ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Понятие циклического процесса из "Основы теории тепловых процессов и машин Часть 2 Издание 3 " Таким образом, термодинамическая система (газ) энергетически взаимодействует с окружающей средой в двух формах — тепловой и механической. В результате такого взаимодействия происходит преобразование энергии из тепловой формы в механическую форму. Действительно, от нагревателя (рис. 8.2) энергия в тепловой рме подводится к рабочему телу, а отводится — в механической форме. [c.4] Бели в процессе расширения 1-2 температура системы (газа) не изменяется (Гг = Ti = idem), то из выражения (8.5) получаем, что Q = W. Это означает, что при изотермическом подводе энергии к системе (газу) в тепловой форме она может быть полностью преобразована в механическую форму. Таким образом, первый закон не накладывает никаких ограничений на процессы преобразования энергии. [c.4] Вместе с тем, чем больше требуется преобразовать энергии из тепловой формы в механическую форму, тем больше должно расширяться рабочее тело. Чем большие потребности в механической энергии IV, тем больше энергии в тепловой форме Q необходимо сообщить рабочему телу. Но чем больше энергии в тепловой форме сообщается рабочему телу, тем больше оно должно расширяться, чтобы всю эту энергию преобразовать в механическую форму. Это обстоятельство требует построения расширительной машины очень больших размеров, что не приемлемо с технической точки зрения. Следовательно, при однократном расширении газа в цилиндре можно преобразовать лишь ограниченное количество энергии из тепловой формы в механическую форму. [c.5] Екгтественно, давно возникла идея создания расширительной машины приемлемых размеров, с помощью которой можно преобразовывать большое количество энергии из тепловой формы в механическую форму. Такая машина должна периодически воспроизводить процесс расширения рабочего тела. Для этого она должна быть способной периодически возвращать рабочее тело в исходное состояние. При этом ра чее тело в расширительной машине может возвращаться в исходное состояние непрерывно (как в газотурбинных двигателях) или периодически (как в поршневых двигателях). [c.5] Теоретически это можно сделать, если после процесса расширения произвести процесс сжатия рабочего тела (перевести его в первоначальное состояние). В этом случае рабочее тело в расширительной машине будет работать по замкнутому циклу (циклически). Выясним условия протекания такого цикла, для чего проведем ряд идеализированных экспериментов. [c.5] Выражение (8.6) записано с учетом правила знаков — подводимая к рабочему телу (изучаемой системе) энергия в механической форме записывается с отрицательным знаком. [c.5] Так как в процессе сжатия давление рабочего тела увеличивается, увеличивается и усилие Р, прикладываемое им к поршню. Поэтому для выполнения условия (8.7) необходимо в процессе сжатия увеличивать внешнюю силу Рвн, прикладываемую к поршню. [c.6] Внутренняя энергия рабочего тела в процессе адиабатического расширения понижается. Следовательно, в процессе расширения рабочего тела его температура уменьшается. [c.6] Выражение (8.11) показывает, что в рассматриваемом цикле нет прибыли энергии в механической форме. Результирующая работа цикла равна нулю (VTpes = Грасш сж = 0). Такой цикл можно назвать бесполезным, так как при его осуществлении от рабочего тела нельзя отобрать часть энергии в механической форме. Бесполезный цикл в дальнейшем рассматривать не будем, так как он не представляет интереса для науки и техники. [c.7] При рассмотрении процессов преобразования энергии мы использовали термин цикл , не установив его физического смысла. Из приведенных выше примеров можно уже интуитивно выяснить его смысл. Термин цикл ( циклический процесс ) указывает на непрерывное изменение состояния рабочего тела, в результате которого оно возвращается в первоначальное состояние, из которого эти изменения начались. Графически циклический процесс (цикл) изображается в виде замкнутой линии. В термодинамике рассматривают циклы, состоящие из строго определенной последовательности некоторых простейших процессов (изотермического, изохорного, изобарного, адиабатного), в результате протекания которых рабочее тело возвращается в исходное состояние. Изображенный на рис. 8.4 бесполезный цикл начинается в точке 1 и заканчивается в этой же точке 1. При этом процесс расширения 2-1 проходит точно через те же состояния, что и процесс сжатия 1-2. [c.7] Циклы бывают обратимые и необратимые. Цикл, состояпщй из равновесных и обратимых процессов, называют обратимым. Рабочее тело в таком цикле не должно подвергаться химическим изменениям. Если хоть один из процессов, входящих в состав цикла, является необратимым, то и весь цикл будет необратимым. [c.7] Величину 1Урвз называют результирующей работой цикла. Это количество энергии в механической форме можно использовать для производственных нужд. [c.8] Условный цикл, изображенный на рис. 8.5, называют прямым, так как он протекает по ходу часовой стрелки. В прямом цикле энергия, получаемая в механической форме в процессе расширения 3-4 1, больше энергии, затрачиваемой в механической форме в процессе сжатия 1-2-3. В тепловых двигателях реализуются прямые циклы. Цикл называют обратным, если он протекает против хода часовой стрелки (рис. 8.6). В холодильных машинах и тепловых насосах реализуются обратные циклы. [c.8] Для осуществления прямого или обратного цикла недостаточно иметь только рабочее тело и расширительную машину, но это стало ясно не сразу. Неясность условий протекания прямого и обратного циклов в расширительной машине не позволяла выяснить технические принципы построения тепловых машин. [c.8] Изменение параметров состояния рабочего тела в процессе нагрева на индикаторной диаграмме (рис. 8.8) изображено линией 2-3. Освободим поршень. Под действием силы давления рабочего тела поршень переместиться, увеличив объем цилиндра. Рабочее тело перейдет в состояние 3 (рис. 8.7). Следовательно, рабочее тело расширится, отдав поршню часть своей энергии в механической форме. Благодаря щюцессу подвода к рабочему телу энергии в тепловой форме (состояние 2 рис. 8.7), линия расширения 3 4 (рис. 8.8) не совпадает с линией сжатия 1-2. [c.9] Как видно на рис. 8.8, площадь фигуры под линией процесса расширения 3-4 больше площади фигуры под линией процесса сжатия 1-2. Это означает, что в процессе расширения от рабочего тела можно отвести больше энергии в механической форме, чем затратить в процессе его сжатия. Избыток энергии в механической форме, определяемый выражением (8.12), можно использовать в окружающей среде. [c.9] Рассмотренный выше цикл показывает, что для его осуществления необходимо иметь расширительную машину (цилиндр с подвижным поршнем), газообразное рабочее тело, источник тепловой энергии (для передачи ее рабочему телу путем нагревания) и приемник тепловой энергии (для охлаждения рабочего тела). [c.10] Осознание этого факта сейчас не составляет никакой сложности, но еще несколько веков назад об этом даже не велось и речи. Термодинамика как наука была тогда в зачаточном состоянии. Неясно также было, можно ли всю энергию преобразовать в циклически работающей тепловой машине из тепловой формы в механическую форму. Открытый первый закон термодинамики (всеобщий закон сохранения энергии) никаких ограничений на такое преобразование не накладывал. [c.10] Циклический процесс в тепловой машине можно организовать по-разному. Какой из циклических процессов обладает максимальной эффективностью преобразования энергии из тепловой формы в механическую форму Каким критерием можно оценить эффективность преобразования энергии в расширительной машине На эти вопросы пришлось отвечать ученым в течение последних нескольких веков. [c.10] Вернуться к основной статье