WWW.REFERATCENTRAL.ORG.UA - Я ТУТ НАВЧАЮСЬ

... відкритий, безкоштовний архів рефератів, курсових, дипломних робіт

Загрузка...
ГоловнаФізика → Теплові машини - Реферат

Теплові машини - Реферат


РЕФЕРАТ
на тему:
"Теплові машини"
Принцип дії теплових машин.
Досить нескладно одержати теплову енергію за рахунок роботи, наприклад досить потерти два предмети один об одний і виділиться теплова енергія. Однак одержати механічну роботу за рахунок теплової енергії набагато важче, і практично корисний пристрій для цього було винайдено лише близько 1700 р.
Тепловий двигун - це будь-який пристрій, який перетворює теплову енергію в механічну роботу.
Основна ідея, яка лежить в основі будь-якого теплового двигуна, полягає в наступному: механічна енергія може бути отримана за рахунок теплової, тільки якщо дати можливість тепловій енергії переходити з області з високою температурою в область з низькою температурою, причому в процесі цього переходу частина теплової енергії може перейти в механічну роботу.
В даний час використовується безліч теплових машин. Розглянемо два теплових двигуни - це паровий і внутрішнього згоряння.
В основному використовується два парових двигуни: поворотного типу і парова турбіна.
Мал.1 Мал.2
У двигунах поворотного типу (мал.1) нагріта пара проходить через впускний клапан і потім розширюється в просторі під поршнем, змушуючи його тим самим рухатися. Потім, коли поршень повертається у вихідне положення, він витісняє пару через випускний клапан.
У парових турбінах власне кажучи відбувається теж саме. Відмінність полягає в тому, що зворотно-поступальний поршень замінений турбіною (мал.2), що нагадує гребне колесо.
Найбільш розповсюдженим двигуном зараз є чотиритактний двигун внутрішнього згоряння (мал.3).
На малюнку 3 літерами позначені наступні процеси:
Мал.3.
а. Суміш повітря з бензином всмоктується в циліндр, при русі поршня вниз.
б. Поршень рухається нагору і стискає суміш.
в. Іскра від свічі запалює суміш. При цьому температура суміші різко зростає.
г. Гази, що знаходяться при високих температурі і тиску, розширюються, переміщаючи при цьому поршень вниз (робітник хід двигуна).
д. гази, що відпрацювали, викидаються через випускний клапан; потім весь цикл повторюється.
Речовина, що нагрівають і прохолоджують (у парових машинах - пар), називають робочим тілом.
Для практичної роботи будь-якого теплового двигуна необхідна різниця температур. Чому? Що б відповісти на це питання уявимо собі парову машину (як на мал.4), але без конденсатора і насоса. У такому випадку пар мав би однакову температуру у всій системі. Це означало б, що тиск пари при його випуску було б таким же, як і при впуску. Тоді робота, що зробив пару над поршнем при своєму розширенні, у точності була б дорівнює роботі, що зробив поршень над парою при його випуску, тобто не було б зроблене ніякої результуючої роботи. У реальному двигуні газ, що випускається, прохолоджується до більш низької температури і конденсується, так що тиск при випуску менше, ніж при впуску. У такому випадку робота, що повинна зробити поршень для виштовхування газу з циліндра, буде менше, ніж робота чинена газом робота над циліндром. У такий спосіб може побут отриманий результуюча робота. Аналогічно і з паровою турбіною: якби не було різниці тисків по обох сторони лопаток, то турбіна не стала б обертатися.
У парових двигунах різниця температур досягається за рахунок спалювання палива, при цьому нагрівається пара. У двигуні внутрішнього згоряння за рахунок згоряння робочої суміші усередині циліндра двигуна.
Принцип дії холодильника чи теплового насоса складається в звертанні робочих стадій теплового двигуна.
Робота звичайно відбувається мотором компресора (мал.4).
У звичайному холодильнику цикл складається з декількох стадій:
а. Пара стискується компресором, нагріваючи при цьому.
б. Нагріта пара надходить у конденсатор утвориться гаряча рідина.
в. Через розширювальний клапан гаряча рідина надходить у теплообмінник, де випаровуючи прохолоджується.
м. Потім пара знову надходить у компресор і цикл повторюється.
Мал.4.
Двигун Карно і його ККД.
На початку ХІХ століття процес перетворення теплоти в механічну роботу докладно вивчав французький учений Н.Л. Сади Карно (1796-1832). Він мав намір визначити способи підвищення ККД теплових машин, однак дослідження привели до вивчення основ термодинаміки.
Як допоміжний засіб для своїх досліджень він на папері винайшов ідеалізований тип двигуна, що тепер прийнятий називати двигуном Карно.
У цьому двигуні відбуваються оборотні процеси, тобто протекающие надзвичайно повільно, так що його можна розглядати, як послідовний перехід від одного рівноважного стану до іншого, причому цей процес можна провести в зворотному напрямку без зміни зробленої роботи і переданої кількості теплоти. Наприклад газ, який знаходиться в циліндрі з щільно притиснутим до стінки поршнем, що не має тертя, можна зжати ізотермічно, якщо стиск робити дуже повільно. Однак якщо в процесі беруть участь які-небудь ще фактори, наприклад тертя, то робота зроблена в зворотному напрямку не буде дорівнює зробленої при стиску. Цілком природно, що оборотні процеси неможливі, оскільки на їхнє здійснення буде потрібно нескінченно багато часу. Але проте такі процеси можна моделювати з як бажаною точністю. Усі реальні процеси необоротні, тому що можуть бути присутнім: тертя, у газах - збурювання і багато інших факторів.
Двигун Карно заснований на оборотному циклі, тобто на послідовності оборотних процесів.
У двигуні Карно використовується однойменний цикл (мал.5). У крапці а початковий стан системи. Спочатку газ розширюється ізотермічно й оборотно по шляху ab при заданій температурі TH, наприклад газ приходить у контакт із термостатом, що має дуже велику теплоємність. Потім газ розширюється адіабатично й зворотньо по шляху bc, при цьому передача теплоти практично не відбувається і температура газу падає до більш низького значення TL.
На третій стадії циклу відбувається ізотермічний і оборотний стиск газу по шляху cd, тут газ контактує з холодним термостатом при температурі ТL. І нарешті газ адіабатичний й оборотний стискується по шляху da повертаючи, таким чином, у вихідний стан.
Нескладно показати, що результуюча робота чисельно дорівнює площі обмеженої кривими.
ККД двигуна Карно визначається також як і будь-якого іншого двигуна:
Однак можна показати, що його ККД залежить лише від ТН і ТL.
У першому ізотермічному процесі ab чинена газом робота дорівнює:
Wab=nRTHln(Vb/Va)
, де n - число молів ідеального газу, використовуваного як робоче тіло. Оскільки внутрішня енергія ідеального газу не міняється, коли температура постійна, що повідомляється газу теплота цілком переходить у роботу (відповідно до першого початку термодинаміки):
QH =nRTHln(Vb/Va)
Аналогічно запишеться теплота віддається газом у процесі cd:
QL =nRTLln(VC/Vd)
Оскільки bc і da адіабатичні процеси, одержуємо:
PbVb=PcVc і PdVd=PaVa
Відповідно до рівняння стану ідеального газу одержуємо:
За допомогоюнескладних математичних перетворень цих виражень одержуємо математичне вираження яке відображає суть циклу Карно:
QL / QH =TL/TH (7)
У такий спосіб ККД
загрузка...

 
 

Цікаве

загрузка...