Теплові двигуни. Термодинамічні цикли. Цикл Карно

Машини, що перетворюють внутрішню енергію в механічну роботу називають тепловими двигунами.

блок схема теплових двигунів

Хронологія винаходів:

  • 1690 – пароатмосферна машина Д. Папена (Франція) – теоретично
  • 1698 – пароатмосферна машина Т. Північно (Англія)
  • 1705 – пароатмосферна машина Т. Ньюкомена (Англія)
  • 1763 – парова машина В. Ползунова (Росія)
  • 1774 – парова машина Д. Уатта (Англія)
  • 1860 – двигун внутрішнього згоряння Ленуара (Франція)
  • 1865 – двигун внутрішнього згоряння Н.Отто (Німеччина)
  • 1871 – холодильна машина К. Лінде (Німеччина)
  • 1887 – парова турбіна К. Лаваль (Швеція)
  • 1897 – двигун внутрішнього згоряння Р. Дизеля (Німеччина)

Круговий (циклічний) процес – якщо в результаті змін система повернулася у вихідний стан, то кажуть, що вона зробила круговий процес або цикл.

А1а21б2 – по модулю (з порівняння площ). => А1а2>0 => А1б2<0

Сумарна робота за циклічний процес чисельно дорівнює площі, обмеженої лінією процесу.

З другого з-на термодинаміки: ні один тепловий двигун не може мати ккд що дорівнює одиниці (100%).

 , де А – робота двигуна за цикл, Q – кількість теплоти, отримана двигуном за цикл.

Принцип роботи теплового двигуна:

Q = A’ + ΔU – кількість теплоти, передана системі витрачається на вчинення цією системою механічної роботи і на збільшення її внутрішньої енергії (тобто система має віддати тепло в навколишній простір) – 1-й з-н термодинаміки.

Нагрівач передає тепло робочому тілу при температурі Т1.

Робоче тіло виконує корисну механічну роботу A’.

Холодильник (охолоджувач) отримує частину тепла, забезпечуючи циклічний процес.

A’ = Q1 – Q2

Блок схема теплового двигуна

Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна:

Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна

Ідеальна теплова машина – машина Карно (Саді Карно, Франція, 1815). Машина працює на ідеальному газі.

Саді Карно, з’ясовуючи при якому замкнутому процесі тепловий двигун буде мати максимальний ККД, запропонував використовувати цикл, що складається з 2 адіабатних процесів. Вибір саме цих процесів обумовлений тим, що робота газу при ізотермічному розширенні відбувається за рахунок внутрішньої енергії нагрівача, а при адіабатному процесі за рахунок внутрішньої енергії газу що розширюється. У цьому циклі виключений контакт тіл з різною температурою, а значить, виключена теплопередача без учинення роботи.

1 – 2 – при тепловому контакті з нагрівачем газ розширюється ізотермічно.
2 – 3 – газ розширюється адіабатно.

Після контакту з холодильником:

3 – 4 – ізотермічне стиснення;
4 – 1 – адіабатнее стиснення.

Графік цикла Карно

ККД ідеальної машини:

ККД ідеальної машини

η є функцією тільки двох температур, не залежить від пристрою машини і виду палива.

Теорема Карно: ккд реальної теплової машини не може бути більше ккд ідеальної машини, що працює в тому ж інтервалі температур.

Цикл Карно оборотний. Машина, що працює за оборотним циклом зветься холодильною машиною.