циклічні процеси

Назва роботи: Циклічні процеси

Предметна область: Фізика

Опис: Фізичний принцип дії теплового двигуна. В основі фізичного принципу роботи теплового двигуна лежить то що функціонування теплового двигуна забезпечується тільки за рахунок підведення або відведення теплоти. Технічна схема теплового двигуна включає в себе теплоізольований циліндр з поршнем під яким знаходиться робоче тіло наприклад газ. Схема реалізації роботи теплового двигуна.

Розмір файлу: 165 KB

Роботу скачали: 35 чол.

5.1. Вираз Першого закону термодинаміки для циклічних процесів.

цикл # 150; це замкнутий термодинамічний процес. Робоче тіло після здійснення всіх процесів повертається в початковий стан. Нехай цикл складається з двох процесів: 1А2 і 2 b 1 (рис.5.1)

Рис.5.1. Замкнуте термодинамічний процес (цикл)

У загальному випадку, в процесах 1А2 і 2 b 1, з яких складається цикл може підводитися теплота і відбуватися термодинамічна робота. Нагадаємо, до речі, що з рис.5.1 випливає, що в процесі 1А2 теплота підводиться (ds> 0). а в процесі 2 b 1 - відводиться (ds <0).

Для кожного з процесів в загальному випадку запишемо для кожного з процесів Перше початок термодинаміки:

Підсумуємо рівняння (5.1), отримаємо:

З визначення внутрішньої енергії випливає, що, оскільки U є параметром стану, то при поверненні процесу в початкову точку зміна U дорівнюватиме  U = 0. Тоді (5.2) можна переписати, як

Мнемонічне правило для запам'ятовування термодинамічної сенсу рівняння (5.3) наступне:

Сума теплот циклу дорівнює сумі робіт

Рівняння (5.1) в диференціальному вигляді для елементарної ділянки циклу має бути переписано, як

Інтегрування (5.4) по контуру циклу (інтегрування по замкнутому контуру) обох частин рівняння дасть

Що, з урахуванням сказаного в відношенні. призводить до результату:

Вираз (5.6) означає:

- якщо. тобто відсутні зовнішні джерела теплоти, то корисна робота в циклі не буде виконано;

- якщо в лівій частині. то корисна робота в циклі буде виконуватися.

5.2. Фізичний принцип дії теплового двигуна.

В основі фізичного принципу роботи теплового двигуна лежить те, що функціонування теплового двигуна забезпечується тільки за рахунок підведення або відведення теплоти. Технічна схема теплового двигуна включає в себе теплоізольований циліндр з поршнем, під яким знаходиться робоче тіло (наприклад, газ). На поршні встановлено вантаж. Схема показана на рис.5.1.

Сумарний вплив на поршень зовнішніх сил позначимо р с. Нехай в нашому розпорядженні є джерело теплоти, який ми наводимо в безпосередній контакт з робочим тілом в циліндрі. Нехай це буде змійовик, по якому циркулює гарячий теплоносій

Початковий стан робочого тіла характеризується деякою початковою температурою Т 1 .Введем в дію нагрівач і будемо за стадіями фіксувати зміни в устрої, показаному на рис.5.2.

Рис.5.2. Схема реалізації роботи теплового двигуна.

Подання циклу в Ts # 150; діаграмі.

Нехай показаний на рис.5.2 цикл може бути представлений в Ts # 150; діаграмі так, як показано на рис.5.3. Не розкриваючи деталей перерахунку залежностей p (V) в T (s) будемо вважати, що цикл 1 a 1-А- a 2 T max -2 має вигляд, показаний на рис.5.3.

Порівнюючи вираз (5.6) і суть показаної на рис.5.3 схеми можна легко зрозуміти, що різниця площ криволінійних фігур s 1-1- A -2- s 2 і 2 B -1- s 1 s 2. рівна площі 1 A -2-В- 1 дорівнює роботі циклу. Звідси випливає також те, що робота циклу (L ц), маючи своєї геометричної інтерпретацією, площа деякої фігури, являє собою абсолютну величину. Т.ч. для обчислення (L ц) правильно буде записати (див. рис.5.3):

Часто знаки абсолютної величини опускають, а підведену теплоту позначають, як Q 1. а відведену # 150; як Q 2. З останніх визначень ясно, що терміни «підведена» і «відведена» використовуються по відношенню до робочого тіла. По відношенню до джерел теплоти ( «гарячому» і «холодному») зазначені величини Q 1 і Q 2 мають зворотний характер: Q 1 # 150; відводиться від «гарячого» джерела, а Q 2 # 150; підводиться до «холодного» джерела.

Виходячи з призначення теплового двигуна (виконання корисної роботи за рахунок підведеної теплоти зовнішнього джерела) його ефективність можна оцінити таким чином:

де Q 1 - теплота передана робочому тілу від верхнього теплового джерела; Дж (або Вт); L # 150; робота циклу, Дж (або Вт).

Величина  t # 150; термічний ККД циклу теплового двигуна. Зі співвідношення величин, що входять в формулу (5.7) і зіставлення з (5.6) ясно, що завжди

5.3. Прямі та зворотні цикли. Цикл холодильної машини та теплового насоса.

Розглянутий вище цикл протікає таким чином, що зміна параметрів (наприклад. Температури) відбувається по ходу годинникової стрілки. Такі цикли називають прямими. Тепловий двигун працює за прямим циклу. Цикли, в яких зміна параметрів, відбувається проти годинникової стрілки називають зворотними (не плутати з оборотним.). За зворотного циклу працює холодильна машина.

Цикл холодильної машини. Розглянемо цикл 1-В-2-А-1. показаний на рис.5.3.

Як було сказано вище відносно правила знаків теплоти (Лекція 2), - якщо теплота підводиться до робочого тіла, то. тобто ентропія робочого тіла зростає. На рис.5.3 цьому відповідає процес 1-В-2. Тобто в процесі 1-В-2 робочому тілу передається теплота деякого тіла, яке ми умовно назвемо «нижній», або «холодний» джерело.

У процесі 2-А-1 відбувається зменшення ентропії (ds <0), т.е. теплота от рабочего тела передается более нагретому по сравнению с «холодным» источником телу. Теплота «отбирается» от рабочего тела.

Рис.5.3. Схема зворотного циклу (цикл холодильної установки).

Для наочності нижче приведена у вигляді ілюстрації процесів передачі теплоти схема побутового холодильника.

У книзі польських дослідників Арктики Центкевіча. наведено такий факт. Після другої світової війни США в рамках розвитку полярних регіонів почали торгову експансію в Гренландії. На подив американців, найбільшим попитом у місцевих жителів # 150; ескімосів почали користуватися холодильники. Ескімоси залишали поставлені їм збірні дерев'яні будиночки в невеликих селищах і переселялися в звичні для них крижані будинки - голку, але при цьому забирали з собою холодильники. Оскільки в голку як відомо не можна розводити відкритий вогонь (лід буде танути і підвищувати вологість), то холодильник виявився ідеальним опалювальним приладом. Тепла від задньої панелі холодильника вистачало для підтримки комфортної для голку температури - + 3 ... 5  С

Ідея використання зворотного циклу для опалення реалізується в теплових насосах. Для цього випарник (див. Схему холодильника) занурюють (закопують) в грунт на певну глибину. Глибина занурення вибирається з міркувань кліматичних умов і тривалості холодного сезону. У Західній Європі випарник закопують на глибину близько 2..3 м. Вважається, що за літо теплота акумулюється на такій глибині і може підтримувати температуру ґрунту вище 0  С протягом 2 ... 3 місяців. Тобто стільки, скільки необхідно для відносно теплих країн для опалення.

Схема теплового насоса показана на наступному малюнку (рис.5.4).

5.4. Ефективність циклів холодильної машини та теплового насоса.

Виходячи з прикладного значення розглянутих циклів можна визначити їх ефективність як:

(З точки зору європейця!)

математично наведене співвідношення матиме вигляд:

де Q 2 теплота передана робочому тілу від нижнього теплового джерела; Дж (або Вт); L # 150; робота циклу, Дж (або Вт).

Величина  називається холодильним коефіцієнтом або ефективністю холодильного циклу. Як зрозуміло з (5.8) і входять до нього величин

Для теплового насоса ефективність може бути отримана з наступного співвідношення

де Q 1 - теплота, передана від робочого тіла верхнього теплового джерела; Дж (або Вт); L # 150; робота циклу, Дж (або Вт).

Величина  називається опалювальним коефіцієнтом або ефективністю циклу теплового насоса. Як зрозуміло з (5.8) і входять до нього величин

Виконання проектних завдання дозволяє школярам Бачити практичність Користь від Вивчення іноземної мови слідством чого є Підвищення інтересу до цього предмету. Ставши следующие навчальні завдання: Вчитися Новомосковскті тексти вібіраті з них потрібну інформацію використовуват отрімані Відомості в работе; Вчитися обмінюватіся інформацією з.