Основные принципы действия тепловых машин. Цикл Карно и теорема Карно.
Основные части тепловой машины. Выясним, какие основные части должна иметь тепловая машина, предназначенная для совершения механической работы А' за счет количества теплоты Q, полученного при сжигании топлива. Обычно в тепловых машинах механическая работа совершается расширяющимся газом. Газ, совершающий работу при расширении, называется рабочим телом. Рабочим телом часто служит воздух или водяные пары. Расширение газа происходит в результате повышения его температуры и давления при нагревании. Устройство, от которого рабочее тело получает количество теплоты Q, называется нагревателем.
Упрощенная модель тепловой машины, состоит из цилиндра, заполненного воздухом, и поршня.
Поместим на поршень тело массой т, предварительно приняв меры против сжатия газа в цилиндре под действием груза (например, установив специальные упоры внутри цилиндра, предотвращающие дальнейшее опускание поршня). Расположим под цилиндром нагреватель. По мере нагревания газа в цилиндре его давление возрастает, однако объем остается неизменным до тех пор, пока при некотором значении температуры Т2 давление не достигнет значения рг, при котором вес поршня с грузом mg и сила атмосферного давления, равная p1S, уравниваются с силой давления газа на поршень ргS. Этому процессу соответствует изохора.
При дальнейшем нагревании газа поршень придет в движение. Давление поршня с грузом на газ остается постоянным, поэтому расширение происходит по изобарному закону. При подъеме груза на высоту h объем газа в цилиндре увеличивается от V1 до V2, температура в конце изобарного процесса расширения газа достигает значения Тз. Этому процессу соответствует изобара. Когда поршень коснется ограничителя в верхней части цилиндра, снимем груз и прекратим нагревание. Цель достигнута, груз поднят. Однако подобная машина одноразового действия не представляет интереса для практики. Чтобы поднять другой груз, необходимо опустить поршень, т. е. сжать газ. Но если сжимать газ при температуре Тз до объема V1, то работа, совершаемая при сжатии газа, окажется больше работы, совершенной газом при изобарном расширении. Следовательно, таким путем не удастся осуществить периодический процесс совершения механической работы за счет передачи теплоты от нагревателя рабочему телу машины. Для уменьшения работы, совершаемой при сжатии газа в цилиндре, его нужно перед сжатием охладить. Тогда сжатие будет происходить при давлении p1 меньшем рг, и работа, совершаемая при сжатии, окажется меньше работы, совершенной газом при расширении. Следовательно, для периодической работы тепловой машины необходима еще одна часть машины, называемая холодильником.
Рабочий цикл тепловой машины. Для охлаждения газа направим на дно цилиндра струю холодной воды. Понижение температуры газа будет происходить при неизменном объеме до тех пор, пока давление газа в цилиндре не достигнет значения p1 при температуре Т4. Этому процессу ответствует изохора. Для возвращения газа в исходное состояние, характеризуемое давлением p1, объемом V1 и температурой Т1, необходимо продолжить его охлаждение до температуры T1. Этому процессу соответствует изобара. Процессы, в результате совершения которых газ возвращается в исходное состояние, называют круговыми или циклическими. Рабочий цикл рассмотренной тепловой машины состоит из двух изохор и двух изобар, (образующих прямоугольник.).
Рабочий цикл тепловой машины и ее КПД. В результате совершения рабочего цикла газ возвращается в начальное состояние, его внутренняя энергия принимает первоначальное значение. Следовательно, за цикл изменение внутренней энергии рабочего тела равно нулю: rU =0.
Согласно первому закону термодинамики rU=Q - A'=0, или A'=Q.
Работа А', совершенная рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Количество теплоты Q, полученное рабочим телом за цикл, равно разности количества теплоты Q1, полученного от нагревателя, и количества теплоты Q2, отданного холодильнику: Q=Q1-Q2.
Дополнительно
Эволюция энергетических процессов у эубактерий
В главах 11 и 12 были
обсуждены проблемы возникновения первичной клетки из гипотетической протоклетки
и последующего пути прогрессивной эволюции первичной клетки. Как было
обнаружено в 70-х гг., на раннем этапе этого пути могло произойти выделение
трех основных ветвей, каждая из которых самостояте ...
Колониальная организация и межклеточная коммуникация у микроорганизмов
Обзор посвящен современным концепциям и данным,
свидетельствующим о целостном характере микробных популяций (колоний,
био-плёнок и др.) как своеобразных "суперорганизмов". При этом особое
внимание уделяется таким явлением как апоптоз, бактериальный альтруизм, эффект
кворума, коллективная ...