Второй закон термодинамики

В циклически действующем тепловом двигателе невозможно преобразовать все количество теплоты, получено от нагревателя, в механическую работу.

Важность этого закона состоит в том, что из него можно вывести заключение о необратимости не только процесса теплопередачи, но и других процессов в природе.

Второй закон термодинамики отражает необратимость тепловых процессов в природе.

Например, для сжатия газа, которое не может происходить самопроизвольно, требуется внешняя сила и охлаждение газа.

Необратимым процессом является диффузия.

Диффузия – физическое явление, при котором происходит самопроизвольное взаимное проникновение частиц одного вещества в другое при их контакте.

Второй закон термодинамики, определяя направление перехода между макро состояниями

большого числа частиц, входящих в состав изолированной системы, является статистическим законом.

Статистическое истолкование второго закона термодинамики

Изолированная система самопроизвольно переходит из менее вероятного в более вероятное состояние.

Замкнутая система многих частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное.

Это объясняется тем, что число микросостояний, соответствующих менее упорядоченному состоянию системы, всегда во много раз превышает число микросостояний, соответствующих упорядоченному состоянию.

Так при диффузии газы смешиваются равномерно распределяясь по объему.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
(уч.10кл.стр.275-280,уч.8кл.стр.52-56)

Определение теплового двигателя

Полная механическая работа теплового двигателя

Условия получения положительной полной механической работы

Необходимое условие для циклического получения работы в тепловом двигателе

КПД теплового двигателя и цикл Карно (см.ниже уч.10кл.)

Двигатель внутреннего сгорания, как пример теплового двигателя (уч.8кл.стр.53)

Паровая турбина, как пример теплового двигателя (уч.8кл.стр.55)

Тепловой двигатель – это многократно действующее устройство, преобразующие тепловую энергию (внутреннюю энергию топлива) в механическую энергию.

Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

Некоторые виды тепловых двигателей:

- паровая машина;

- паровая турбина;

- двигатель внутреннего сгорания;

- реактивный двигатель.

Во всех двигателях энергия топлива сначала переходит в энергию газа или пра. Газ, расширяясь, совершает работу и при этом охлаждается. Часть его внутренней энергии превращается в механическую энергию.

Любой тепловой двигатель, независимо от его конструктивных особенностей, состоит из трех основных частей:

- рабочее тело (газ или пар), совершающее работу

- нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу

- холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего тела

Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ или пар, который совершает работу при расширении, получая от нагревателя некоторое количество теплоты.

Обозначим через Т₁ начальную температуру рабочего тела, называемую температурой нагревателя.

Это температура газа или пара. Чаще всего повышение температуры происходит за счет сгорания топлива внутри самого двигателя.

По мере совершения работы газ теряет энергию и охлаждается до некоторой температуры Т₂. Эта температура не может быть значительно ниже температуры окружающей среды, так как в противном случае давление газа станет ниже атмосферного и двигатель не сможет работать. Обычно температура Т₂ несколько больше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника.

Рабочее тело при расширении не может отдать всю внутреннюю энергию на совершение работы. Часть теплоты неизбежно передается рабочим телом холодильнику.

Холодильником может служить окружающая среда или специальное устройство для охлаждения и конденсации отработанного пара – конденсатор. В последнем случае его температура может быть несколько ниже температуры окружающей среды за счет принудительного внешнего охлаждения.

Давление газа при сжатии ниже, чем при расширении, и это обеспечивает полезную работу двигателя.

Тепловой двигатель совершает работу за счет внутренней энергии рабочего тела. Причем в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику).

Полная механическая работа складывается из работы расширения газа и работы сжатия, совершаемой силами давления газа при его сжатии.

Так как при сжатии ∆V < 0, то работа сжатия отрицательна.

A = A_расш - A_сж

Для получения положительной полной механической работы (A>0) необходимо, чтобы работа сжатия газа была меньше работы расширения.

Работа совершаемая газом при расширении:

A = (p_расш-p_сж) _∆V

∆V = const из-за цикличности работы двигателя

Следовательно, давление газа при сжатии должно быть меньше его давления при расширении. При одном и том же объеме давление газа тем меньше, чем ниже его температура. Поэтому перед сжатием газ должен быть охлажден при помощи «холодильника»

Для получения полной механической работы в тепловом двигателе при циклическом процессе расширения газа должно происходить при более высокой температуре, чем сжатие.

Необходимое условие для циклического получения механической работы в тепловом двигателе – наличие нагревателя и холодильника.

Согласно закону сохранения энергии работа совершаемая двигателем: А = Q_нагр - Q_хол

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя - отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя.

См.ниже «КПД теплового двигателя и Цикл Карно»

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Очень распространенный вид теплового двигателя.

Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри двигателя. Отсюда и название.

Двигатели внутреннего сгорания работают на жидком топливе (бензин, керосин, нефть, солярка) или на горючем газе.

Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень, соединенный при помощи шатуна с коленчатым валом. Шатун преобразует поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

В верхней части цилиндра имеется два клапана, которые при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты в зависимости от положения поршня в цилиндре.

Через один клапан в цилиндр поступает горючая смесь (топливо с воздухом), через второй клапан выпускаются отработанные газы.

Горючая смесь топлива и воздуха внутри цилиндра воспламеняется при помощи электрической свечи или за счет резкого сжатия поршнем (в дизелях)

Образующиеся при сгорании горючей смеси газы с высокой температурой (1600-1800^оС) и давлением, расширяясь давит на поршень, заставляя его двигаться вниз и вращать коленчатый вал, совершая механическую работу. При этом газы охлаждаются, так как часть их внутренней энергии превращается в механическую.

Крайние положения поршня в цилиндре называются верхняя и нижняя мертвые точки.

Расстояние, проходимое поршнем между мертвыми точками называется ходом поршня.

Один рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня, или, как говорят, за четыре такта. Поэтому такие двигатели называют четырехтактными.

Один ход поршня, или один такт, совершается за один оборот коленчатого вала.

1. Поршень движется вниз. Объем камеры сгорания увеличивается, в цилиндре создается разряжение. Открывается клапан и в цилиндр подается горючая смесь.

К концу первого такта цилиндр заполнен горючей смесью и клапан ее подачи закрыт.

2. При дальнейшем повороте вала поршень идет вверх и сжимает горючую смесь.

В конце второго такта, когда поршень дойдет до верхней мертвой точки, сжатая горючая смесь воспламеняется от электрической искры или от сжатия (в дизелях), и быстро сгорает с образованием газов высокой температуры и давления.

3. Газы давят на поршень и толкают его вниз, передавая движение через шатун на коленчатый вал. Двигатель совершает полезную работу. Поэтому этот такт называют рабочим ходом двигателя.

В конце третьего такта открывается выхлопной клапан и продукты сгорания выводятся из двигателя.

4. Благодаря массе поршня и маховика двигатель вращается по инерции. Поршень движется вверх. Идет выпуск продуктов сгорания и вентилирование камеры сгорания.

В конце четвертого такта выхлопной клапан закрывается. Поршень достигает верхней мертвой точки.

Цикл двигателя состоит из следующих тактов:

впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

В реальных двигателях несколько цилиндров, которые поочередно вращают коленчатый вал. Многоцилиндровые двигатели в лучшей степени обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность.

Дата добавления: 2015-11-14