Цикл Карно

Размещено на http://www.allbest.ru

Московский гуманитарный - экономический институт

Тверской филиал

Реферат

Учебная дисциплина: Концепция современного естествознания (КСЕ)

Тема: Цикл Карно

Введение

Каждый человек мечтает о комфортном жилище: теплом зимой, и прохладном в жаркое время. Для этого люди научились использовать такие известные источники энергии как газ, уголь, нефть, торф, электроэнергию и т.д. Но невозобновляемые источники энергии рано или поздно закончатся. Также все актуальнее становится вопрос о негативной стороне использования энергоресурсов Земли, об экологической чистоте нашей планеты. В этих условиях все большее значение приобретают энергосберегающие технологии. Ныне работающие системы создания комфорта, как правило, используют именно невозобновляемые источники энергии.

Цикл Карно

В XVII в., когда закладывались основы современной науки, были созданы первые паровые машины, появилось много теорий о природе теплоты. Но все, существовавшие тогда, многочисленные концепции, не отображали сути. Все это требовало безотлагательного осмысления протекавших процессов, сопровождавшихся поглощением и выделением тепла, на основе каких-то общих принципов. Непростую задачу, требовавшую умения мыслить абстрактно, решил молодой французский артиллерийский инженер Никола Леонар Сади Карно. Изданная им книга называлась "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу". То были действительно размышления, потому что Карно интересовало не устройство машин как механизмов, а "явление получения движения из тепла... с достаточно общей точки зрения... независимо от какого-либо механизма, какого-либо определенного агента".

Для начала Сади Карно собрал все известные к тому времени свойства теплоты, полученные из наблюдений, и скомпоновал их в виде двух положений:

тепло вещественно и количество его сохраняется;

теплород стремится восстановить равновесие, т. е. самопроизвольно тепло переходит только от нагретого тела к холодному.

Рис 1. - Замкнутый цикл Карно.

При этом "возникновение движущей силы обязано... не действительной трате теплорода, но его переходу от горячего тела к холодному", и "повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы" (для получения движущей силы недостаточно иметь нагретое тело, необходимо иметь и холодное). Одной лишь разности температур также недостаточно, поскольку при непосредственном контакте тел движущая сила не возникает, просто выравнивается их температура. Движущая сила проявляет себя только тогда, когда изменение температуры сопровождается изменением объема.

По-видимому, Карно первым осознал, что если бы мир имел повсюду одинаковую температуру, то было бы невозможно превратить тепловую энергию в работу. Процессы, сопровождающиеся превращением работы в тепло, могут протекать в однородной по температуре среде (например, вследствие трения), но их нельзя повернуть в обратном направлении и получить затраченную работу "назад". Одним словом, для работы тепловой машины необходимы как минимум два устройства: "нагреватель" и "холодильник", обладающие неодинаковыми температурами. Названия устройств, отражают условность их наименований - ведь в большинстве случаев "холодильником" служит атмосферный воздух; впрочем, он же является "нагревателем" в холодильной машине.

Умозаключение Карно о необходимости двух сред с разными температурами для работы тепловой машины составляет содержание второго закона, принципа или начала термодинамики. Первым началом термодинамики является закон сохранения энергии, также известный Карно ("тепло вещественно и количество его сохраняется"). Поскольку указанный закон, хотя и в урезанном виде, был сформулирован раньше, да и вообще справедлив по отношению ко всем процессам, то он и именуется первым.

Итак, Карно обратил внимание на то, что полезную работу можно получить только при переходе тепла от тела более нагретого к телу менее нагретому, однако и от холодного тела к горячему передать тепло все же можно, но только затратив на это некоторую работу. К такому выводу он пришел, изучая изобретенный им круговой процесс, который теперь называют циклом Карно.

Прежде чем обратиться к обсуждению этого самого цикла, в котором заключена вся суть термодинамики, рассмотрим одну особенность теплоты, открытую Карно. Он считал теплоту субстанцией, веществом, а потому, рассуждая о ней, пользовался аналогией из механики: массивное тело, падая с некоторой высоты, совершает работу, равную произведению массы на ускорение свободного падения и на высоту. Теплота же, "падая" от более высокой температуры к более низкой, по мнению Карно также способна производить движущую силу, зависящую от количества теплорода и от разности температур. Но в отличие от массы здесь имеют место два нюанса:

теплота может и не производить движущую силу (перемещающаяся масса совершает работу всегда);

механическая работа зависит только от разницы высот, которую тело преодолевает (если считать начальную скорость равной нулю), а не от абсолютного положения высоты, с какой оно падает, ведь при изменении высоты на 1 м неважно, падает ли тело со стола или с крыши дома. Доля теплоты, преобразуемой в движущую силу, в ряде случаев зависит от начальной точки отсчета, т. е. далеко не одно и то же, происходит "падение" теплоты в тепловой машине от 11 до 10°С или от 99 до 98°С. Количество движущей силы в этих случаях получается разным. Так что аналогия аналогии рознь! И это тоже следует из цикла Карно.

Основная задача, которую решал Карно, формулируется так: выяснить, универсален ли процесс получения движущей силы из теплоты. Для этого ученому надо было ответить на три вопроса:

что является источником движущей силы в тепловой машине;

зависит ли эта сила от вида рабочего вещества;

каким образом можно добиться извлечения максимума движущей силы при равном количестве подводимой теплоты.

Технически движение из теплоты получают в тепловой машине, как правило, благодаря расширению водяного пара или какого-нибудь другого аналогичного процесса. Работает такая машина следующим образом. Сначала пар нагревают (подводят к нему тепло), а потом позволяют ему расширяться. Расширяясь, пар производит работу, например, толкая поршень, и одновременно охлаждается. Все - теплота перешла в работу. Но чтобы машина продолжала указанные действия, надо проделать одно из двух:

- удалить отработанный холодный пар, взять новую его порцию, нагреть, дать расшириться и снова удалить;

- сжать отработанную порцию пара, отдавая при этом часть полученного тепла холодильнику, вернуть пар в первоначальное состояние (которое характеризуется исходными значениями температуры, объема и давления), снова нагреть, дать расшириться и т. д.

Вообще говоря, годятся оба способа. Разница в том, что первый требует неограниченных ресурсов пара и возможности его удаления, а второй - наличия холодильника. Получается замкнутый (циклический) процесс, который может повторяться любое число раз. Однако полностью цикличен только второй способ, а при использовании первого рабочее же вещество в нем постоянно меняется. Но по результатам использования оба способа совершенно равноправны.

Эффективность цикла Карно определяется формулой

?= (1)

Только эту относительную часть теплоты можно превратить в работу, и ничуть не больше! Величина называется также термическим коэффициентом полезного действия и зависит только от температур нагревателя и холодильника.

Позднее на основе изложенных рассуждений Уильям Томсон и Рудольф Клаузиус ввели в арсенал науки понятия "абсолютная температура" и "энтропия" и создали классическую термодинамику.

Для цикла Карно термический к.п.д. определяется только разностью температур нагревателя и холодильника

?= (2)

Цикл Карно - идеальная машина, и работа ее максимальна. Работа реальной машины со всевозможными потерями заведомо меньше.

Возможно, Карно сам выполнил бы всю работу до конца, если бы не ранняя смерть (в 36 лет). Интересно еще отметить, что у Карно приведенные рассуждения не сопровождались ни расчетами, ни графиками. Его книга была опубликована в 1824 г., но никакого резонанса не получила.

Лишь через десять лет, в 1834 г., другой француз, Эмиль Клапейрон, придал термодинамике Карно канонический вид. Он ввел все необходимые обозначения, проделал описанные словами вычисления и построил диаграммы. Через три года статью Клапейрона перевели на английский язык и издали вАнглии в сборнике Scientific Memoirs ("Ученые записки"). А еще через девять лет на нее обратил внимание немецкий физик и издатель И.Х. Поггендорф, перепечатал в своем журнале Annalen der Physik und Chemie ("Анналы физики и химии"), и только тогда теория Карно действительно увидела свет.

Прямой цикл Карно

Как известно, все тепловые двигатели, превращающие тепловую энергию в механическую, работают по круговым циклам или термодинамическим циклам - идеальный цикл теплового двигателя (прямой цикл Карно) и цикл холодильной машины (обратный цикл Карно).

Рассмотрим прямой цикл Карно. Для этой цели возьмем идеальную систему, состоящую из горячего источника тепла, рабочего тела и окружающей среды. Параметры источника тепла Тг, Sг, температура окружающей среды Т0. Рабочее тело в конечном итоге не совершает работы за счет своей собственной энергии. До начала работы и после ее завершения все параметры рабочего тела и его полная энергия остаются в точности теми же самыми. Иначе говоря, рабочее тело изменяет свои параметры по какому-то циклу, возвращаясь каждый раз в первоначальное состояние. Суммарная работа окружающей среды над телом равна нулю; никаких потерь работы нет; энтропия системы остается неизменной (Sc=0); все процессы обратимые.

При отдаче горячим источником рабочему телу тепла dQ1 тело произведет суммарную работу dL и, для того чтобы вернутся в первоначальное состояние, отдаст окружающей среде тепло dQ2. При этом энтропия горячего источника уменьшится на величину dSг = dQ1/T1, а энтропия холодного источника возрастет на dSx = dQ2/T0 .

Поскольку согласно второму закону термодинамики энтропия рассматриваемой изолированной системы уменьшаться не может, то при dSг < 0 всегда будет dSx > 0, а следовательно, и dQ2 > 0. Значит, совершая работу с помощью циклов, тепло должно не только подводится, но и обязательно отводиться.

В идеальном случае, когда достигается максимальная работа, dSг + dSx = 0 и величина dQ2 является минимальной. Таким образом,

-dQ1/Tг = dQ2min/T0,

Или

dQ2min = T0dSг ,

где dSг берется по абсолютной величине (без отрицательного знака), т.е. dSг = dQ1/Tг.

Согласно первому закону термодинамики, всегда

dL = dQ1 - dQ2,

dLmax = dQ1 - dQ2min,

или

dLmax = dQ1 - T0dSг,

т.е. максимальная работа цикла за счет тепла Q

Lmax = Q1 - T0(Sг2 - Sг1),

где (Sг2 - Sг1) - абсолютна величина уменьшения энтропии горячего источника, вызванная отдачей тепла Q1.

Очевидно, что эта формула будет справедлива независимо от того, меняется или не меняется температура Тг горячего источника. Обязательными условиями ее справедливости являются только постоянство температуры окружающей среды и обратимость всех процессов цикла. Максимальная полезная работа, которая может быть совершена в идеальном (обратимом) тепловом двигателе, оказывается абсолютно одинаковой, будет ли этот двигатель работать по какому-либо обратимому циклу или в нем будут совершаться любые разомкнутые процессы.

Максимальная доля тепла, которая может быть превращена в работу, обычно выражается через отношение Lmax/Q1, называемое термическим к. п. д. теплового двигателя :

t = Lmax/Q1 = (Q1 - Q2min)/Q1.

При постоянных температурах горячего Тг и холодного Т0 источников, учитывая предыдущие формулы максимальный термический к. п. д. теплового двигателя :

t =1 - Т0/Тг.

Можно доказать, что значение максимальной работы, а следовательно, и максимальный термический к. п. д. для случая источников тепла постоянной температуры достигается в обратимом прямом цикле Карно, состоящем из двух изотерм и двух адиабат :

Условия построения прямого цикла Карно следующие :

Поскольку подвод тепла обратимый, то при Тг = const температура тела Т1 на протяжении всего процесса подвода тепла должна быть равной Тг и оставаться постоянной : Т1 = Тг=const;

Так как и отвод тепла должен быть обязательно обратимым, то и температура Т2 тела в процессе отвода тепла также должна быть равна Т0 и оставаться постоянной : Т2 = Т0 =const;

Поскольку в других процессах тепло не должно подводиться и отводиться, то замыкание цикла может осуществляться только процессами с постоянной энтропией (S = const), следовательно, должно быть : Sa = Sb и Sc = Sd .

В изображенном на рисунке цикле изоэнтропа ab - процесс адиабатического сжатия рабочего тела; изотерма bc - процесс подвода тепла Q1; изоэнтропа cd - процесс адиабатического расширения рабочего тела; изотерма da - процесс отвода тепла Q2 к холодному источнику (окружающей среде). Одновременно изотермы bc и da - соответственно процессы отвода тепла от горячего источника и подвода тепла к холодному источнику. В этом, как и в любом другом, обратимом цикле значения изменения энтропии горячего и холодного источников равны между собой по абсолютной величине и имеют обратные знаки, т.е.

Sг =Sx

Конечное изменение энтропии Sт рабочего тела, совершающего замкнутый процесс, будет равен нулю. Приращение энтропии системы, равное алгебраической сумме энтропии всех тел рассматриваемой системы (обеих источников тепла и рабочего тела), также равно нулю :

Sc = Si = Sг +Sx +Sт = 0.

Этим подтверждается, что цикл Карно действительно дает максимальную работу.

Из рисунка находим :

Q1 = TгSг = Т1Sг ;

Q2 = T0Sx = T2Sг,

Отсюда

Lц = Q1 - Q2 = (T1 - T2)Sг.

С учетом того, что Sг = Q1/T1, получим

Lц = Q [(T1-T2)/T1].

Термический к. п. д. этого цикла

t = Lц /Q1 = 1 - T2/T1 = t мах

С помощью прямого цикла Карно можно доказать, что отводимое к холодному источнику тепло Q2min не является потерей энергии, а представляет собой тот «балласт», ту непревратимую часть энергии, которая в любой момент, без затраты какой-либо дополнительной работы, может быть отнята от холодного источника и возвращена горячему.

Здесь следует заметить, что осуществляя обратный цикл Карно, можно, затратив работу Lц , получить и отдать горячему источнику тепла Q1 ровно столько, сколько было от него получено в прямом цикле, а от холодного источника будет отобрано в точности такое же количества тепла Q2min , сколько ему было отдано в прямом цикле.

цикл карно изотермический теплоизоляция

Тепловая изоляция

Теплоизоляция - это защита зданий, промышленных установок (или отдельных их узлов) от нежелательного теплового обмена с окружающей средой. Так, например, в строительстве и теплоэнергетике теплоизоляция необходима для уменьшения тепловых потерь в окружающую среду, в холодильной и криогенной технике - для защиты аппаратуры от притока тепла извне.

Теплоизоляция обеспечивается устройством специальных заграждений, выполняемых из теплоизоляционных материалов (в виде оболочек, покрытий и т.п.) и затрудняющих теплопередачу; сами эти теплозащитные средства также называются теплоизоляцией.

При преимущественно конвективном теплообмене для теплоизоляции используются ограждения, содержащие слои материала, непроницаемого для воздуха; при лучистом теплообмене - конструкции из материалов, отражающих тепловое излучение (например из фольги, металлизированной лавсановой пленки); при теплопроводности (основной механизм переноса тепла) - материалы с развитой пористой структурой.

Эффективность теплоизоляции при переносе тепла теплопроводностью определяется термическим сопротивлением ( R) изолирующей конструкции R = где - толщина слоя изолирующего материала, - его коэффициент теплопроводности.

Повышение эффективности теплопроводности достигается применением высокопористых материалов и устройством многослойных конструкций с воздушными прослойками.

В тепловых промышленных установках теплоизоляция обеспечивает значительную экономию топлива, способствует увеличению мощности тепловых агрегатов и повышению их КПД, интенсификации технологических процессов, снижению расходов основных материалов.

Экономическая эффективность теплоизоляции в промышленности

часто оценивается коэффициентом сбережения тепла

Задача теплоизоляции зданий - снизить потери тепла в холодный период года и обеспечить постоянство температуры в помещениях в течении суток при колебаниях температуры наружного воздуха. Применяя для теплоизоляции эффективные теплоизоляционные материалы, можно существенно уменьшить толщину и снизить массу ограждающих конструкций и, т.о. сократить расход основных стройматериалов.

Теплоизоляция - необходимый элемент конструкции транспортных средств (судов, ж.д. вагонов, самолетов и т.д.), в которых роль теплозащиты определяется их назначением : для средств пассажирского транспорта - требованием поддержания комфортных микроклиматических условий в салонах; для грузового - обеспечение заданной температуры при минимальных энергетических затратах. К эффективности теплоизоляции на транспорте предъявляются повышенные требования в связи с ограничением массы и объема ограждающих конструкций транспортных средств.

Материалы и изделия, применяемые для теплоизоляции называются теплоизоляционными. Теплоизоляционные материалы характеризуются низкой теплопроводностью (коэффициент теплопроводности не более 0.2 Вт/м*К), высокой пористостью, незначительной объемной массой и прочностью (предел прочности при сжатии 0.05-2.5 МН/м2).

Основной показатель качества теплоизоляторов - коэффициент теплопроводности. Он является физическим параметром вещества и в общем случае зависит от температуры, давления и рода вещества. В большинстве случаев коэффициент теплопроводности определяется экспериментально с помощью различных методов. На рисунке показаны примерные значения коэффициента теплопроводности для различных веществ :

Так как тела могут иметь различную температуру, а при наличии теплообмена и в самом деле температура будет распределена неравномерно, то в первую очередь важно знать зависимость коэффициента теплопроводности от температуры. Опыты показывают, что для многих материалов с достаточной для практики точностью зависимость коэффициента теплопроводности от температуры можно принять линейной :

Коэффициент теплопроводности газов. Согласно кинетической теории перенос тепла в газах при обычных давлении и температуре определяется переносом кинетической энергии молекулярного движения в результате хаотического движения и столкновения отдельных молекул газа.

Коэффициент теплопроводности жидкостей описывается уравнением :

где Ср - теплоемкость жидкости при постоянном давлении, - плотность жидкости, ее молекулярная масса. Коэффициент А пропорционален скорости распространения упругих волн в жидкости, не зависит от природы жидкости, но при этом А*Ср = const. Механизм распространения теплоты в капельных жидкостях можно представить как перенос энергии путем нестройных упругих колебаний. Коэффициет теплопроводности жидкостей лежит в пределах от 0,07 до 0,7 Вт/(м*К). Но жидкости, как правило, не используются в теплозащитной технике.

Коэффициент теплопроводности твердых тел. Определяется опытным путем или на основе эмпирических формул. В металлах основным передатчиком являются свободные электроны, которые можно уподобить идеальному одноатомному газу. Передача теплоты при помощи колебательных движений или в виде упругих звуковых волн не исключается, но ее доля незначительна по сравнению с переносом энергии электронным газом. При наличии разного рода примесей коэффициент теплопроводности металлов резко убывает. Это можно объяснить увеличением структурных неоднородностей, которое приводит к рассеиванию электронов. Как видно металлы не могут быть хорошими теплоизоляторами от обычной теплопроводности, хотя они хорошо справляются с отражением ИК- и других излучений в лучистом переносе энергии.

В диэлектриках с повышением температуры коэффициент теплопроводности увеличивается. Как правило, для материалов с большей плотностью коэффициент теплопроводности имеет более высокое значение.

Теплопроводность зависит от структуры материала, его пористости и влажности.

Теплоизоляционные материалы должны отвечать следующим нормам : они должны быть температуро- и морозостойкими, негорючими или обладать возможно меньшей горючестью, химически инертными. Они недолжны иметь запаха или воспринимать запахи, обладать достаточной механической прочностью, виброустойчивыми, должны легко обрабатываться и резаться, должны удовлетворять определенным экономическим показателям.

Материалов, обладающих в равной и полной степени всеми перечисленными свойствами, пока не существует. Из всех существующих теплоизоляторов можно выделить высокоэффективные материалы (с ? =0,045 Вт/(м*К) в сухом состоянии и с объемной массой до 100 кг/м3) :

Органические естественные материалы. К ним относятся различные породы растительных волосков или растительного пуха, находившие ранее применение, но теперь редко используемые.

Органические исскуственные материалы. Очень перспективными материалами этой подгруппы являются пенопласты, получаемые путем вспенивания синтетических смол. Пенопласты имеют мелкие замкнутые поры и этим отличаются от поропластов - тоже вспененных пластмасс, но имеющих соединяющиеся поры и поэтому не используемые в качестве теплоизоляционных материалов. В зависимости от рецептуры и характера технологического процесса изготовления пенопласты могут быть жесткими, полужесткими и эластичными с порами необходимого размера; изделиям могут быть приданы желаемые свойства (например, уменьшена горючесть).

Пенопласты делятся на термопластичные, или термообратимые, размягчающиеся при повторных нагреваниях, и термонепластичные (термонеобратимые), отвердевающие при первом цикле нагревания и не размягчающиеся при повторных нагреваниях; к первым относятся пенополистиролы (ПС) и пенополивинилхлориды (ПВХ), ко вторым - пенополиуретаны (ПУ), а также материалы на основе фенолоформальдегидных (ФФ), эпоксидных (Э), кремнийорганических (К) смол.

Коэффициент теплопроводности у пенопластов колеблется в пределах 0,03 - 0,045 Вт/(м*К).

Неорганические материалы. Представителем этой подгруппы является алюминиевая фольга (альфоль). Она применяется в виде гофрированных листов, уложенных с образованием воздушных прослоек. Достоинством этого материала является высокая отражательная способность, уменьшающая лучистый теплообмен, что особенно заметно при высоких температурах. Другими представителями подгруппы неорганических материалов являются исскуственные волокна : минеральная, шлаковая и стеклянная вата. Средняя толщина минеральной ваты 6-7 мкм, средний коэффициент теплопроводности 0,045 Вт/(м*К). Эти материалы не горючи, не проходимы для грызунов. Они имеют малую гигроскопичность (не более 2%), но большое водопоглощение (до 600%).

Таким образом, имеется большое количество теплоизоляционных материалов, из которых может осуществлятся выбор в зависимости от параметров и условий эксплуатации различных установок, нуждающихся в теплозащите.

Заключение

В процессе деятельности homo sapiens при использовании традиционных видов энергии (уголь, нефть, газ и т.д.), расходуемой для производства продукции, в атмосферу и воду сбрасывается значительное количество сопутствующей тепловой энергии. Это низкотемпературное рассеянное тепло, так называемый вторичный источник тепла. Его запасы огромны, и существуют большие потенциальные возможности использования энергии, которая вокруг нас, в самых различных сферах деятельности человека. В качестве естественных возобновляемых источников мы рассмотрели тепловую энергию земли и подземных вод (грунтовых, артезианских), а также наружного воздуха. Наиболее удачным путем реализации этого громадного потенциала на благо человечества является применение тепловых насосов -- принципиально новое, максимально эффективное решение проблемы теплоснабжения.

Как было сказано выше, тепловые насосы применяются во всем современном развитом мире. Такие страны, как Япония, США, Швеция, страны Европы и Америки, Чешская Республика, уже давно внедрили эти технологии и ежегодно выпускают миллионы теплонасосных установок.

Широчайшие возможности открывает установка тепловых насосов на Южном берегу Крыма. Это позволило бы обеспечить тепловой энергией санатории и дома отдыха, расположенные по побережью Черного моря. Большой интерес могут вызывать тепловые насосы «квартирного варианта». Их габариты меньше холодильника (диаметр 0,5 м и высота 1 м). При использовании для испарителя отработанной воды из ванны и после мытья посуды, коэффициент трансформации получится более шести. Около электростанций (в том числе и атомных) сбрасывается из конденсаторов турбин вода с температурой 30 °С в водоемы для ее охлаждения. Утилизация дешевой тепловой энергии и понижение температуры воды, подаваемой в конденсаторы турбин, будет одновременно повышать КПД турбинных установок.

Размещено на Allbest.ru