ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Ограничение эффективности тепловых машин. Цикл Карно. Второй закон термодинамики из "Основы теории тепловых процессов и машин Часть 2 Издание 3 " Организовать такой циклический процесс на протяжении более 18 веков не представлялось возможным. Дело было не в технической сложности организации циклического процесса, а в неясности условий, необходимых для его реализации. [c.11] Впервые правильно поставил и решил эту задачу военный инженер Сади Карно (1796-1832 гг.) —сын военного министра при Наполеоне и дядя будущего президента Французской республики. Он прожил короткую, но яркую жизнь, оставив в науке глубокий след. За свою жизнь он опубликовал всего лишь. .. одну книгу Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу, вышедшую в 1824 г. Вначале эта работа осталась почти не замеченной в научных кругах. Она не оказала тогда влияния на развитие науки и техники. По достоинству работа Карно была оценена лишь после его смерти, когда была издана Б. Клапейроном в 1834 г. с его комментариями. Причиной такого запоздаг лого признания труда С. Карно явилось то, что большая часть приводимых в ней выводов была получена на основании материальной ( теплородной ) теории, доверие к которой в то время уже было сильно подорвано. [c.11] Карно был первооткрывателем одного из основных законов термодинамики — ее второго начала, определяющего возможность осуществления, налравление и пределы развития термодинамических процессов. [c.11] Огромная заслуга Карно состоит и в том, что он был основателем теории циклов (циклических процессов). [c.11] Наблюдая действие паровой машины, Карно понял, что суть происходящих в ней процессов заключается в следующем. Некоторое количество воды попадает в котел, где она превращается в пар. Пар поступает в цилиндр, где расширяется, перемещая поршень. Затем пар выпускается в холодильник (конденсатор), где он снова превращается в жидкую воду (конденсируется). [c.11] прежде всего, осознал, что одно нагретое тело само по себе не может производить работу. Для того чтобы построить тепловой двигатель, необходимо, кроме нагретого тела (нагревателя), иметь еще и второе тело с температурой более низкой (холодильник). [c.11] Карно сумел понять важный наз чный факт чтобы паровая машина работала непрерывно (циклически), она должна отдавать тепло (энергию в тепловой форме) охлаждающей воде в конденсаторе, а не только поглощать тепло (энергию в тепловой форме) от топлива в котле. Иначе говоря, для непрерывного совершения работы необходима передача части тепловой энергии от высокотемпературного источника — огня к низкотемпературному стоку — охлаждающей воде. [c.12] Следует отметить, что Карно при конструировании своего цикла использовал метод аналогий, опираясь на теплородную теорию теплоты. Схема машины Карно показана на рис. 8.9. Поток теплорода Q (ширина полосы соответствует ее количеству) падает с температуры Тх ( с высоты Н ь) на более низкую температуру Тг Тх ( на высоту / г )- При этом производится работа по поднятию груза. Нетрудно заметить, что такое объяснение работы тепловой машины возникло по аналогии с гидравлической машиной (например, водяной мельницей), только роль воды играет теплород , а напора, обусловленного высотой падения воды ДЛ = Лх—/ 2 — разность температур ДТ = Гх — Тг. Количество воды С, как и количество теплорода Ql, не меняется — сколько входит, столько и выходит ( 2 = Ql) На первых порах такая теория была вполне приемлемой, тем более что из нее следовал правильный вывод тепловая машина может работать только при наличии разности температур (как и водяная мельница — только при наличии разности высот воды). Бели ДТ = О, то теплота будет мертвой (неработоспособной), как мертвая вода Леонардо да Винчи при ДЛ = 0. [c.12] Сначала мы сами проведем некоторые обобщающие рассуждения с целью поиска такой схемы циклического процесса, при которой можно получить максимум полезной работы (энергии в механической ( рме). Под понятием полезная работа будем понимать ту часть положительной работы, которую можно использовать по своему усмотрению в окружающей среде. [c.13] С геометрической точки зрения работа (количество механической энергии) интерпретируется площадью под графиком процесса в У-р-координатах (индикаторная диаграмма). Для сжатия рабочего тела требуется подвод к поршню (рис. 8.1) энергии в механической форме извне. Эту работу по сжатию ра1бочего тела считают отрицательной величиной (знак указывает только на то, что работа совершается не рабочим телом, а окружающей средой над ним). Если рабочее тело расширяется, оно само совершает работу над поршнем, которую считают положительной. Следовательно, чтобы цикл имел максимально возможный КПД, необходимо получить максимум работы при расширении рабочего тела и затратить минимум работы при его сжатии. [c.13] Следовательно, при организации в расширительной машине циклического процесса необходимо выбрать такую комбинацию ранее рассмотренных процессов, чтобы на индикаторной диаграмме площадь фигуры под линией расширения была максимальной, а под линией сжатия — минимальной. [c.14] Несмотря на ложность исходного положения о неуничтожимости теплорода, Карно приходит к правильным выводам о том, в каком направлении происходит процесс в тепловой машине и каково условие его наиболее выгодного использования. [c.14] Второй этап расширения — от точки 2 до точки S по индикаторной диаграмме (рис. 8.12). На этом этапе тепловое взаимодействие между рабочим телом и нагревателем отсутствует (рис. 8.13). На цилиндр как бы устанавливают тепловой изолятор. Рабочее тело продолжает расширяться без подвода тепловой энергии, совершая при этом работу по перемещению поршня (энергия передается поршню в механической форме). Такой процесс расширения называют адиабатическим. Внутренняя энергия тела уменьшается, поскольку она превращается в кинетическую энергию подвижных частей (окружающая среда) посредством работы (механического взаимодействия). Следовательно, температура рабочего тела уменьшается от Ti до Гг, соответствующей точке S на индикаторной диаграмме. Так как тепловая энергия не подводится к рабочему телу и не отводится от него, то процесс расширения адиабатический. На индикаторной диаграмме (рис. 8.12) он показан линией 2-3. Точка 3 на индикаторной диаграмме соответствует положению поршня в НМТ. [c.15] Первый этап расширения 1-2 (рис. 8.12) должен проходить при условии расположения линии расширения на максимальном удалении от оси объемов, что позволит получить максимально возможную работу расширения. Этому условию больше всего удовлетворяет изотермический процесс. На индикаторной диаграмме изотерма проходит плавно (снижается мало). Второй этап расширения 2-3 является конечным, поскольку поршень должен прийти в положение НМТ. Его необходимо провести так, чтобы конечная точка 3 процесса находилась на минимально возможном удалении от оси объемов, поскольку после полного расширения рабочего тела должен последовать процесс его сжатия с целью замыкания циклического процесса. Поэтому на втором этапе 2-3 расширение рабочего тела необходимо провести так, чтобы совершалась положительная работа при резком падении давления. Этому условию удовлетворяет адиабатический процесс, так как адиабата проходит круче изотермы. Из индикаторной диаграммы видно, что изотерма 1-2 проходит положе, чем адиабата 2-3. [c.16] После завершения процесса расширения (точка 5) рабочее тело будет сжиматься из-за обратного движения поршня. Сжатие рабочего тела осуществляется также в два этапа. [c.16] Первый этап сжатия осуществляется от точки 3 до точки 4 (рис. 8.12). На этом этапе сжатия рабочее тело через нематериальную стенку цилиндра приводится в контакт с холодильником (рис. 8.14). [c.16] Второй этап сжатия —от точки 4 ДО точки 1 (исходной точки) по индикаторной диаграмме (рис. 8.12). Для того чтобы замкнуть цикл, последний (второй) этап сжатия необходимо провести более круто (для замыкания цикла в точку 1). Нетрудно понять, что последний этап сжатия 4 1 рабочего тела должен происходить без обмена энергией в тепловой форме с окружающей средой, т. е. быть адиабатическим (рис. 8.15), так как адиабата значительно круче изотермы. [c.17] Таким образом, в результате осуществления четырех процессов цикл Карно замыкается в точке 1. Рабочее тело прошло полный замкнутый цикл, а поршень совершил два хода (такта). При этом следует заметить, что в цикле Карно рабочее тело не покидает пределов системы (не выбрасывается наружу), т. е. рассматриваемая термодинамическая система (рабочее тело) не обменивается веществом с окружающей средой (является закрытой). [c.17] Теперь оценим суммарный результат рассмотренного циклического процесса. Индикаторная диаграмма цикла Карно представлена на рис. 8.12. На этапах расширения 1-2 я 2-3 газ совершал положительную работу (энергия отводилась от рабочего тела в окружающую среду в механической форме) на этапах сжатия 3-4 и 4 1 работа совершалась над газом (ей приписывается знак минус ). Следовательно в процессе расширения термодинамическая система (газ) совершает работу над окружающей средой (перемещает поршень, с которым может быть связан любой агрегат, устройство), а в процессе сжатия окружающая среда (поршень) совершает работу над термодинамической системой (газом). Площадь 1-2-3-6-5 на индикаторной (рабочей) диаграмме эквивалентна энергии И расш, отводимой от рабочего тела в окружающую среду в механической форме. Площадь 3-4-1-5-6 эквивалентна энергии Жж, подводимой к рабочему телу из окружающей среды в механической форме. [c.18] В первом случае цикл называют прямым. Во втором случае цикл называется обратным. [c.18] Вернуться к основной статье