Жылу және тоңазытқыш машиналарының термодинамикалық циклдері.

Егер термадинамиканың 1^ші –заңы жылу Q және механикалық жұмыс L арасындағы өзара байланыстарды (жылудың жұмысқа, жұмыстың жылуға айналуы, бірақ бұл кезде өзгеру ешқандай шартсыз болуы мүмкін) қарастырса, термодинамиканың екінші заңы жылу және термодинамикалық процестердің бағытын сипаттайды және жұмыстың жылуға айналуы мүмкін деп шарт қояды.

Термодинамиканың екінші заңы бойынша әртүрлі ғалымдардың айтқан бірнеше тұжырымдамалары бар (Ломоносовтың, Карно, Клаузиус, Томсон және де басқалар)

1824 жылы Карно термодинамиканың екінші заңының мағынасын былай деп тұжырымдады. Жылу жұмысқа айналу үшін, кем дегенде екі жылу көзі қажет, әр түрлі температураларда

1850 жылы Клаузиус термодинамиканың екінші заңына мынадай тұжырым жасады: “Жылу суық заттан ыстық затқа өздігінен өте алмайды қосымша энергия жұмсалмай”,-деген. Осыған байланысты табиғатта біріңғай өздігінен жүріп жатады, бірақ олар қоршаған орта мен теңдеусіз күйде кері жүруі мүмкін емес, қосымша өтем болмай. Термодинамиканың екінші заңы жалпы түрде “Өздігінен өтетін құбылыстар қайтымсыз” – деп тұжырымдайды.

Термодинамиканың екінші заңының ең маңызды тұжырымдасы ол термиялық п.ә.к.-ті бірге тең жылу қозқғалтқышын жасау мүмкін емес, басқаша айтқанда жылуды толық механикалық жұмысқа айландыратын мәңгілік қозқғалтқышты жасауға болмайды.

Жылу машинасындағы жылудын жұмысқа айналу процесінің жетілдіру дәрежесін термодинамиканың екінші заңы бойынша анықтауға болады. Жұмыстық цикл кезінде оң айналымдық жұмыс болса, онда оны тура цикл деп немесе жылу қозқғалтқышының циклы деп атайды, демек l_ұлғ > l_сығ. (1,4-сурет)

Сағат тілі бағатымен өтетін PV- диаграммасында (1.4-сурет) тура айналымның (циклдың) 1 а 2- процесі ұлғаю жұмысын (l_ұл), ал 2б1 процесі сығымдау жұмысын (l_сығ) көрсетеді.

Сонымен сығылу сызығы 2-б-1, ұлғаю сызығының 1-а-2 астында орналасады, бұл жағдайда циклдегі жұмыс l_ц оң болады.

 

l_ц=l_ұл - l_сығ > 0

1.4 – сурет

Цикл кезіндегі жұмсалатын жұмыс кері жүрсе, кері айналым немесе тоңазытқыш машиналар циклы деп аталады, демек l_сж > l_расш, бұл кезде сығылу процесінің (2- а-1) ұлғаю процесінің (1-б-2) сызығынан жоғары орналасады (1.5-сурет).

 

1.5-сурет

Егер сығылу сызығы 2-а-1, ұлғаю сызығының жоғары орналаса, онда циклдағы газдың жұмысы керсінше (теріс) болады.

Термодинамикалық циклдардың тура және кері циклдары болады.

Тура циклда жылу қозғалтқыштары жұмыс істейді де, кері циклда тоназытқыш машиналары жұмыс істейді. Жылу қозғалтқыштарында жылу жұмысқа ауысады. Бұл кезде сыртқы (Т₁, q₁) жоғарғы температура көзінең жылу беріледі және төменгі температура көздерінен жылу алынады(Т₂ q₂). Практикада жылу қозғалтқыштарында қолданылатын жылудың ыстық көзі ретінде отынды жағудың химиялық реакциясын, ал жылудың салқын көзі ретінде – қоршаған ортаны айтуға болады.

Энергияның сақталу заңына сәйкес, жылу қозғалтқышынан алынған циклдік жұмысты l_ц > 0 және оның мағынасын түсіндіру үшін жылу қозғалтқыштың термодинамикалық схемасын қарастырайық (1.6-сурет)

 

1.6-сурет

Іс жүзінде барлық жылу двигательдеріндегі жылу көзі ретінде отынды жаққанда жүретін химиялық немесе ішкі ядролық реакциялар қолданса, ал салқын жылу көзі ретінде қоршаған ортаны – атмосфераны қолданады. Жұмысшы дене ретінде газ не бу пайдаланылады. Тура циклдардың нәтижелілік сиппатамасы болып термиялық пайдалы әсер коэффициент (ПӘК) болып есептеледі.

Циклде двигатель жасаған жұмыстың l_ц берілген жылу мөлшеріне қатнасын циклдың термиялық пайдалы әсер коэффициенті деп η_t атайды.

η_t= (1.3.1)

Тоңазытқыш машиналарында жылуды тасымалдау процесі төменгі температурадағы жылу көзден (T₂, q₂) жылулықты жоғарғы температурадағы жылу көзге (T₁, q₁), тасымалдау арқылы іске асады, себебі бұл процесті іске асыру үшін тоңазытқыш машинаға жұмсалған жұмыс сырттан беріледі. Сонда төменгі жылу көз q₂ мөлшердегі жылулықты береді, ал жоғарғы жылу көз q₁= q₂+l_ц мөлшердегі жылулықты алады, сонымен тоңазытқыш машина жұмысы l_ц<0. (1.7- сурет). Тоңазытқыш машинаның термодинамикалық схемасы.

 

 

1.7-сурет

Кері циклда жұмыс l_ц жылуға q₁ ауысады немесе оның жетілдік дәрежесі тоңазытқыш коэффициентімен ε анықталады.

Тоңазытқыш коэффициент тоңазытқыш камерадан цикл бойынша алынған жылу мөлшерінің, осы циклда жұмсалған жұмысқа қатнасы арқылы таблады.

ε= (1.3.2)

Әдебиеттер:2 [30-33]; 4 [29-32]; 5 [36-39].

Бақылау сұрақтары:

1. Термодинамиканың екінші заңының маңызы неде?

2. Қандай циклді тура және қандай циклді кері деп атайды?

3. Термодинамиканың екінші заңының негізгі айтылулары.

4. Тура және кері циклдер бойынша жұмыс жасайтын жылу машиналары не үшін қызмет істейді?

5. Термиялық п.ә.к. дегеніміз не?

6. Жылу қозғалтқышының термиялық п.ә.к.-ті қай шарттарда нольге тең болуы мүмкін?

7. Тура және кері циклдердің тиімділігі немен бағаланады?

8. Карно циклының термиялық ПӘК-нің формуласының маңызы неде?

Карно циклы

Теориялық циклда Т₁ және Т₂ температуралары аралығындағы термиялық п.ә.к. ең жоғары болуы мүмкін болатынын француз ғалымы Сади Карно 1824 ж. айтқан болатын.

Тура Карно циклы (1.8, а - сурет): екі изотермадан 1-2, 3-4 және екі адиабаттан 2-3, 4-1 турады. 1.8, а суреттегі 1-2 сызығының жолында тұрақты температурада Т₁ жылу q₁ беріледі де, ал 3-4- жолында q₂ жылу қабылдағышқа жіберіледі.

 

 

 

1.8 а, б – сурет. Карно циклы: а) тура; б) кері

Карно циклі тура өтіп қана қоймайды, сонымен қатар ол қайтымды (кері) циклдеде өтеді.(1.8, б - сурет). Карноның кері циклің іске асыру үшін, әр түрлі температурадағы екі жылу көзі қажет – жылу бергіш (q₂) және жылу қабылдағыш (q₁)

Тура Карно циклінің термиялық п.ә.к. η=1-Т₂/Т₁ , ал Карноның кері циклдағы тоңазытқыш коэффициенті е=Т₂/Т₁-Т₂= .

Тура Карно циклі жылу двигательдерінің кез келген циклдарын жетілдіруде баға беру үшін қолданалады. Карноның тура циклының термиялық п.ә.к.-ті және кері циклінің тоңазытқыштық коэффициентті заттардың қасиетіне тәуелді емес, бірақ жылу беру және жылу қабылдауыштардың абсолюттік температураларына байланысты болады. Бұл Карно теоремасының негізгі мағынасы.

Тоңазытқыш және жылыту техникалында кері циклдарындың салыстырмалы нәтижелегіп анықтау үшін Карноның кері циклі үлгі ретінде (эталон) қолданылады.

Сонымен Карно циклы – жылуды жұмысқа (немесе жұмысты жылуға) толық айналдыратын қайтымды айналмалы процесс.