Теоретические основы преобразования энергии в тепловых двигателях

Циклы ПТУ, ГТУ и ДВС.

Одним из основных в технической термодинамике является понятие о термодинамической системе. Термодинамическая система — это совокупность тел, находящихся во взаимодействии как между собой, так и с окружающей средой.

Соответственно, окружающая среда — совокупность внешних тел и систем тел, взаимодействующих с рассматриваемой термодинамической системой. Простым примером термодинамической системы, взаимодействующей с окружающей средой, может служить газ или пар, производящий работу в цилиндре теплового двигателя против сил внешней среды. Другой пример – газ или пар, заключенный в оболочку и получающий тепло из окружающей среды.

Взаимодействие термодинамической системы с окружающей средой может быть различного рода: механическим, тепловым, химическим, электрическим и т. д.

Из всех возможных видов взаимодействия между системой и окружающей средой в технической термодинамике рассматриваются первые два —

механическое взаимодействие (обмен механической энергией, т.е. совершение

механической работы L) и тепловое взаимодействие (обмен тепловой энергией Q). Также между термодинамической системой и окружающей средой

возможно массовое взаимодействие (обмен веществом, т.е. массой M).

Для теплового взаимодействия термодинамической системы с окружающей средой вводятся понятия теплоотдатчика и теплоприёмника.

Теплоотдатчик – это внешнее тело (система тел) окружающей среды, которая сообщает (отдаёт) термодинамической системе тепловую энергию. Соответственно, теплоприёмник — внешнее тело (тела) окружающей среды, которое воспринимает тепловую энергию от термодинамической системы.

 

В общем случае различают следующие виды термодинамических систем

изображённые на слайде.

Открытая система – термодинамическая система, у которой кроме механического и теплового взаимодействия, также происходит обмен веществом с окружающей средой.

Закрытая система – система, у которой есть механическое и тепловое взаимодействие, а обмен веществом с окружающей средой отсутствует.

Адиабатная система – система, у которой есть механическое взаимодействие.

Изолированная система – система, у которой отсутствует обмен как механической и тепловой энергией, так и веществом с окружающей средой.

 

Тепловой машиной называют техническое устройство, в котором возможно непрерывное взаимное преобразование тепловой и механической энергии через тепловое и механическое взаимодействие тепловой машины с окружающей средой (в том числе с теплотдатчиком и с теплоприёмником).

Вещество (газ или пар), посредством которого тепловая энергия в тепловой машине преобразуется в работу (механическую энергию) или наоборот, работа преобразуется в тепловую энергию, называется рабочим телом и оно считается термодинамической системой тепловой машин.

Рассмотрим, что называется термодинамическим процессом.

Состояние газа, при котором во всех точках занимаемого им объема его параметры имеют одно и то же значение, называют равновесным состоянием.

В результате взаимодействия рабочего тела (системы) и окружающей среды будет изменяться состояние рабочего тела. Непрерывная последовательность разных состояний рабочего тела образует термодинамический процесс.

Процесс, состоящий из непрерывной последовательности равновесных состояний рабочего тела, называется равновесным процессом. Всякий реальный процесс является процессом неравновесным.

Характерная особенность обратимых процессов заключается в том, что для них существуют процессы, в которых рабочее тело в течение обратного процесса проходит в обратной последовательности через все состояния прямого процесса и возвращается в исходное состояние без возникновения изменений в рабочем теле и в окружающей среде.

Все известные нам процессы, непрерывно протекающие в природе и технике, являются необратимыми процессами.

Однако термодинамика обычно рассматривает только обратимые процессы в идеализированных системах, считая их происходящими бесконечно медленно. Применение этого метода основывается на том, что подавляющее большинство процессов, с которыми приходится иметь дело на практике, мало отличаются от обратимых.

 

Рабочее тело в каждом состоянии обладает определенным запасом внутренней энергии, определяемой заданным состоянием рабочего тела, т.е. любыми двумя независимыми параметрами.

Дадим определение внутренней энергии.

С молекулярной точки зрения внутренняя энергия складывается из кинематической энергии поступательного и вращательного движения молекул, потенциальной энергии молекул, т.е. энергии взаимного расположения молекул, обусловленной силами межмолекулярного воздействия, и полной энергии колебательного движения атомов, составляющих молекулу.

У идеального газа отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия,поэтому потенциальная энергия равна нулю. Следовательно, внутренняя энергия идеального газа от объема или давления не зависит, а зависит только от температуры газа.

Поэтому внутренняя энергия есть функция состояния рабочего тела.

 

Познакомимся с первым законом термодинамики.

Работа изменения объема, производимая рабочим телом, против действия внешних сил при его расширении, называется работой расширения, а работа, производимая внешними силами, над рабочим телом при его сжатии – работой сжатия.

В двух процессах, происходящих между одинаковыми начальными и конечными состояниями, работа различна. Следовательно, работа зависит от характера термодинамического процесса, т.е. она является функцией процесса.

На рисунке горизонтальная область — работа изменения давления. Вертикальная — изменения объема.

 

Первый закон термодинамики представляет собой закон сохранения и

превращения энергии в применении к задачам, решаемым термодинамикой.

Если к рабочему телу подводится некоторое количество тепла, то часть

тепла может пойти на увеличение внутренней энергии рабочего тела, а осталь-

ная часть – на совершение работы. Отсюда для любого процесса можно сфор-

мулировать закон – первый закон термодинамики: Теплота, подведенная к