Роль термодинамики в современной физике
- энтропию. Если энергия
закрытой системы остается неизменной, то энтропия этой системы, состоящая
из энтропий ее частей, при каждом изменении увеличивается - уменьшение
энтропии считается противоречащим законам природы. Сосуществование таких
независимых друг от друга функций состояния, как энергия и энтропия, дает
возможность делать высказывания о тепловом поведении тел на основе
математического анализа. Поскольку обе функции состояния вычислялись лишь
по отношению к произвольно выбранному начальному состоянию, определения
энергии и энтропии не были совершенными. Третье начало термодинамики
позволило устранить этот недостаток. Важное значение для развития
термодинамики имели установленные Ж.Л.Гей-Люссаком законы - закон теплового
расширения и закон объемных отношений. Б.Клапейрон установил зависимость
между физическими величинами, определяющими состояние идеального газа
(давлением, объемом и температурой), обобщенное Д.И.Менделеевым.
Таким образом, концепции классической Термодинамики описывают состояния
теплового равновесия и равновесные (протекающие бесконечно медленно,
поэтому время в основные уравнения не входит) процессы. Термодинамика
неравновесных процессов возникает позднее - в 30-х гг. ХХ века. В ней
состояние системы определяется через плотность, давление, температуру и
другие локальные термодинамические параметры, которые рассматриваются как
функции координат и времени. Уравнения неравновесной термодинамики
описывают состояние системы во времени.
ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ
Паровая машина. Первые практически действующие универсальные паровые машины
были созданы русским изобретателем Иваном Ивановичем Ползуновым и
англичанином Джемсом Уаттом.
В машине Ползунова из котла по трубам пар с давлением, немного превышающим
атмосферное, поступал поочередно в два цилиндра с поршнями. Для улучшения
уплотнения поршни заливались водой. Посредством тяг с цепями движение
поршней передавалось мехам для трех медеплавильных печей.
Постройка машины Ползунова была закончена в августе 1766 г. Она имела
высоту 11 м, емкость котла 7 м3, высоту цилиндров 2,8 м, мощность 29 кВт.
Машина Ползунова создавала непрерывное усилие и была первой универсальной
машиной, которую можно было применять для приведения в движение любых
заводских механизмов.
В паровой машине Д. Уатта два цилиндра были заменены одним закрытым. Пар
поступал попеременно по обе стороны поршня, толкая его то в одну, то в
другую сторону. В такой машине двойного действия отработавший пар
конденсировался не в цилиндре, а в отдельном от него сосуде — конденсаторе.
Постоянство числа оборотов маховика поддерживалось центробежным
регулятором. Разработка парового двигателя была завершена Д. Уаттом в 1784
г.
Главным недостатком первых паровых машин был низкий КПД. У паровозов КПД
не превышал 9%.
Паровая турбина и ТЭЦ. Значительного повышения КПД удалось достигнуть в
результате изобретения паровой турбины.
Первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была
изготовлена шведским инженером Густавом Лавалем в 1889 г. Для работы
паровой турбины за счет энергии, освобождаемой при сжигании каменного угля
или мазута, вода в котле нагревается и превращается в пар. Пар нагревается
до температуры более 500 °С и при высоком давлении выпускается из котла
через сопло. При выходе пара внутренняя энергия нагретого пара
преобразуется в кинетическую энергию струи пара. Скорость струи пара может
достигнуть 1000 м/с. Струя пара направляется на лопатки турбины и приводит
турбину во вращение. На одном валу с турбиной находится ротор
электрического генератора. Таким образом энергия топлива в конечном счете
преобразуется в электрическую энергию.
Современные паровые турбины обладают высоким КПД преобразования
кинетической энергии струи пара в механическую энергию, превышающим 90%.
Поэтому электрические генераторы практически всех тепловых и атомных
электростанций мира, дающие более 80% всей вырабатываемой электроэнергии,
приводятся в действие паровыми турбинами.
Температура пара, применяемого в современных паротурбинных установках, не
превышает 580 °С (температура нагревателя Т1=853 К), а температура пара на
выходе из турбины обычно не ниже 30 °С (температура холодильника Т2=303 К);
поэтому максимальное значение КПД паротурбинной установки как тепловой
машины равно:
а реальные значения КПД паротурбинных конденсационных электростанций
составляют лишь около 40%.
Мощность современных энергоблоков котел — турбина — генератор достигает
1,2*106 кВт.
Для повышения КПД на многих электростанциях тепло, отбираемое от паровой
турбины, используется для нагревания воды. Горячая вода поступает в систему
бытового и промышленного теплоснабжения.
Коэффициент полезного использования топлива в такой теплоэлектроцентрали
(ТЭЦ) повышается до 60—70%.
Тепловые машины и транспорт. Различные виды тепловых машин являются
основой современного транспорта. Тепловые машины приводят в движение
автомобили и тепловозы, речные и морские корабли, самолеты и космические
ракеты. Одной из наиболее распространенных тепловых машин, используемых в
различных транспортных средствах, является двигатель внутреннего сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания. Среди способов увеличения КПД тепловых
двигателей один оказался особенно эффективным. Сущность его состояла в
устранении части потерь теплоты перенесением места сжигания топлива и
нагревания рабочего тела внутрь цилиндра.
Отсюда и происхождение названия — «двигатель внутреннего сгорания».
Первый двигатель внутреннего сгорания был создан в 1860 г. Французским
инженером Этье-ном Ленуаром, но эта машина была еще весьма несовершенной.
В 1862 г. французский изобретатель Бо де Роша предложил использовать в
двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл: 1) всасывание; 2)
сжатие; 3) горение и расширение; 4) выхлоп. Эта идея была использована
немецким изобретателей Н. Отто, построившим в 1878 г. первый четырехтактный
газовый двигатель внутреннего сгорания. КПД этого двигателя достигал 22%,
что превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех
предшествующих типов.
Развитие нефтяной промышленности в конце XIX в. дало новые виды топлива —
керосин и бензин. В бензиновом двигателе для более полного сгорания топлива
перед впуском в цилиндр его смешивают с воздухом в специальных смесителях,
называемых карбюраторами. Воздушно- бензиновую смесь называют горючей
смесью.
Для полного сгорания в составе смеси на один килограмм бензина должно
приходиться не менее пятнадцати килограммов воздуха. Это означает, что
рабочим телом в двигателях внутреннего сгорания фактически является воздух,
а не пары бензина. В отличие от паровых машин здесь топливо сжигается для
нагревания газа, а не для превращения жидкости в пар. Правда, наряду с
нагреванием воздуха происходит и частичное изменение его состава: вместо
молекул кислорода появляется несколько большее количество молекул
углекислого газа и водяного пара. Азот, составляющий более ѕ воздуха,
испытывает лишь нагревание.
[pic]
Впуск Сжатие Рабочий ход Выхлоп
Рис. 1
При движении поршня от верхнего положения до нижнего через выпускной клапан
происходит засасывание горучей смеси в цилиндр (рис.1). Этот процесс
происходит при постоянном давлении. При обратном ходе поршня начинается
сжатие горючей смеси. Сжатие происходит быстро, и поэтому процесс близок к
адиабатическому.
В конце такта сжатия происходит воспламенение горючей смеси электрической
искрой. Быстрое сгорание паров бензина сопровождается передачей рабочему
телу — воздуху — количества тепла, резким возрастанием температуры,
давления воздуха и продуктов сгорания. За короткое время горения смеси
поршень практически не изменяет своего положения в цилиндре, поэтому
процесс нагревания газа в цилиндре можно считать изохорическим.
Под действием давления горячих газов поршень совершает рабочий ход, газы
адиабатически расширяются от объема vi до объема V2.
В конце рабочего такта открывается выпускной клапан и рабочее тело
соединяется с окружающей атмосферой. Выпуск отработанных газов
сопровождается передачей количества тепла Q2 окружащему воздуху, играющему
роль охладителя.
Для поршневых двигателей внутреннего сгорания важной характеристикой,
определяющей полноту сгорания топлива и значительно влияющей на величину
КПД, является степень сжатия горючей смеси:
где V2 и V1 — объемы в начале и в конце сжатия. С увеличением степени
сжатия возрастает начальная температура горючей смеси в конце такта сжатия,
что способствует более полному ее сгоранию. В карбюраторных двигателях
увеличению степени сжатия выше 8—9 препятствует самовоспламенение
(детонация) горючей смеси, происходящее еще до того, как поршень достигнет
верхней мертвой точки. Это явление оказывает разрушающее действие на
двигатель и снижает его мощность и КПД. Достигнуть высоких степеней сжатия
без детонации удалось увеличением скорости движения поршня при повышении
числа оборотов двигателя до 5—6 тыс. об/мин и применением бензина со
специальными антидетонационными присадками.
Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания широко применяются в
автомобильном транспорте. Они приводят в движение почти все легковые и
многие грузовые автомобили.
Двигатель Диз
| |  скачать работу |
Роль термодинамики в современной физике |
