Termodinamica este o aplicație importantă aplicată a termodinamicii. Un motor termic este un dispozitiv care convertește o parte din cantitatea de căldură primită în lucrul mecanic. Lucrarea mecanică în motoarele termice se face în procesul de extindere a unei anumite substanțe, care se numește corpul de lucru. Ca fluid de lucru, se folosesc de obicei substanțe gazoase (vapori de benzină, aer, vapori de apă).
Mașinile termice sunt împărțite în două clase: mașini de unică folosință (rachete, pistoale etc.) și mașini ciclice (motoare cu abur, motoare cu combustie internă).
Un ciclu este un proces al cărui început și sfârșit sunt aceleași. Un exemplu al unui proces ciclic este procesul prezentat în Figura 13.3. Lucrarea ciclului constă în activitatea sistemului propriu-zis (secțiunea abc) și lucrul la sistem (site-ul cda).
Figura 13.3 - Proces circular pe diagrama (p. V). abc - curba de expansiune, cda - curba de compresie. Lucrul A într-un proces circular este egal cu aria figurii.
Lucrarea ciclului este numeric egală cu aria figurii abcd. Gazul efectuează lucrări la locul abc din cauza cantității de căldură primită de la încălzitor, iar în secțiunea cda peste forțele exterioare ale gazului sunt efectuate. Pentru ca munca forțelor externe să fie mai mică decât munca de gaz, este necesar să o efectuați la o temperatură mai mică și, prin urmare, trebuie să treacă o anumită cantitate de căldură din corpul de lucru - gaz - la corpul mai puțin încălzit - frigider. Schema de alimentare a motorului termic este prezentată în figura 13.4.
Declarația potrivit căreia două corpuri utile cu temperaturi diferite sunt necesare pentru a efectua o muncă utilă într-o mașină ciclică se numește principiul Carnot.
Figura 13.4 - Schema energetică a motorului termic: 1 - încălzitor;
Un ciclu prin care cantitatea de căldură preluată dintr-un corp poate fi cel mai bine transformată într-o lucrare mecanică se numește ciclul Carnot. Gazul ideal este gazul ideal. Ciclul Carnot constă din două izoterme și două adiabate (Figura 13.5).
Figura 13.5 - Diagrama ciclului carnot
În secțiunea 1-2, mediul de lucru intră în contact cu încălzitorul (corp cu o capacitate mare de căldură) și primește din acesta cantitatea de căldură Q1. În acest caz este realizată expansiunea izotermică a gazului (datorită capacității mari de încălzire a încălzitorului, temperatura sa nu se schimbă). Acesta este cel mai profitabil proces unic, în care toată cantitatea de căldură primită trece în lucrare mecanică, în conformitate cu prima lege a termodinamicii:
Secțiunea 2-3 corespunde expansiunii adiabatice a unui gaz ideal. În acest stadiu, contactul cu încălzitorul este întrerupt, iar corpul de lucru nu schimbă cantitatea de căldură cu alte corpuri. Acest lucru este, de asemenea, avantajos, deoarece în acest caz gazul efectuează lucrări în detrimentul propriei sale energii interne, ca urmare a scăderii acestuia, temperatura gazului devine egală cu T2. Conform primei legi a termodinamicii,
La stația 3-4 este conținută în fluidul de lucru în contact termic cu condensator având o capacitate mare de căldură și temperatura T2. Aici, la gazul aflat la temperatură mai scăzută este comprimat izoterm, efectuarea lucrărilor de pe ea, frigiderul a dat valoare numerică egală de căldură, lucrează același gaz precum și trimite o cantitate de căldură este negativ:
La o temperatură mai scăzută, când energia internă este mai mică decât cea originală, gazul este mai ușor de compresat, astfel încât lucrul lui A34 este mai mic decât cel al lui A12. Compresiunea izotermică este din nou cea mai profitabilă, deoarece nu este necesar să se schimbe energia internă a gazului și să se cheltuiască pe această muncă suplimentară a forțelor externe. În ultima etapă a ciclului Carnot, este necesar să returnați gazul în starea inițială în cel mai avantajos mod, adică să îl comprimați adiabatic. Cu o compresie adiabatică, nu există contact termic între fluidul de lucru și condensator, iar munca forțelor externe are scopul de a crește în totalitate energia internă a gazului:
lucru util pe ciclu este egal cu suma algebrică a activității fiecărei secțiuni a ciclului Carnot. Comparația cu formulele (13.25) și (13.28) ne permite să tragem concluzia că gazul de lucru la secțiunea 2-3 egală în mărime la stația de benzină 4-1, dar opusă semn, deci, suma algebrică a lucrărilor pe aceste secțiuni este egal cu zero, iar munca ciclul va fi determinat de suma lucrărilor din secțiunile 1-2 și 3-4:
Pentru a transforma în continuare lucrarea utilă, considerăm ecuațiile adiabatice din secțiunile 2-3 și 4-1, scrise prin volum și temperatură: u. Să divizăm a doua ecuație în prima și să obținem: sau. Luând în considerare această egalitate, este posibil să se controleze logaritmul natural al raportului volumelor din formula (13.29) și să se obțină o expresie pentru munca utilă pentru ciclul Carnot:
Eficiența funcționării mașinilor termice este caracterizată de coeficientul de eficiență. definită ca raportul dintre munca utilă efectuată pe ciclu și cantitatea de căldură primită de la încălzitor pe ciclu:
Substituind în această ecuație lucrarea utilă produsă pentru ciclul Carnot, definit prin formula (13,40), iar cantitatea de căldură primită de la încălzitor, definit prin formula (13.25) după conversie pentru a obține o expresie pentru calcularea coeficientului de performanță (COP) a ciclului Carnot:
Această formulă este adecvată numai pentru calcularea eficienței ciclului Carnot. Eficiența altor cicluri se calculează folosind formula generală (13.41). În cazul în care există mai multe încălzitoare, este posibil să se calculeze cantitatea de căldură primită prin însumarea cantităților de căldură de la fiecare încălzitor conform formulei:
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: