motoare termice

Observațiile zilnice și numeroase experimente au arătat că nu pot fi efectuate într-un proces termodinamic, în care se observă prima lege a termodinamicii. În special, transferul spontan al energiei interne dintr-o mai puțin încălzită la un corp mai încălzit nu este interzisă, în principiu, prima lege a termodinamicii. Dar nimeni nu a observat vreodată că corpul fierbinte fiind coborât în ​​apă rece, încălzită chiar mai mult, în timp ce apa este astfel mai greu să se răcească. În mod similar, nimeni nu a văzut vreodată, la unele organism pentru a crește potențialul de energie, de până la o anumită înălțime, din cauza scăderii energiei interne, însoțită de o scădere corespunzătoare a temperaturii.

Generalizarea datelor experimentale uriașe permis formularea a doua lege a termodinamicii. care indică direcția în care procesele termodinamice pot continua.

proces termodinamic nu este posibil, singurul rezultat care ar transfera energia din interiorul unei mai puțin încălzită la un corp mai încălzit (deținută formulare fizicianul german Rudolf Clausius).

Procesul ciclic nu este posibil, singurul rezultat care ar funcționa în sarcina din cauza energiei interne se scade din orice organism prin schimb de căldură (formulare aparținând fizicianul englez William Thomson).

proces circular (sau ciclu) - o secvență de procese sistem termodinamic care conduc la starea sa inițială.

Expresia „singurul rezultat“ în declarația de Clausius înseamnă că procesul termodinamic nu ar trebui să cauzeze schimbări în corpurile din jur. De exemplu, în frigidere energia internă este transmisă din compartimentul frigorific la un mediu încălzit. Dar nu funcționează pe substanța de lucru și procesul de luare a acestei lucrări este asociată cu modificări ale organelor din jur.

Același lucru este valabil și pentru formularea Thomson. „Transformarea căldurii în lucru“, într-un proces ciclic se poate produce în cazul în care organismul în afară de a dona energie internă prin schimb de căldură în procesul implică corp mai puțin încălzit, care este transferată în partea interioară a energiei luate dintr-un corp încălzit.

A doua lege a termodinamicii este baza activității oricare din ciclul curent al motorului termic.

Ciclicitatea motorului termic poate lua în considerare exemplul unui proces circular efectuat cu o cantitate de gaz sau vapori.

Să presupunem că lăsa în cilindru cu o anumită cantitate strâns piston montarea de gaz sau vapori, denumit mediul de lucru. Dilată fluid de lucru, funcționează împotriva forțelor externe. Fiecare cilindru are o dimensiune finită, astfel încât extinderea fluidului de lucru odată ce ar trebui să înceteze. Odată cu încetarea opririle de expansiune și procesul de conversie a energiei interne a aburului sau a gazelor în energie mecanică.

În acest exemplu, avem de-a face cu un motor termic acțiune unică. Astfel de motoare includ, de exemplu, arme de foc.

Pentru a re-expansiune a corpului de lucru, și, prin urmare, repetarea lucrărilor, mediul de lucru care urmează să fie comprimat. În acest scop, pistonul și fluidul de lucru care urmează să fie convertită în starea sa inițială. Dar, în cazul în care fluidul de lucru este comprimat la aceeași presiune la care se extindea, lucrul mecanic util pentru fiecare ciclu ar fi zero.

Pentru lucrul mecanic util per ciclu diferit de zero, comprimarea fluidului de lucru trebuie să fie efectuate la o presiune mai mică decât în ​​timpul expansiunii. Cele de mai sus este ilustrat de un grafic al presiunii gazului în cilindrul de sub pistonul, prin volumul său. Angajarea forțelor externe asupra fluidului de lucru în timpul expansiunii numeric egală cu aria figurii 1 V - A - x - B - V 2. și compresiune - pătrat V 2 - B - y - A - V 1. Zona umbrită delimitată de o curbă închisă este numeric egală cu lucrul mecanic util de către fluidul de lucru într-un singur ciclu. Deoarece curba B - y - A corespunde unei temperaturi mai mici decât curba A - x - C. atunci acest lucru înseamnă că fluidul de lucru în timpul presării trebuie să contacteze corpul mai puțin încălzit.

Astfel, un motor termic ciclic putem numi un motor termic, în care, prin utilizarea ciclurilor repetate de transformare efectuate energia fluidului interior în energie mecanică.

Pentru o funcționare ciclică a motorului termic trebuie să aibă o temperatură T 1. Corpul numit corpul încălzitorului la o temperatură T 2. numit condensator și fluidul de lucru, care, luând un ciclu de încălzire independentă de căldură cantitate Q 1. frigider transmite cantitatea de căldură Q 2 și diferența Q 1 - Q 2 se transformă în muncă.

In laborator pentru a simula funcționarea ciclică a motorului termic utilizând următoarele setări.

Marele paharul de laborator umplut cu apă. În partea de jos a sticlei este de anilină. densitate rece anilină doar cu puțin mai mare decât densitatea apei, dar acest exces este suficient ca acesta sa scufundat în apă. În ceea ce privește suprafața de jos a apei de o ceașcă umplută cu apă rece sau gheață. Am încălzit cu fund de sticlă, care este de aproximativ anilină. Când anilină încălzit se extinde, densitatea sa scade. Odată ce devine mai mică decât densitatea apei, anilină sub formă de picături emerge la suprafața sa. Atingând fundul sticlei la rece, anilină este răcită, crește densitatea acesteia din nou și el se îneacă. Procesul se repetă până când există o diferență de temperatură între partea inferioară și partea superioară a apei într-un pahar cu anilină. In acest experiment, anilina simulează fluidul de lucru al unui motor termic, o flacără este un încălzitor, paharul cu gheață - frigider.

Luați în considerare echilibrul energetic al unui ciclu motor termic.

Să presupunem că organul de lucru având în starea inițială, U internă a energiei 1. dobîndește de încălzire în timpul cantității de expansiune de căldură Q 1 și efectuează lucreze A 1. Energia internă devine egală cu U 2.

Să presupunem că în corpul de operare de compresie trimite un frigider de căldură cantitate Q 2 și funcționează negativ 2. O astfel întorcîndu-se la starea inițială.

Aplicarea la dilatarea și contracția corpului de lucru a primei legi a termodinamicii, obținem:

Din această expresie, în special, rezultă că η <1, так как в соответствии с формулировкой Томсона Q 2 не может быть равно нулю.

Trebuie remarcat faptul că această caracteristică a motoarelor termice, care este, uneori, tratate ca o energie de recul „inutil“ in interiorul frigiderului, este fundamentală și nu pot fi eliminate prin îmbunătățirea construcțiilor lor.

Studierea funcționării motoarelor termice, un fizician francez și inginerul Sadi Karno a stabilit că eficiența maximă a motorului termic poate fi realizat, în cazul în care achiziționarea și energia de impact la schimbul de căldură de lucru va avea loc fără o schimbare de temperatură și temperatura medie de lucru este schimbat doar în timpul executării lucrărilor.

Pe baza acestor considerente, construit ciclul Carnot motor termic ideală, constând din două izoterme și două adiabatic.

În fluidul de lucru ciclu Carnot, care îndeplinește rolul unui gaz ideal ocupă volumul V i și sub presiunea p 1. prevăzută în contact termic cu încălzitorul a cărui T 1 temperatură.

La scăderea foarte lentă a presiunii externe și fără întrerupere a contactului cu un încălzitor, fluidul de lucru este dat posibilitatea de a se extinde de-a lungul izotermei și 1-2 își schimbă starea cu parametrii (p 2. V 2. T 1). În acest caz, efectueaza fluidul de lucru funcționează, o cantitate egală de Q 1. căldură care rezultă din încălzitor, temperatura care rămâne constantă datorită capacității sale de căldură infinit de mare.

Atunci când expansiunea izoterma de conversie completă a fluidului de lucru a energiei interne primite de la sistemul de încălzire în energie mecanică.

După aceea, fluidul de lucru este dat posibilitatea de a extinde în continuare sub izolație adiabatic. Acest lucru face posibilă scăderea temperaturii fluidului de lucru de la temperatura încălzitorului la temperatura frigiderului. Datorită acestui fapt, în viitor, va trebui să efectueze mai puțin de lucru, atunci când forțele de compresie externe. Mai mult, temperatura de scădere nu este atins prin contact termic cu un corp mai puțin încălzit, ceea ce ar duce la o pierdere de energie, și ca urmare a activității de către energia internă a fluidului de lucru.

Următorul pas îndepărtat izolarea termică și contactul termic se realizează cu condensatorul fluid de lucru, care are și o capacitate calorică infinit de mare.

Fără a întrerupe contactul cu condensator, mediul de lucru, fiind comprimat, într-o stare cu parametrii (p 4. V 4. T 2). Forțele externe efectuează o muncă egală cu cantitatea de căldură dată la frigider.

Pentru a finaliza fluidul de lucru ciclu este din nou sub izolație adiabatică este comprimat și convertit la starea sa inițială. Forțele externe efectua unele lucrări.

Balanța energetică a ciclului Carnot, realizat cu un gaz ideal, arată că lucrările pe adiabats se anulează reciproc, iar lucrul mecanic util pe ciclu este egal cu diferența dintre activitatea desfășurată de izotermele de expansiune și contracție.

Aplicând prima lege a termodinamicii fiecărui proces ciclu Carnot și folosind ecuația gazului ideal de stat și ecuația care descrie procesul adiabatic, o expresie pentru eficiența ciclului Carnot, realizat cu un gaz ideal: