Рабочему телу в каком - либо термодинамическом процессе, расходуется на

изменение внутренней энергии рабочего тела и на совершение работы.

Обозначим количество тепла, подведенного к 1 кг рабочего тела в про-

цессе между состояниями 1 и 2, через q ₁₂, а элементарное количество подво-

димого тепла через dq; тогда, согласно первому закону термодинамики, сле-

дует записать

dq = du  dl,

q ₁₂= u ₂− u ₁ l ₁₂.

Для любого количества рабочего тела массой M эти уравнения имеют

вид

dQ = dU  dL

Q ₁₂= U ₂− U ₁ L ₁₂.

В развернутом виде уравнение первого закона термодинамики запишется

так:

dq = du  p ⋅ dv.

 

Для удобства теплотехнических расчетов сумму  u  pv  рассматривают как термодинамический параметр состояния — энтальпию (Дж/кг).

h=upv

где u – внутренняя энергия (Дж/кг); p – абсолютное давление (Па); v — удельный объем (м3/кг).

Энтальпия (от греч. enthálpo — нагреваю)(теплосодержание, тепловая функция Гиббса) - термодинамический потенциал, характеризующий состояние термодинамической системы при выборе в качестве основных независимых переменных энтропии S и давления р.

Энтропия - функция состояния термодинамической системы, изменение которой dS для бесконечно малого обратимого изменения состояния системы равно отношению кол-ва теплоты Q, полученного системой в этом процессе (или отнятого от системы), к абсолютной температуре Т.

 

Передача части внутренней энергии тела в термодинамическом процессе может происходить в форме теплоты или в форме работы.

Запишем определения.

Теплота, представляет собой одну из форм передачи части внутренней энергии от одного тела к другому и, одновременно, количество энергии, переданной данным способом. Характерной особенностью этой формы передачи энергии является то, что осуществляется она энергетическим взаимодействием между молекулами, участвующими в процессе тел, т.е. при этом отсутствует видимое движение тел.

Так как теплота представляет собой часть внутренней энергии, передаваемой в термодинамическом процессе, обычно условно считается, что теплота подводится или отводится от тела. При этом энергия, отведенная в форме теплоты (отведенная теплота), считается отрицательной, подводимая в форме теплоты (подведенная теплота) - положительной.

Работа, являющаяся также одной из форм подачи части внутренней энергии, отличается от теплоты тем, что эта форма связана с видимым, направленным движением тел. Работа, так же как и теплота, представляет собой часть внутренней энергии тел, передаваемой в термодинамическом процессе.

По принятому в термодинамике условному правилу считается, что если энергия в форме работы отводится от тела, то при этом тело совершает положительную работу, и наоборот, если к телу подводится энергия в форме работы, то работа совершается над телом и эта работа считается отрицательной.

Теплота, так же как и работа, является функцией термодинамического процесса.

 

Далее рассмотрим второй закон термодинамики.

Важнейшим событием в истории термодинамики явилась публикация сочинения французского физика и инженера Сади Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», первое издание которого появилось в 1824 году. Именно в этом труде впервые появилось упоминание второго начала термодинамики. Далее идеи Карно развили Томпсон и Клаузиус.

В применении к задачам технической термодинамики второй закон термодинамики может быть сведен к следующему положению: невозможно осуществить цикл в результате только подвода теплоты к рабочему телу или только отвода от него.

Первый закон термодинамики отмечает возможность перехода теплоты в работу и определяет их количественную зависимость, но не касается условий, при которых возможен переход теплоты в работу. Второй закон термодинамики устанавливает эти условия. Условиями перехода теплоты в работу является наличие холодильника наряду с наличием источника теплоты, т.е. наличие температурного перепада.

Разные авторы дают различные формулировки второго закона термодинамики в зависимости от того, куда они его применяют (их множество). Формулировка второго закона термодинамики применительно к тепловым двигателям гласит, что нельзя построить «вечный двигатель второго рода», т.е. двигатель, который бы полностью преобразовывал подведенную теплоту в работу.

 

Итак, в результате действия второго закона термодинамики в прямом цикле только часть теплоты, подводимой к рабочему телу, превращается в работу. Для оценки экономичности цикла используют отношение работы за цикл к подводимой теплоте.

Это отношение называют термическим коэффициентом полезного действия цикла (термическим к.п.д. Цикла).

 

Обратные или холодильные циклы используются для переноса теплоты от тел менее нагретых к более нагретым. Этот процесс, согласно второму закону термодинамики, не может протекать без затраты работы.

В качестве основной характеристики эффективности обратных циклов принимается величина так называемого холодильного коэффициента, равного отношению теплоты, отводимой от охлаждаемого тела, к затраченной для этого работе

Машины, основным продуктом производства которых является теплота, передаваемая в источник ограниченной емкости, называются тепловыми насосами. Эффективность работы в этом случае оценивается отопительным коэффициентом, представляющим собой отношение теплоты, переданной потребителю, к затраченной работе.

В цикле теплового насоса теплота отбирается от источника неограниченной емкости (например, атмосфера).

 

В термодинамике рассматриваются идеальные циклы, поэтому они только условно могут характеризовать работу реальных тепловых двигателей или тепловых установок. Несмотря на это, исследование их экономичности имеет большое значение. Термические к.п.д. этих циклов оказывают решающее влияние на общую экономичность установок.

Циклы, так же как и разомкнутые термодинамические процессы, могут быть обратимыми циклами и необратимыми циклами.

Для необратимости цикла в целом достаточно, чтобы процесс протекал необратимо хотя бы на части цикла.

При осуществлении обратимого цикла будет получена максимальная полезная работа и она всегда будет больше работы необратимого цикла, протекающего в той же системе, в какой протекал обратимый цикл. При этом в обратимом цикле большая часть подведенной к рабочему телу теплоты будет превращена в полезную работу. Таким образом, у обратимого цикла, по сравнению с необратимым, термический коэффициент полезного действия будет выше.

Обратимым называют цикл, который можно провести как в прямом, так и в обратном направлении в замкнутой системе. Суммарная энтропия системы при прохождении такого цикла не меняется. Единственным обратимым циклом для машины, в которой передача тепла осуществляется только между рабочим телом, нагревателем и холодильником, является Цикл Карно.

 

Теперь подробнее о цикле Карно.

В развитии теории термодинамики большое значение имеет цикл максимальной экономичности в системе, имеющей только два источника теплоты различных постоянных температур. Впервые такой цикл предложил французский инженер Сади Карно в 1824 году.

Имеется система с двумя источниками теплоты: источник теплоты с температурой T₁=const и холодильник с температурой T₂=const. В такой системе цикл максимальной экономичности должен протекать при подводе теплоты q₁ к рабочему телу по изотерме T₁=const и с отводом теплоты q₂ по изотерме T₂=const.Изменение температуры от T₁ до T₂ и обратно должно происходить по адиабатам 2-3 и 4-1. Все остальные циклы, возможные в рассматриваемой системе, происходящие при нарушении условий равновесия в системе, будут необратимыми и поэтому менее экономичными.

Теорема Карно. Термический к.п.д. цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела, а зависит от температур источников тепла, между которыми совершается цикл.

Согласно сформулированной выше теореме Карно, термический к.п.д. цикла Карно будет одинаков как для идеального газа, так и для любого реального рабочего тела (газ, пар).

Запишем формулы для определения КПД цикла Карно.

Делаем выводы:

ñ Термический к.п.д. цикла Карно зависит от значений абсолютных температур источника теплоты и холодильника.

ñ Чем больше эта разность, тем выше термический к.п.д. цикла Карно.

 

Далее изучим циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Запишем общие положения:

Так как рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания включают в себя процессы, в течение которых меняется количество рабочего тела и его химический состав, то непосредственный термодинамический анализ этих процессов невозможен.

Поэтому в термодинамике рабочие циклы реальных двигателей заменяют соответствующими идеальными циклами, предполагая, что химический состав рабочего тела в цикле не меняется (идеальный газ). В таком цикле процессы сгорания топлива и выпуска продуктов сгорания заменяют соответствующими процессами подвода и отвода теплоты.

Очевидно, что идеальный термодинамический цикл не может быть осуществлен в реальном двигателе, даже если представить идеальные условия его работы. Принимается, что рабочим телом является 1 кг идеального газа и совершаемый в двигателе круговой процесс является замкнутым и обратимым.

 

В двигателях внутреннего сгорания применяют следующие циклы:

- цикл с подводом тепла при постоянном объеме (цикл Отто), являющийся теоретическим циклом двигателей с низкой степенью сжатия (карбюраторные двигатели с искровым зажиганием);

- цикл с подводом тепла при постоянном давлении (цикл Дизеля), являющийся теоретическим циклом двигателей с высокой степенью сжатия (компрессорные дизели);

- цикл со смешанным подводом тепла (цикл Тринклера), являющийся теоретическим циклом бескомпрессорных двигателей с высокой степенью сжатия.

Во всех ДВС отвод тепла от рабочего тела происходит по изохоре.

 

Перейдем к газотурбинным установкам.

Наиболее распространенным типом газотурбинных установок со сгоранием топлива при постоянном давлении являются установки с открытым циклом. В них сжигается жидкое или газообразное топливо.

Рассмотрим принцип действия:

Упрощенная схема наиболее простой энергетической установки с открытым циклом приведена на рисунке. В компрессор 2 поступает атмосферный воздух, который сжимается и подается в камеру сгорания 5, куда подается и топливо. Газы, образующиеся в результате сгорания топлива при постоянном давлении, имеют высокую температуру, поэтому в камеру сгорания воздух подается с большим избытком. Далее газы поступают в газовую турбину 1. Отработавшие газы удаляются в атмосферу. Турбина приводит в действие электрогенератор 3 и пускается в работу пусковым устройством 4.