Второе начало термодинамики. Принцип действия тепловой машины и ее КПД. Лекция 6

Тепловой двигатель
Это устройство, превращающее
внутреннюю энергию топлива в механическую.
К тепловым двигателям относятся:
паровые машины;
двигатели внутреннего сгорания (ДВС);
паровые и газовые турбины;
ракетные двигатели

И.И. Ползунов - создатель первой
в России паросиловой установки (1765г.)
Ползунов — «муж, делающий честь своему отечеству.
Он строит теперь огненную машину, совсем отличную
от венгерской и английской». Э. Г. Лаксман

Джеймс Уатт – изобретатель универсальной
паровой машины (1785г.)

Устройство и принцип действия теплового двигателя
Тепловой двигатель включает три части:
рабочее тело;
нагреватель;
холодильник
Принцип действия теплового двигателя основан на свойстве газа или пара при расширении совершать работу.

Принцип действия теплового двигателя
Полезная работа за цикл:
Aполезн = A1 - A2 = Q1 – Q2 .
Тепловой двигатель работает циклически.
В процессе работы теплового двигателя
периодически повторяются расширения и сжатия газа.
Тело из начального состояния 1 переводится в конечное 2, а затем через другие промежуточные состояния возвращается в начальное состояние1, т.е. совершается круговой процесс или цикл.

Идеальная тепловая машина
Сади Карно (1796-1832)
Рабочее тело – идеальный газ
В идеальной машине
отсутствуют потери:
на теплопроводность,
на трение,
на излучение и т.д.
Идеальная тепловая машина работает по циклу Карно

Цикл Карно
Цикл Карно состоит из двух изотермических и
двух адиабатных процессов.
1-2 - газ изотермически расширяется, совершая положительную работу, при температуре T1
2-3 - сосуд теплоизолируют, газ продолжает расширяться адиабатно, его температура понижается до температуры холодильника T2
3-4 - газ приводят в контакт с холодильником, при изотермическом сжатии он отдает холодильнику количество теплоты Q2
4-1 - сосуд снова термоизолируют, идеальный газ сжимается адиабатно и возвращается в первоначальное состояние: ∆V = 0.
1

К.п.д. тепловой машины
Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:
где Q1 - количество теплоты, полученное от нагревателя,
Q2 - количество теплоты, отданное холодильнику.
Коэффициент полезного действия (КПД)
теплового двигателя :
Максимально возможный КПД:
А = Q1 – Q2
η = А / Q1 = (Q1 – │Q2│) / Q1 = 1 - │Q2│ / Q1
ηmax = (T1 – T2) / T1 = 1 - T2 / T1

Второе начало термодинамики
Первое начало термодинамики устанавливает
количественное соотношение между количеством теплоты, работой и изменением внутренней энергии тела.
Второе начало термодинамики определяет направление процессов, происходящих в природе и связанных с превращением энергии.
Теплота не может сама собой переходить от тела
с более низкой температурой к телу с более высокой температурой
при отсутствии других одновременных изменений
в обеих системах или в окружающих телах.
Q = ΔU + А

Влияние тепловых машин
на окружающую среду
Из-за отвода в окружающую среду значительных количеств теплоты возникает «тепловое загрязнение» среды;
Из-за сжигания топлива:
расходуется атмосферный кислород;
в атмосферу выделяется углекислый газ;
атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, золой, хлопьями сажи

Модель парового двигателя, выполненная студентом группы 1-С-127 Федоровым И.
в ходе индивидуального проекта