belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 58
Текст из файла (страница 58)
Необрагпил«ые процессы. Цикл Карно обратим, потому что обратимы все процессы, из которых он состоит. Но обратимый процесс идеализация. Есть несколько причин, по которым все реальные процессы необратимы. Трение. При наличии трения работа переходит в тепло. Тепло в работу 1юлностью превратить нельзя — — в этом смысл второго начала. Теплопередача при копсчпо11 разности температур. Одним из критериев обратимости является возможность запустить процесс в обратную сторону при ничтожно малом изменении параметров участвующих в процессе тел. Ясно, что если перепад температур достаточно велик, необходимо соответственно большое изменение параметров, чтобы поток тепла пошел в обратную сторону. Скачок даолеп л.
Тут можно привести подобну1о аргументациях Диффузия. Если мы бросим кусок сахара в стакан воды и подождем достаточное время, сахар практически равномерно распределится по всему общему. А вот обратно в кусок он пе соберется — процесс перемешивания молекул сахара и воды, процесс диффузии сахара в воде необратим. Если цикл включает хотя бы один необратимый процесс, он необратим в целом. Чего же можно ждать от такого цикла? Вторал теорема Карпо. КПД любой машины, работающей гю необратимому циклу, не может превышать КПД машины Карно, работающей между теми же тепловыми резервуарами. Вторая теорема доказывается точно так же, как первая. Запустим машину Карно по холодильному циклу, используя работу, полученную от необратимой машины.
Если КПД последней превышает КПД машины Карно, в резуль"тате мы получим нескомпенсирова1шую передачу тепла от холодного тела горячему. Невольно возникает вопрос: а осли мы поменяем функции машин, не «докажем» ли мы, что вообще у всех тепловых машин КПД одинаковы? Конечно, пет.
Это только обратимая машина в холодильном цикле все делает так же, как в прямом, только с противоположным знаком. Необратимую машину, как правило, можно запустить в обратную сторону, но работать она будет совсем иначе. Рассмотрим этот вопрос на примере машины, у которой состояние рабочего тела меняется квазистатически (т. е. вроде бы обратимо), а необратимость сосредоточена в теплообмепе между рабочим телом и термостатами. Пусть цикл этой машины (точнее, ее рабочего тела) состоит из двух изохор и двух изобар (прямоугольник 12341 Рис. 2.6 на 1,ис 2 б) Нетрудно понять, что на участках 41 и 12 газ получает тепло от нагревателя, имеющего температуру Т1.
В холодильном цикле он на этих участках должен отдавать тепло высокотемпературному резервуару, т. е. тому самому термостату, который имеет температуру Т1. Но температура рабочего тела на этих участках заметно ниже Т1, и малым ее изменением нельзя заста- ал. тегмод1лнАми 1еские циклы. теплОВые мАшины вить тепло течь от рабочего тела в высокотемпературный термостат. Если машина и сможет работать в качестве холодильного агрегата, то график изменения состояния ее рабочего тела не будет даже похож на фигуру 12341.
Итак, мы можем сформулировать свойство цикла Карно следующим образом: он имеет максимально возможный КПД при заданных температурах нагревателя и холодильника. Тепловые машины. Попытки создать устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу, предпринимались очень давно. Примитивная паровая турбина была известна еще до начала нашей эры (так называемый «эолипил» Герона Александрийского). Однако до появления реально действующей тепловой машины прошло почти два тысячелетия.
Первую универсальную паровую машину поршневого типа создал Дж. Уатт (1764). Этому предшествовало изобретение парового котла Д. Папеном (1680), создание наро-атмосферных водоподъемных машин Т. Севери (1689) и Т. Ньюкоменом (1705), воздуходувной машины И.И. Ползуновым (1763). В течение двух десятилетий Уатт внес в устройство машины многочисленные усовершенствования. Тем не менее, КПД таких машин пе превышал 5-7 %.
Работы С. Карно (1824) появились более чем через столетие после создания первых тепловых двигателей. Заслуга Карно не только в том, что он установил предельное значение КПД тепловой машины. Он же подсказал и пути его повышения, в первую очередь повышение температуры рабочего тела. В частности, повышение температуры пара в котлах высокого давления 1юзволило подойти к рубежу 12 %. Паровая машина нашла самое широкое применение и сыграла решающую роль в промышленной революции переходе от мануфактурного производства к машинному. Широко распространилась паровая машина на транспорте; паровоз Р. Тревитика (1803), пароход Р. Фултона (1807), железная дорога Дж.
Стефепсона (1825) знаменовали начало перехода транспорта «на механическую тягу». До конца Х1Х в. паровая машина поршневого типа служила практически единственным универсальным двигателем. Однако с начала ХХ в. ее начали вытеснять паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания. Сейчас паровые машины можно лишь изредка встретить па старых паровозах ипароходах. Р Пригодные для промьппленного использования тур- тР,— бины удалось разработать только в конце Х1Х в., когда термодинамика, а также металлургия и машиностроение достигли достаточно высокого уровня. Уже первые паровые турбины, созданные Ч.
Парсонсом (1884) и К. Лавалем (1889), превзошли по своим характеристикам паровые машины традиционного Р с. 2.7 ис. типа. Современные паровые турбины работают на перепаде температур от 600 'С до 30'С. Машина, работающая по идеальному циклу Карно, в гаких условиях имела бы КПД около 65 %. Однако цикл турбины отличается от цикла Карно. Изменение состояния рабочего тела в турбине описывается циклом из двух изобар и двух адиабат (рис. 2.7).
Подсчитаем теоретический КПД турбины. ГЛ. 2. ИЛЕХЗЕНТЫ ТЕРМОДИНАМИКИ 220 Если рабочее тело можно считать идеальным газом, теоретический КПД турбины однозначно определится двумя параметрами отношением давлений на изобарах т и показателем адиабаты рабочего тела 7. Тепло подводится к рабочему телу на изобаре 23: Я1 = СР(Тз — Т2). Отводится тепло на изобаре 41: Я2 = С (Тх — Т1). В то же время из уравнения адиабаты можно получить соотношения между температурами: Т2 = = Т1т~т )~т; Тз = Т4т~ т Используя эти соотношения, получим для КПД О,+~)2 Т,— Т, П= — 1 — — 1— Ф Тз — Т2 тли 1Гт Для лучших современных турбин типи шое значения 2п = 8; рабочее тело в основном состоит из газов, входящих в состав воздуха, поэтому можно принять у = 1,4.
Подставив в полученную формулу эти данные, получим величину теоретического КПД турбины ц = 0,45 (45 %). Реально удается достичь показателей в 40-42 %. Основное применение тепловые двигатели, в первую очередь турбины, в настоящее время находят на тепловых и атомных электростанциях. Даже небольшое повышение КПД машины дает в промышленных масштабах заметную экономию топлива.
ТЭС мощностью 3 ГВт за год потребляет 13 — 14 миллионов тонн угля. Повьппение КПД всего на 1 % позволяет за год сэкономить более 100 тысяч тонн. Поэтому используются различные, порой достаточно сложные, способы повышения КПД тепловых машин. Так, комбинация газовой турбины, работающей от 1200'С до 600'С, с паровой турбиной позволяет довести суммарный КПД до 48 %.
Эффективным способом повышения КПД является так называемая «регенерация» тепла, когда в специальном теплообменпике отработапныс газы нагревают те, которые еще только направляются в камеру сгорания. С применением регенерации удается поднять КПД тепловых электростанций до 53-55 %. При использовании тепловых машин в транспортных средствах наряду с КПД немаловажную роль играет масса двигателя, приходящаяся на единипу мощности. И с этой точки зрения неоспоримое преимущество имеют двигатели внутреннего сгорания. Демонстрационную модель двигателя внутреннего сгорания Д. Пален и Х. Гюйгенс создали еще в 1680 г., даже раньше парового котла.
Однако действующий ДВС удалось создать только Э. Ленуару (1860). По величине КПД (чуть больше 3%) этот двигатель заметно уступал паровым машинам того времени. В первые десятилетия после этого характеристики ДВС улучшались сравнительно медленно. Двигатель внутреннего сгорания стал конкурентоспособным после создания Н. Отто (1876) четырехтактного двигателя с КПД, приближающимся к 20%. Работа карбюраторпого (бензинового) двигателя внутреннего сгорания в основных чертах описывается циклом, который состоит из двух адиабат и двух изохор (рис.
2.8). Теоретический КПД этого цикла (цикла Отто) выражается через степень сжатия и отношение обьемов рабочего тела на изохорах. Проведя расчет, подобный тому, что мы провели для турбины, зм. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ. ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ получим 1 9=1— Степень сжатия горючей смоси ограничивается возможностью детонации горючей смеси, что приводит к разрушению цилиндра двигателя. Чем выше допустимая степень сжатия, тем более качественный (с более высоким октановым числом), более дорогой требуется бензин. В современных двигателях степень сжатия достигает 1 величины и = 10 — 10,5. Как следует из приведенной выше формулы, теоретическое значение КПД при этом достигает 60%.
Однако па практике, в двигателях вну- 4, треннего сгорания отличие цикла от теоретического, 2 неполная обратимость процессов приводят к тому, что реальное значение КПД в два-три раза ниже теоретиче- ,3 к ского. Р. Дизель (1897) предложил впрыскивать топливо в уже сжатый воздух. Это позволяет уволичить степень Рис. 2.8 сжатия примерно до 20, причем возможно применение сравнитольно дешевого топлива. Реальный КПД дизоля достигает 30 %, тогда как у карбюраторных (бензиновых) двигателей он, как правило, едва превышает 20 %. По величине КПД дизель превосходит карбюраторные двигатели.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
