Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

• Введение
• 1. Адиабатический процесс
• 2. Тепловые двигатели
• 3. Виды тепловых двигателей
• Заключение
• Список литературы


Введение

Адиабатическим называется процесс, при котором от системы не отбирается и не сообщается энергии. Такой процесс может происходить, если система изолирована или протекает столь быстро, что теплообмен практически не происходит. Примером процесса, очень близкого к адиабатическому, является расширение газов в двигателях внутреннего сгорания.

Соответственно при адиабатическом сжатии внутренняя энергия повышается и, следовательно, температура повышается. Например, в двигателе Дизеля объем быстро уменьшается, и поэтому температура увеличивается, а впрыскиваемая смесь из-за высокой температуры воспламеняется.

Достаточно несложно получить тепловую энергию за счет работы, например, достаточно потереть два предмета друг о друга и выделится тепловая энергия. Однако получить механическую работу за счет тепловой энергии гораздо труднее, и практически полезное устройство для этого было изобретено лишь около 1700 г.

Тепловой двигатель - это любое устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу.

Основная идея, лежащая в основе любого теплового двигателя, состоит в следующем: механическая энергия может быть получена за счет тепловой, только если дать возможность тепловой энергии переходить из области с высокой температурой в область с низкой температурой, причем в процессе этого перехода часть тепловой энергии может перейти в механическую работу.

Актуальность настоящей работы обусловлена, с одной стороны, большим интересом к теме "Тепловой двигатель" в современной науке, с другой стороны, ее недостаточной разработанностью.

Объектом исследования является анализ понятий "Тепловой двигатель" и "Адиабатический процесс". Предметом исследования является рассмотрение отдельных вопросов, сформулированных в качестве задач данного исследования.

Целью исследования является изучение темы "Тепловой двигатель" и "Адиабатический процесс" с точки зрения новейших отечественных и зарубежных исследований по сходной проблематике.

Работа имеет традиционную структуру и включает в себя введение, основную часть, состоящую из 2 глав, заключение и библиографический список.

В процессе работы выполнялся теоретико-методологический анализ темы "Тепловой двигатель" "Адиабатический процесс", в том числе исследовались теоретические аспекты изучения явления "Тепловой двигатель", изучалась природа темы "Тепловой двигатель".

1. Адиабатический процесс

Чтобы построить тепловую машину, которая может выполнять работу за счет использования теплоты, необходимо создать определенные условия. Прежде всего, тепловая машина должная работать в циклическом режиме, где ряд последовательных термодинамических процессов создают цикл. В результате совершения цикла газ, заключенный в цилиндр с подвижным поршнем, совершает работу. Но одного цикла для периодически действующей машины мало, она должна выполнять циклы раз за разом в течение определенного времени. Суммарная работа, выполненная в течение заданного времени в реальности, деленная на время дает еще одно важное понятие - мощность.

В середине XIX века были созданы первые тепловые машины. Они производили работу, но затрачивали большое количество теплоты, получаемой при сгорании топлива. Именно тогда физики-теоретики задались вопросами: "Как газ работает в тепловой машине? Как получить максимум работы при минимуме использования топлива?" Чтобы выполнить анализ работы газом, понадобилось ввести целую систему определений и понятий. Совокупность всех определений и создала целое научное направление, получившее название: "Техническая термодинамика". В термодинамике был принят ряд допущений, нисколько не умаляющих основные выводы. Рабочее тело - эфемерный газ (не существующий в природе), который может быть сжат до нулевого объема, молекулы которого не взаимодействуют между собой. В окружающей природе существуют только реальные газы, которые имеют вполне определенные свойства, отличимые от идеального газа.

Чтобы рассматривать модели динамики рабочего тела, были предложены законы термодинамики, описывающие основные термодинамические процессы, такие как:

изохорный процесс - это процесс, который выполняется без изменения объема рабочего тела. Условие изохорного процесса, v=const;

изобарный процесс - это процесс, который выполняется без изменения давления в рабочем теле. Условие изобарного процесса, P=const;

изотермический (изотермный) процесс - это процесс, который выполняется при сохранении температуры на заданном уровне. Условие изотермического процесса, T=const;

адиабатический процесс (адиабатный, так его называют современные теплотехники) - это процесс, совершаемый в пространстве без обмена теплотой с окружающей средой. Условие адиабатического процесса, q=0;

политропный процесс - это самый обобщенный процесс, который описывает все названные выше термодинамические процессы, а также все остальные возможные для совершения в цилиндре с подвижным поршнем.

Для идеальных газов, чью теплоёмкость можно считать постоянной, в случае квазистатического процесса адиабата имеет простейший вид и определяется уравнением:

где - его объём,

- показатель адиабаты, и -теплоёмкости газа соответственно при постоянном давлении и постоянном объёме.

График адиабаты (жирная линия) на диаграмме для газа.

- давление газа; - объём.

С учётом уравнения состояния идеального газа уравнение адиабаты может быть преобразовано к виду:

где - абсолютная температура газа. Или к виду:

Поскольку всегда больше 1, из последнего уравнения следует, что при адиабатическом сжатии (то есть при уменьшении ) газ нагревается ( возрастает), а при расширении - охлаждается, что всегда верно и для реальных газов. Нагревание при сжатии больше для того газа, у которого больше коэффициент .

Согласно закону Менделеева - Клапейрона ^[6] для идеального газа справедливо соотношение:

где R - универсальная газовая постоянная. Вычисляя полные дифференциалы от обеих частей уравнения, полагая независимыми термодинамическими переменными , получаем:

(3)

Если в (3) подставить из (2), а затем из (1), получим:

или, введя коэффициент

:

.

Это уравнение можно переписать в виде:

что после интегрирования даёт:

.

Потенцируя, получаем окончательно:

что и является уравнением адиабатического процесса для идеального газа.

2. Тепловые двигатели

К тепловым двигателям принято относить все машины, преобразующие тепловую энергию в механическую энергию движения. В результате поэтапного развития науки и техники человечеством использовались различные конструкции и типы тепловых двигателей.

В настоящее время во многих источниках информации (особенно, зарубежных) изобретателем первого парового двигателя упоминается английский изобретатель Джеймс Уатт (1736-1819 гг.). Уатт построил свой первый экспериментальный двигатель, как и Ползунов, в 1765 году. Но если двигатель Ползунова являлся вполне работоспособной конструкцией, выполнявшей определенные функции в производственном процессе горного дела, то Д. Уатт работу над подобным детищем завершил лишь в 1768 году, и только в 1782 году получил патент на паровой двигатель. Как бы то ни было, заслуги Д. Уатта в разработке и совершенствовании конструкций паровых двигателей трудно переоценить. Разработанные им конструкции паровых двигателей легли в основу самых различных по функционалу машин и механизмов. Первые паровые машины (двигатели внешнего сгорания) конструировались и разрабатывались без какой-либо научной базы. Ни прогнозирование эффективности, ни прочностные расчеты деталей в те годы не производились, поэтому первые паровые двигатели были настоящими монстрами, имеющими колоссальные по нашим меркам размеры. По крайней мере, под капотом современного автомобиля такую махину уж точно не разместить. Эффективность преобразования теплоты в механическую работу в таких двигателях тоже находилась на крайне низком уровне - КПД паровых машин не превышал 2…5 %.

Первый серьезный труд, поясняющий пути и способы эффективного преобразования тепловой энергии в механическую, появился в начале XIX века. Он принадлежал талантливому французскому инженеру и физику Сади Карно. Его "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу", опубликованные в 1824 году, стали первой путеводной звездой для изобретателей и разработчиков конструкций тепловых машин. Карно доказал, что эффективность любой тепловой машины зависит не от конструктивного решения, а от параметров состояния рабочего тела в начале и конце рабочего цикла, а именно - от разности между его максимальной и минимальной температурой.

Идеальный цикл теплового двигателя, описанный молодым французским ученым, и в наши дни является недосягаемой целью, к которой стремятся приблизиться конструкторы тепловых двигателей любого типа и любой конструкции. Тем не менее, даже самые совершенные двигатели внутреннего сгорания (ДВС), разработанные в наши дни, имеют КПД менее 50 %. Остальное - неиспользованные резервы достижения максимальной и минимальной температуры рабочего тела (газов, пара, горючей смеси и т. п.), а также балластные потери энергии на преодоление сил трения и нагрев окружающей среды.

3. Виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели внешнего сгорания:

1. Двигатель Стирлинга - это тепловой аппарат, в котором газообразное или жидкое рабочее тело совершает движения в замкнутом пространстве. Это устройство основано на периодическом охлаждении и нагреве рабочего тела. При этом извлекается энергия, которая возникает при изменении объема рабочего тела. Двигатель Стирлинга может работать от любого источника тепла.

2. Паровые машины. Главный их плюс - это простота и отличные тяговые качества, на которые не влияет скорость работы. При этом можно обходиться без редуктора. Этим паровая машина отличается в лучшую сторону от двигателя внутреннего сгорания, выдающего на малых оборотах недостаточное количество мощности. По этой причине паровую машину удобно использовать в качестве тягового двигателя. Недостатки: низкий КПД, невысокая скорость, постоянный расход воды и топлива, большой вес. Раньше паровые машины были единственным двигателем. Но они требовали много топлива и замерзали зимой. Затем их постепенно вытеснили электродвигатели, ДВС, паровые турбины и газовые, которые обладают компактностью, более высоким КПД, универсальностью и эффективностью.

Тепловые двигатели внутреннего сгорания:

1. ДВС (расшифровывается как двигатель внутреннего сгорания) - это двигатель, в процессе работы которого, часть сгорающего топлива преобразуется в механическую энергию. Поршневые ДВС различаются по виду топлива (газовые и жидкостные), по рабочему циклу (двух- и четырехтактные), по способу приготовления рабочей смеси (карбюраторные, дизели), по типу преобразования энергии (турбинные, комбинированные, поршневые и реактивные). Первый ДВС был придуман и создан Э. Ленуаром в 1860 году. Рабочий цикл состоит из четырех тактов, по этой причине этот двигатель еще называют четырехтактным. В настоящее время такой двигатель чаще всего встречается на автомобилях.

2. Роторный ДВС. В качестве примера можно привести электрическую тепловую станцию, работающую в базовом и пиковом режимах. Этот вид двигателя относительно прост и может быть создан в любых размерах. Вместо поршней используется ротор, вращающийся в специальной камере. В ней расположены впускные отверстия и выпускные, а также свеча зажигания. При таком типе конструкции четырехтактный цикл осуществляется без механизма газораспределения. В роторном ДВС можно использовать дешевое топливо. Также он практически не создает вибраций, дешевле и надежнее в производстве, чем поршневые тепловые двигатели.

3. Ракетные и реактивные тепловые двигатели. Суть этих устройств состоит в том, чтобы тяга создавалась не с помощью винта, а посредством отдачи выхлопных газов двигателя. Могут создавать тягу в пространстве без воздуха. Бывают твердотопливные, гибридные и жидкостные). И последний подвид - это турбовинтовые тепловые двигатели. Создание энергии происходит за счет винта и за счет отдачи газов выхлопных.

В период создания первых тепловых машин искали цикл, в котором можно получить самый высокий КПД (коэффициент полезного действия). Сади Карно, исследуя совокупность термодинамических процессов, по наитию пришел к разработке своего цикла, получившим его имя - цикл Карно. В нем последовательно выполняются изотермический, затем адиабатический процесс сжатия. Рабочее тело после выполнения этих процессов обладает запасом внутренней энергии, но цикл еще не завершен, поэтому рабочее тело расширяется и выполняет изотермический процесс расширения. Чтобы закончить цикл и вернуться к исходным параметрам рабочего тела, выполняется адиабатический процесс расширения.

Карно доказал, что КПД в его цикле достигает максимума и зависит только от температур двух изотерм. Чем выше разность между ними, тем, соответственно, выше термический КПД. Попытки создать тепловую машину по циклу Карно так и не увенчались успехом. Это идеальный цикл, который выполнить нельзя. Но он доказал главный принцип второго начала термодинамики о невозможности получения работы, равной затратам тепловой энергии. Был сформулирован ряд определений второму началу (закону) термодинамики, на основании которых Рудольф Клаузиус ввел понятие энтропии. Главный вывод его исследований - энтропия постоянно возрастает, что ведет к тепловой "смерти". Самым главным достижением Клаузиуса явилось понимание сути адиабатического процесса, при его выполнении энтропия рабочего тела не меняется. Поэтому адиабатический процесс по Клаузиусу - это s=const. Здесь s - это энтропия, которая дает еще одно название процессу, совершаемому без подвода или отвода теплоты, - изоэнтропийный процесс. Ученый занимался поиском такого цикла тепловой машины, где не происходило бы увеличение энтропии. Но, к сожалению, такого он создать не сумел. Поэтому вывел, что тепловая машина не может быть создана вообще.

Но не все исследователи были настроены столь пессимистично. Они искали реальные циклы для тепловых машин. В результате их поисков Николаус Август Отто создал свой цикл тепловой машины, который сегодня реализуется в двигателях, работающих на бензине. Здесь выполняются адиабатический процесс сжатия рабочего тела и изохорный подвод теплоты (сгорание топлива при постоянном объеме), затем появляются адиабата расширения (работа совершается рабочим телом в процессе увеличения его объема) и изохорный отвод теплоты. Первые двигатели внутреннего сгорания по циклу Отто использовали в качестве топлива горючие газы. Много позже были придуманы карбюраторы, которые стали создавать бензовоздушные смеси воздуха с парами бензина и подавать их в цилиндр двигателя.

В цикле Отто сжимается горючая смесь, поэтому величина сжатия ее сравнительно небольшая - горючая смесь имеет склонность детонировать (взрываться при достижении критических давлений и температур). Поэтому работа при адиабатическом процессе сжатия сравнительно невелика. Здесь введено еще одно понятие: степень сжатия - отношение полного объема к объему сжатия. Поиск путей увеличения эффективности использования энергии топлива продолжался. Увеличение КПД видели в повышении степени сжатия. Рудольф Дизель разработал свой цикл, в котором подвод теплоты осуществляется при постоянном давлении (в изобарном процессе). Его цикл лег в основу двигателей, использующих дизельное топливо (его еще называют соляркой). В цикле Дизеля сжимается не горючая смесь, а воздух. Поэтому говорят, что совершается работа в адиабатическом процессе. Температура и давление в конце сжатия высоки, поэтому через форсунки осуществляется впрыск топлива. Оно перемешивается с горячим воздухом, образует горючую смесь. Она сгорает, при этом увеличивается внутренняя энергия рабочего тела. Далее расширение газа идет по адиабате, совершается рабочий ход. Попытка реализовать цикл Дизеля в тепловых машинах не удалась, поэтому Густав Тринклер создал комбинированный цикл Тринклера. Его и используют в сегодняшних дизельных двигателях. В цикле Тринклера теплота подводится по изохоре, а потом по изобаре. Только после этого выполняется адиабатический процесс расширения рабочего тела.

По аналогии с поршневыми тепловыми машинами работают и турбинные. Но в них процесс отвода теплоты по завершении полезного адиабатического расширения газа выполняется по изобаре. На самолетах с газотурбинным и турбовинтовым двигателями адиабатический процесс совершается дважды: при сжатии и расширении. Чтобы обосновать все основополагающие понятия адиабатического процесса, были предложены расчетные формулы. Здесь фигурирует важная величина, получившая название показатель адиабаты. Его значение для двухатомного газа (кислород и азот - это основные двухатомные газы, имеющиеся в воздухе) равно 1,4. Для расчета показателя адиабаты используются еще две интересные характеристики, а именно: изобарная и изохорная теплоемкости рабочего тела. Отношение их

k=Cp/Cv

- и есть показатель адиабаты. Почему в теоретических циклах тепловых машин используется адиабатический процесс? На самом деле выполняются политропные процессы, но из-за того, что они происходят с высокой скоростью, принято предполагать отсутствие теплообмена с окружающей средой. 90 % электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях. В них в качестве рабочего тела используется водяной пар. Его получают при кипении воды. Чтобы повысить рабочий потенциал пара, его перегревают. Затем при высоком давлении перегретый пар подается на паровую турбину. Здесь также совершается адиабатический процесс расширения пара. Турбина получает вращение, его передают на электрогенератор. Тот, в свою очередь, вырабатывает электроэнергию для потребителей. Паровые турбины работают по циклу Ренкина. В идеале повышение эффективности также связано с увеличением температуры и давления водяного пара. Как видно из изложенного, адиабатный процесс является весьма распространенным в производстве механической и электрической энергий. термодинамический адиабата тепловой двигатель

Заключение

Адиабатический процесс - термодинамический процесс без теплообмена (мгновенный).

Адиабатические процессы обратимы, только тогда, когда в каждый момент времени система остаётся равновесной (например, изменение состояния происходит достаточно медленно) и изменения энтропии не происходит. Адиабатический процесс для идеального газа описывается уравнением Пуассона. Для идеальных газов, чью теплоёмкость можно считать постоянной, в случае квазистатического процесса адиабата имеет простейший вид и определяется уравнением:

где - его объём,

- показатель адиабаты, и - теплоёмкости газа соответственно при постоянном давлении и постоянном объёме.

Большая часть двигателей на Земле - это тепловые двигатели. Устройства, превращающие энергию топлива в механическую энергию, называются тепловыми двигателями. Любой тепловой двигатель (паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания) состоит из трех основных элементов: рабочего тела (это газ), которое совершает работу в двигателе; нагревателя, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой затем идет на совершение работы; холодильника, которым является атмосфера или специальные устройства.

Ни один тепловой двигатель не может работать при одинаковой температуре его рабочего тела и окружающей среды. Обязательно температура нагревателя больше температуры холодильника. При совершении работы тепловыми двигателями происходит передача теплоты от более горячих тел к более холодным. Рабочее тело двигателя получает количество теплоты QН от нагревателя, совершает работу A' и передает холодильнику количество теплоты QХ. В соответствии с законом сохранения энергии:

А' < QН - QХ.

В случае равенства речь идет об идеальном двигателе, в котором нет потерь энергии. Отношение работы к энергии, которое получило рабочее тело от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия (КПД), h < 1:

h = = = ;

Список литературы

1. Э.М. Карташов, В.А. Кудинов, Е.В. Стефанюк. Техническая термодинамика и теплопередача. - М.: Юрайт, 2012. - 576 с.

2. Н.И. Прокопенко. Термодинамический расчет идеализированного цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2006. - 144 с.

3. Н.И. Прокопенко. Термодинамический расчет идеализированного цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2009. - 144 с.

4. В.А. Кудинов, Э.М. Карташов, Е.В. Стефанюк. Техническая термодинамика и теплопередача. - М.: Юрайт, 2011. - 560 с.

5. Основы теории тепловых процессов и машин. В 2 частях. Часть 1. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2009. - 560 с.

6. А.А. Гухман. Об основаниях термодинамики. - М.: ЛКИ, 2010. - 384 с.

7. В. Шюле. Техническая термодинамика. Том 1. Книга 2. - М.: Государственное энергетическое издательство, 1934. - 260 с.

8. Загрядцкий Владимир Иванович; Харитонова Л.Г. К Вопросу Создания Автономного Энергосберегающего Источника Энергии. - М.: 2008. - 3 с.

Размещено на Allbest.ru