется отрицательной т.к. это количество теплоты поступает не к рабочему телу, а от него к холодильнику.
В соответствии с первым началом внутренняя энергия за цикл (круговой процесс) не изменяется. Совершённая рабочим телом механическая работа равна разности подведённой и отведённой теплоты:
.
Тепловой коэффициент полезного действия (КПД) цикла любой тепловой машины можно рассчитать как отношение полезной работы к количеству теплоты, переданной рабочему телу от нагревателя:
.
Термодинамический цикл, осуществляемый в обратном направлении . может быть использован для работы холодильной машины.
В холодильной машине внешние тела совершают работу А * над рабочим телом и происходит отвод теплоты QОХЛ от охлаждаемого тела и передача теплоты QТР (величина отрицательная)тепловому резервуару, в качестве которого обычно выступает окружающая среда.
Холодильный коэффициент холодильной машины определяют как отношение отведённого от охлаждаемого тела количества теплоты к затраченной для этого механической работе А * :
.
Холодильный коэффициент холодильной машины в отличие от КПД тепловой машины может быть как больше, так и меньше единицы.
Холодильная машина может использоваться не только для охлаждения различных предметов, но и как тепловой насос для отопления помещений. В этом случае тепловым резервуаром является обогреваемое помещение, а теплота QОХЛотводится из менее нагретой окружающей среды. Термодинамические циклы холодильной машины и теплового насоса совпадают.
КПД теплового насоса определяют как отношение полученного нагреваемым помещением количества теплоты к затраченной для этого механической работе:
.
Видно, что КПД теплового насоса обязательно должен быть больше единицы.
Преимущество теплового насоса по сравнению с обычным электрическим нагревателем заключается в том, что на нагрев помещений используется не только преобразованная в теплоту электроэнергия, но и теплота, отобранная от окружающей среды.
Дата добавления: 2015-05-09 ; Просмотров: 3682 ; Нарушение авторских прав? ;
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Термодинамика возникла как наука с основной задачей – созданием наиболее эффективных тепловых машин.
Тепловая машина или тепловой двигатель – это периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получения теплоты.
Обычно совершение работы в тепловом двигателе производится газом при его расширении. Газ, находящийся в нем, получил название рабочего тела. Зачастую его заменяют на воздух или водяные пары. Расширение газа происходит по причине повышения его температуры и давления.
Устройство, от которого рабочее тело получает тепло Q n , называю нагревателем.
Это понимается как расширение от объема V 1 к V 2 V 2 > V 1 , затем сжатие до первоначального объема. Чтобы значение совершаемой работы за цикл было больше нуля, необходимо температуру и давление увеличить и сделать больше, чем при его сжатии. То есть при расширении телу сообщается определенное количество теплоты, а при сжатии отнимается. Значит, кроме нагревателя тепловой двигатель должен иметь холодильник, которому рабочее тело может отдавать тепло.
Рабочее тело совершает работу циклично. Очевидно, изменение внутренней энергии газа в двигателе равняется нулю. Если при расширении от нагревателя к рабочему телу передается теплота в количестве Q n , то при сжатии Q ‘ c h теплота рабочего тела передается холодильнику по первому закону термодинамики, учитывая, что ∆ U = 0 , то значение работы газа в круговом процессе запишется как:
A = Q n — Q ‘ c h ( 1 ) .
Отсюда теплота Q ‘ c h ≠ 0 . Выгодность двигателя определяется по количеству выделенной и превращенной теплоты, полученной от нагревателя, в работу. Его эффективность характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД), определяющимся как:
Запись уравнения ( 2 ) при учитывании ( 1 ) примет вид:
η = Q n — Q ‘ c h Q n ( 3 ) , КПД всегда.
Машина, отбирающая от тела с меньшей температурой определенное количество теплоты Q c h и отдающая его Q ‘ n телу с наиболее высокой температурой с Q ‘ n > Q c h , получила название холодильной машины.
Данная машина должна совершить работу A ‘ в течение цикла. Эффективность холодильной машины определяется по холодильному коэффициенту, вычисляемому:
a = Q ‘ n A ‘ = Q ‘ n Q ‘ n — Q c h ( 4 ) .
КПД необратимого теплового двигателя всегда меньше, чем работающего по обратимому циклу.
КПД теплового двигателя
Французским инженером Саади Карно была установлена зависимость КПД теплового двигателя от температуры нагревателя T n и холодильника T c h . Форма конструкции теплового двигателя и выбор рабочего тела не влияет на КПД идеальной тепловой машины:
η m a x = T n — T c h T n ( 5 ) .
Любой реальный тепловой двигатель может обладать КПД η ≤ η m a x .
Принцип работы теплового двигателя
Идеальная машина, модель которой разработал Карно, работает по обратимому циклу, состоящему из двух изотерм ( 1 — 2 , 4 — 3 ) и двух адиабат ( 2 — 3 , 4 — 1 ) , изображенная на рисунке 1 . В качестве рабочего тела выбран идеальный газ. Прохождение адиабатного процесса происходит без подвода и отвода тепла.
Участок 1 — 2 характеризуется сообщением рабочему телу от нагревателя с температурой T n количества тепла Q n . При изотермическом процессе запись примет вид:
Q n = T n ( S 2 — S 1 ) ( 6 ) , где S 1 , S 2 являются энтропиями в соответствующих точках цикла из рисунка 1 .
Видно, что участок 3 — 4 характеризуется отдачей тепла холодильнику с температурой T c h идеальным газом, причем количество теплоты равняется получению газом теплоты — Q c h , тогда:
— Q c h = T c h ( S 1 — S 2 ) ( 7 ) .
Выражение, записанное в скобках в ( 7 ) , указывает на приращение энтропии процесса 3 — 4 .
Принцип действия тепловых двигателей КПД
Произведем подстановку ( 6 ) , ( 7 ) в определение КПД теплового двигателя и получаем:
η = T n ( S 2 — S 1 ) + T c h ( S 1 — S 2 ) T n ( S 2 — S 1 ) = T n — T c h T n ( 8 ) .
В выведенном выражении ( 8 ) не выполнялось предположений о свойствах рабочего тела и устройстве теплового двигателя.
По уравнению ( 8 ) видно, что для увеличения КПД следует повышать T n и понижать T c h . Достижение значения абсолютного нуля невозможно, поэтому единственное решение для роста КПД – увеличение T n .
Задача по созданию теплового двигателя, совершающего работу без холодильника, очень интересна. В физике она получила название вечного двигателя второго рода. Такая задача не находится в противоречии с первым законом термодинамики. Данная проблема считается неразрешимой, как и создание вечного двигателя первого рода. Этот опытный факт в термодинамике приняли в качестве постулата – второго начала термодинамики.
Рассчитать КПД теплового двигателя с температурой нагревания 100 ° С и температурой холодильника, равной 0 ° С . Считать тепловую машину идеальной.
Необходимо применение выражения для КПД теплового двигателя, которое записывается как:
η = T n — T c h T n .
Используя систему С И , получим:
T n + 100 ° C + 273 = 373 ( К ) . T c h = 0 ° C + 273 = 273 ( К ) .
Подставляем числовые значения и вычисляем:
η = 373 — 273 373 = 0 , 27 = 27 % .
Ответ: КПД теплового двигателя равняется 27 % .
Найти КПД цикла, представленного на рисунке 2 , если в его пределах объем идеального газа проходит изменения n раз. Считать рабочим веществом газ с показателем адиабаты γ .
Основная формула для вычисления КПД, необходимая для решения данной задачи:
η = Q n — Q ‘ n Q n ( 2 . 1 ) .
Получения тепла газом происходит во время процесса 1 — 2 Q 12 = Q n :
Q 12 = ∆ U 12 + A 12 ( 2 . 2 ) , где A 12 = 0 потому как является изохорным процессом. Отсюда следует:
Q 12 = ∆ U 12 = i 2 R T 2 — T 1 ( 2 . 3 ) .
Процесс, когда газ отдает тепло, обозначается как 3 — 4 , считается изохорным — Q 34 = Q ‘ c h . Формула примет вид:
Q 34 = ∆ U 34 = i 2 v R T 4 — T 3 ( 2 . 4 ) .
Адиабатные процессы проходят без подвода и отвода тепла.
Произведем подстановку полученных количеств теплоты в выражение для КПД, тогда:
η = i 2 v R T 2 — T 1 + i 2 v R T 4 — T 3 i 2 v R T 2 — T 1 = T 2 — T 1 + T 4 — T 3 T 2 — T 1 = 1 — T 3 — T 4 T 2 — T 1 ( 2 . 5 ) .
Следует применить уравнение для адиабаты процессу 2 — 3 :
T 2 V 1 γ — 1 = T 3 V 2 γ — 1 → T 2 = T 3 V 2 γ — 1 V 1 γ — 1 = T 3 n γ — 1 ( 2 . 6 ) .
Используем выражение для адиабаты процесса 4 — 1 :
T 1 V 1 γ — 1 = T 3 V 2 γ — 1 → T 1 = T 4 V 2 γ — 1 V 1 γ — 1 = T 4 n γ — 1 ( 2 . 7 ) .
Перейдем к нахождению разности температур T 2 — T 1 :
T 2 — T 1 = T 3 — T 4 n Г — 1 ( 2 . 8 ) .
Произведем подстановку из ( 2 . 8 ) в ( 2 . 5 ) :
η = 1 — T 3 — T 4 T 3 — T 4 n γ — 1 = 1 — 1 n γ — 1 = 1 — n 1 — γ ( 2 . 9 ) .
Ответ: КПД цикла равняется η = 1 — n 1 — Г .