Цикл теплового двигателя

Принцип преобразования тепловой энергии в механическую работу состоит в использовании эффекта значительного объёмного расширения газообразных рабочих тел при их нагревании. Чтобы реализовать этот принцип необходимо иметь машину с рабочей полостью переменного объёма

Один из вариантов такой машины – цилиндр с поршнем, перемещение которого позволяет изменять рабочий объём. При подводе теплоты к газу последний расширяется и, оказывая силовое воздействие на поршень, перемещает его и производит внешнюю работу. Работа будет производится только при увеличении объёма рабочего тела, и как только возможности его расширения будут исчерпаны, преобразование прекратится.

Для возобновления полезного действия машины, рабочее тело надо вернуть в исходное положение. Таким образом, для непрерывного получения механической работы необходимо осуществить круговой процесс, т.е. цикл.

Рис 5.Прямой цикл работы.

Циклы подразделяются на прямые и обратные. Прямыми называются циклы, в которых теплота преобразуется в работу, обратными – те, в которых теплота передаётся от более холодного тела к более нагретому (рис.5а, 5б).

В прямом цикле рис.5 в процессе 1-а-2 к рабочему телу от горячего

источника температурой Т₁ подводится теплота Q₁ и совершается положительная работа. В процессе 2-b-1 от рабочего тела к холодному источнику температурой Т₂ отводится количество теплоты Q₂ и совершается отрицательная работа. На рисунке работа цикла изображается площадью фигуры 1-а-2-b-1. Для оценки эффективности преобразования теплоты в работу в прямом цикле используют термический коэффициент полезного действия (КПД), под которым понимают отношение работы, полученной в цикле, к затраченной теплоте:

.

Таким образом, термический КПД показывает какая часть теплоты, подведенной к циклу от нагревателя, превращена в полезную работу. Согласно второму закону термодинамики эта величина всегда меньше единицы (<100%).

Обратный цикл служит для производства холода или теплоты. В нем рабочее тело переносит теплоту от холодного источника к горячему. Таким образом, в непрерывно действующем тепловом двигателе необходимо периодическое повторение прямых циклов, в которых процесс сжатия должен характеризоваться минимальной затратой работы.

Цикл Карно (рис.6).

Основой теории тепловых машин является работа французского инженера С.Карно, в которой рассмотрен цикл теплового двигателя. Этот цикл служит эталоном для оценки идеальных циклов, так как он имеет максимальное значение термического КПД в системе, имеющей два изотермических источника теплоты.

Двигатель, работающий по циклу Карно, представляет собой поршневую машину, цилиндр который заполнен идеальным газом с параметрами p₁, v₁, T₁. Начальное состояние газа на диаграмме (рис.3) отражено точкой 1. При нагревании газа от источника тепла происходит медленное изотермическое расширение (кривая 1-2), совершая при этом работу расширения, равную площади 1-2-6-8-1. В точке 2 источник тепла удаляется и газ самопроизвольно расширяется до точки 3 без внешнего теплообмена (адиабатически) и совершает работу, равную площади 2-3-5-6-2, за счёт изменения внутренней энергии.

При осуществлении процесса расширения двигатель производит работу. При этом температура газа падает до Т₂. В точке 3 газ с температурой Т₂ сообщается с охладителем, имеющим температуру Т₂, и изотермически сжимается до точки 4 вследствие отдачи теплоты в количестве q₂. Давление его увеличивается. От точки 4 до точки 1 газ сжимается адиабатически. На линии сжатия 3-4-1 затрачивается работа, равная площади 8-1-4-3-5-8.

Рис.6. Диаграмма p-v цикла Карно.

В результате цикла Карно рабочее тело совершает полезную работу, соответствующую площади, заключённой внутри контура 1-2-3-4-1. Эта работа эквивалентна разности между подведённой (q₁) и отведённой (q₂) теплотой, а коэффициент полезного действия определяется выражением:

Анализируя это выражение можно сделать выводы:

1. Термический КПД обратимого цикла не зависит от свойств рабочего тела.

2.Термический КПД цикла Карно не может быть равен единице, поэтому не возможен полный переход теплоты в работу. Его величина зависит от интервала температур Т₁ и Т₂, в котором осуществляется цикл.

3.Цикл Карно обладает максимальным КПД из всех возможных циклов, осуществляемых в том же интервале температур.

Занятие 4.