Тепловые двигатели

Оглавление

І. ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ 2

Применение  первого начала термодинамики к  изопроцессам. 5

ІІ. АДИАБАТНЫЙ ПРОЦЕСС 8

Уравнение Пуассона. Работа газов. 10

Применение  в технике 12

1. Использование адиабатного процесса испарения для снижения температуры приточного воздуха. 12

2. Сжижение газов. 13

3. Сжижение газов 14

4.Адиабатный двигатель с внешним подводом теплоты (двигатель внешнего сгорания, двигатель Стирлинга) 18

5. Адиабатное дросселирование 21

ІІІ. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ 23

История развития тепловых двигателей. 23

Типы  двигателей 26

Карбюраторные поршневые двигатели. 31

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя 33

Дизельные двигатели 35

Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя 35

Двигатель Стирлинга 36

Роторно-поршневой двигатель Ванкеля 41

Альтернативные  двигатели внутреннего сгорания 44

Список  использованной литературы 50

 

 

І. ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

Первое начало термодинамики, один из двух основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для систем, в которых существенное значение имеют тепловые процессы. П. н. т. было сформулировано в середине 19 веке в результате работ Ю.Р. Майера, Дж. Джоуля и Г. Гельмгольца

Первое начало термодинамики  относится к одному из фундаментальнейших законов физики макросистем, оно  является обобщением очень большого экспериментального материала и  представляет собой по сути обобщенный закон сохранения энергии на тепловые процессы в самом общем виде.

Существует несколько  эквивалентных формулировок первого  начала термодинамики

Количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии и совершение работы против внешних сил

Изменение внутренней энергии  системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме  работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе и  не зависит от способа, которым осуществляется этот переход

Изменение полной энергии  системы в квазистатическом процессе равно количеству теплоты Q, сообщённому  системе, в сумме с изменением энергии, связанной с количеством  вещества N при химическом потенциале μ, и работы A', совершённой над  системой внешними силами и полями, за вычетом работы A, совершённой  самой системой против внешних сил

ΔU = Q − A + μΔN + A'.

Разделение работы на две  части, одна из которых описывает  работу, совершённую над системой, а вторая — работу, совершённую  самой системой, подчёркивает, что  эти работы могут быть совершены  силами разной природы вследствие разных источников сил.

Наши ученые пока еще не могут даже для простейших тел  точно определить величину внутренней энергии. Непосредственно же в эксперименте проявляются только изменения внутренней энергии (A U), и все закономерности, установленные на основании эксперимента, также относятся лишь к изменениям внутренней энергии. Эти изменения  проявляются либо в виде тепла (Q), либо в виде какой-то другой формы  энергии. Поскольку все виды энергии, за исключением тепла, могут быть в принципе без всяких ограничений  превращены в „работу или друг в друга, в термодинамике все  они объединяются под одним названием - работа (А).

Такая классификация различных  видов энергии позволяет сформулировать первое начало термодинамики: увеличение внутренней энергии (A U) какого-либо тела определяется количеством подведенного тепла и работой, произведенной  над этим телом или системой (работу производят внешние силы). Математически  этот закон выражается так:

AU = Q + A.

Если в изучаемом процессе тело теряет тепло, то Q отрицательно (если тело производит внешнюю работу, то отрицательно А).

Из первого начала термодинамики  вытекает целый ряд закономерностей, представляющих не только теоретический  интерес, но и имеющих важное практическое значение, например при конструировании  тепловых двигателей. Однако этот закон, несмотря на его особую важность и  всеобщность, отражает лишь одну сторону  явления. Первое начало термодинамики  показывает взаимосвязь различных  видов энергии в процессе  их превращения, но не говорит о том действительно ли произойдет в данных условиях это превращение, в каком направлении пойдет процесс и каков будет результат превращения: возникнет ли один или несколько видов энергии. Первое начало термодинамики не указывает на особенности термической энергии или тепла, отличающих их от других видов энергии. Особые свойства термической энергии и ограничения, наложенные на возможность ее превращения в другие виды энергии отражены во втором начале термодинамики, Этот закон отвечает на основной вопрос: при каких условиях и в каких соотношениях тепло может быть превращено в работу или другие виды энергии?

Изменение энергии системы, происходящее под действием сил  измеряется работой. Если термодинамическая система совершает работу против внешних сил, то работа считается положительной (А>0). Если работу над  системой совершают внешние силы, то она считается отрицательной (А< 0).

Изменение энергии системы, происходящее в результате теплообмена, определяется количеством переданной или отнятой теплоты Q. При теплообмене тела систем должны находится в тепловом контакте, т.е. молекулы этих систем должны иметь возможность сталкиваться при своем движении и обмениваться своей кинетической энергией. Если энергия (теплота) передается системе, то  Q>0, если она от системы отнимается, то Q<0. Итак, работа и теплота – это две формы передачи энергии от одних тел другим. Поскольку внутренняя энергия - это механическая энергия всех молекул, то при всех ее изменениях должен соблюдаться закон сохранения энергии.  Применительно к термодинамическим процессам этим законом  является первое начало термодинамики, установленное в результате обобщения опытных данных. Опыт показал, что при любом способе перехода системы из состояния 1 в состояние 2 изменение внутренней энергии системы ΔU = U₁ - U₂ определяется количеством теплоты Q, полученной системой, и работой А, совершенной системой против внешних сил (получаемое тепло увеличивает энергию системы, а работа системы над внешней средой уменьшает ее) :

ΔU = Q – A или Q = ΔU + A

В дифференциальной форме (для  малых изменений величин) это  запишется следующим образом:

δQ = dU + δA ,

где δQ -  бесконечно малое количество теплоты, dU – бесконечно малое изменение внутренней энергии,  δA – элементарная работа. Это уравнение выражает первое начало термодинамики: теплота, подводимая к системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил. Знак δ в δQ и δА означают, что данные элементарные приращения не являются полными дифференциалами и, следовательно, А и Q не являются функциями состояния.

Пусть газ заключен в цилиндрический сосуд, закрытый легко скользящим поршнем  площадью S. Найдем работу газа при расширении его объема  δA = Fdl = pSdl =pdV, где F – сила, с которой газ действует на поршень, dl – перемещение поршня. Если зависимость р(V) изобразить графически, то общая работа при изменении объема от V₁ доV₂ равна площади фигуры, ограниченной кривой р(V), осью абсцисс и прямыми V= V₁ и V= V₂  (рис.1.).  Графически можно изображать лишь равновесные процессы, и все количественные выводы термодинамики строго применимы только к равновесным процессам. При достаточно медленном протекании реальные процессы можно приближенно считать равновесными. Первое начало термодинамики выполняется во всех процессах, связанных с обменом энергией и совершением работы.

Применение первого начала термодинамики  к изопроцессам.

Различают следующие виды термодинамических процессов:

1. Изохорный  - это процесс, протекающий при постоянном объеме. V=const. На диаграмме в координатах (р, Т) он изображается прямой, называемой изохорой. При изохорном процессе газ не совершает работы над внешними телами, так как dV=0. Вся теплота, сообщаемая газу, идет на увеличение его внутренней энергии и отсюда I начало термодинамики для изохорного процесса δQ = dU.  Для одного моля δQ_м=dU_м , где dU_м=С_VdT. Изохорным является процесс сгорания топлива в карбюраторном двигателе.

2. Изобарный – это процесс, протекающий при постоянном давлении. Прямая, изображающая этот процесс в координатах (V,T), называется изобарой. (Первое начало термодинамики для

изобарного процесса δQ = dU + δA. Так давление не меняется, то работа газа при увеличении объема от V₁ до V₂ равна

Теплота, сообщаемая газу массой m в изобарном процессе, при этом его внутренняя энергия возрастает на величину

так как внутренняя энергия  идеального газа не зависит от давления и объема, а определяется лишь температурой. При изобарном нагревании к системе  подводится тепло δQ >0 и δA >0, так как газ расширяется. При изобарном сжатии направление процесса меняется на противоположное и теперь тепло отводится от системы, т.е. δQ <0 и δA <0, так как работу над газом совершают внешние силы. dU также будет меньше нуля. Примером изобарного процесса может служить процесс образования пара в паровых котлах или сгорания топлива в воздушно-реактивных двигателях.

3. Изотермический – это процесс, протекающий при постоянной температуре. Кривая, построенная в координатах (р, V), называется изотермой. Она представляет собой гиперболу (рис.2.), расположенную на диаграмме тем выше, чем выше температура, при которой происходит процесс. Так как при Т = const внутренняя энергия идеального газа не изменяется, то dU = 0 и первое начало термодинамики для изотермического процесса примет вид: δQ = δА. Теплоемкость при изотермическом процессе С_Т =δQ/dT=δQ/0 = ∞ и не имеет смысла. Изотермический процесс осуществляется при наличии термостата (внешней среды или тела с большим запасом внутренней энергии, находящемся при той же температуре).

Найдем работу изотермического  расширения газа, учитывая, что все  количество теплоты, сообщаемое газу, расходуется на совершение им работы против внешних сил и не изменяет его температуру. Учитывая формулу  для работы и уравнение Менделеева-Клайперона, получаем

Примерами изотермических процессов  являются закалка и отжиг сталей в процессе их изготовления. Существуют автомобили и вагоны – рефрижераторы, служащие для перевозки скоропортящихся  продуктов. Они имеют теплоизолированный кузов и холодильники для поддержания  внутри постоянной температуры и  поэтому процесс перевозки продуктов  в таких условиях можно назвать  изотермическим..

4. Адиабатический процесс. Адиабатическим называется процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой, т.е.  δQ = 0, Q = const. Так как δQ = 0, первое начало термодинамики имеет вид:  δА=-dU т.е. работа совершается за счет внутренней энергии газа. Если газ расширяется, то δА>0, dU<0 и температура газа уменьшается. Если происходит сжатие газа, то δА<0 и dU>0. Работу над газом совершают внешние силы, внутренняя энергия (а, значит, и температура) газа повышается. Реализовать адибатический процесс можно, если проводить его либо при хорошей теплоизоляции от окружающей среды, либо быстро за короткое время, при котором теплообмен будет мал.

 

ІІ. АДИАБАТНЫЙ ПРОЦЕСС

Адиабатный процесс - термодинамический  процесс в теплоизолированной системе.

Уравнение адиабатного процесса имеет  вид:

где k =cp/cv - показатель адиабаты для идеального газа.

Графически адиабатный процесс  на p-v-диаграмме изображается неравнобокой гиперболой, называемой адиабатой. Адиабата круче изотермы, так как к >1.

Рис. 4 Адиабатный процес

Связь между параметрами процесса определяется, используя уравнение  адиабаты и уравнение состояния  газа pv = RT:

Изменение внутренней энергии для  вещества определяется по формуле:

Работа в адиабатном процессе, совершенная 1 кг газа, может быть определена из уравнения первого закона термодинамики :

Так как в адиабатном процессе q=0, то:

 и

то есть работа расширения в адиабатном процессе совершается за счет уменьшения внутренней энергии газа.

Адиабатный процесс протекает  без подвода теплоты, следовательно Q=0.

При быстром сжатии (расширении) теплообмен произойти не успевает и процессы можно рассматривать как адиабатные (неравновесные). Поэтому любой газ  при быстром сжатии нагревается (например, нагревание насоса при накачивании  велосипедной шины). При сильном  и быстром сжатии воздуха температура  может повыситься настолько, что  при наличии в воздухе паров  бензина они воспламеняются. Это  используется в дизельных двигателях для зажигания горючей смеси. Этим объясняется необходимость  специального охлаждения мощных компрессоров.

Охлаждение воздуха при адиабатном расширении вызывает образование облаков.

 Примерами адиабатных процессов могут служить процессы сжатия воздуха в цилиндре воздушного огнива, в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. В соответствии с первым законом термодинамики, при адиабатном сжатии изменение внутренней энергии газа равно работе внешних сил А:

Так как работа внешних  сил при сжатии положительна, внутренняя энергия газа при адиабатном сжатии увеличивается, его температура  повышается.

При адиабатном расширении газ совершает работу A' за счет уменьшения своей внутренней энергии, поэтому температура газа при адиабатном расширении понижается. Это можно обнаружить в следующем опыте. Если в бутылку, содержащую насыщенный водяной пар, накачивать с помощью насоса воздух, то пробка вылетает (рис.5 ).

Работа A' по выталкиванию пробки совершается воздухом за счет уменьшения его внутренней энергии, так как расширение воздуха происходит за очень короткое время и теплообмен с окружающей средой не успевает произойти. Образование капель тумана доказывает, что при адиабатном расширении воздуха его температура понизилась и опустилась ниже точки росы.

Поскольку при адиабатном сжатии температура газа повышается, то давление газа с уменьшением объема растет быстрее, чем при изотермическом процессе. Понижение температуры  газа при адиабатном расширении приводит к тому, что давление газа убывает  быстрее, чем при изотермическом расширении.