Тепловые машины.

Процесс, который можно рассматривать как диффузию в пространстве импульсов, называется вязкостью, или внутренним трением.

Переносимой физической величиной является импульс частицы, который мы обозначим как – (m·u). В импульсе (m·u) «u»есть направленная скорость частиц в отличие от тепловой скорости. Поток импульса будет равен: , где коэффициент пропорциональности между потоком и скоростью изменения скорости частиц в направлении оси ОХ называется коэффициентом вязкости среды –

 

Термодинамика, как наука, развилась в начале XIX века из необходимости объяснить работу тепловых машин.

Определение 1.

Тепловой машиной называется устройство, использующее тепловую энергию для совершения механической работы (в этом смысле и паровой двигатель, и атомный реактор эквивалентны).

Тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела (например, пар или горючая смесь в ДВС) и охладителя рабочего тела. Охладителем, в конечном счете, служит окружающая среда.

Тепловая машина работает по принципу замкнутого цикла, совершая круговой процесс (схема слева!).

 

 

В ходе прямого цикла рабочее тело получив от нагревателя количество тепла Q₁, расширяется от объема V₁до объема V₃.

Согласно первому закону термодинамики, это тепло расходуется на нагревание рабочего тела и на совершение механической работы Q₁ = (E₂ E₁) + A₁₃. Здесь (E₂ E₁)– это изменение внутренней энергии рабочего тела при переходе из состояния 1 в состояние 3.

При обратном цикле над газом производится работа: газ сжимается и отдает охладителю количество тепла (Q₂ )= (E₁ E₂) + A₃₁.

Складывая соотношения для Q₁ и (Q₂), получим, что

Q₁ Q₂ = A₁₃ + A₃₁ =A,

где А – полная работа, совершенная машиной за один цикл.

Определение 2.

Отношение полезной работы, совершенной машиной, к количеству полученного тепла называется КПД тепловой машины .

Понятно, что КПД машины всегда меньше единицы (), поскольку не все количество полученного тепла переходит в полезную работу.

В реальных тепловых машинах КПД, очевидно, еще меньше, так как часть тепла теряется безвозвратно в процессе работы машины.

Для получения максимального КПД следует рассмотреть рабочий цикл, образованный обратимыми процессами.

Этому требованию отвечает цикл (см. схему), впервые рассмотренный французским ученым Карно (модель идеального газа!).

Определение 3.

Циклом Карно называется прямой круговой процесс, состоящий из двух изотермических (dT=0) процессов {1-2,3-4} и двух адиабатических (dQ=0) процессов {2-3,4-1}. В процессе {1-2} рабочее тело получает от нагревателя тепло, в процессе {3-4} рабочее тело отдаёт тепло холодильнику.

Примечание. Достоинство цикла Карносостоит в том, что все процессы обратимы, и, следовательно, КПД такой машины будет максимальным.

 

Колличественные оценки происходящих процессов привдят к выражению для КПД цикла Карно:

 

. (1)

Из полученной формулы (1) следует, что КПД тепловой машины определяется только разностью температур нагревателя и холодильника. КПД не зависит ни от свойств рабочего тела, используемого в машине, ни от свойств самой машины.

Полученный результат показывает, что при T₁ = T₂КПД машины равен нулю, т. е. машина не совершает работы. Работа максимальна (η = 1) при T₂ = 0.

Таким образом, машина тем выгоднее, чем ниже температура охладителя.

 

//Фильм: 019 «Принцип действия двигателя внутр. сгорания»//