Страница: 4/7
Принцип действия холодильника или теплового насоса состоит в обращении рабочих стадий теплового двигателя.
Работа обычно совершается мотором компрессора (рис.7).
В обычном холодильнике цикл состоит из нескольких стадий:
а. Пар сжимается компрессором, нагреваясь при этом.
б. Нагретый пар поступает в конденсатор образуется горячая жидкость.
в. Через расширительный клапан горячая жидкость поступает в теплообменник, где испаряясь охлаждается.
г. Затем пар снова поступает в компрессор и цикл повторяется.
Двигатель Карно и его КПД.
В начале ХIХ века процесс преобразования теплоты в механическую работу подробно изучал французский ученый Н.Л. Сади Карно (1796-1832). Он намеревался определить способы повышения КПД тепловых машин, однако исследования привели к изучению основ термодинамики.
Как вспомогательное средство для своих исследований он на бумаге изобрел идеализированный тип двигателя, который теперь принято называть двигателем Карно.
В этом двигателе происходят обратимые процессы, т.е. протекающие чрезвычайно медленно, так что его можно рассматривать, как последовательный переход от одного равновесного состояния к другому, причем этот процесс можно провести в обратном направлении без изменения совершенной работы и переданного количества теплоты. Например газ находящийся в цилиндре с плотно прижатым к стенке поршнем, который не имеет трения, можно сжать изотермически, если сжатие производить очень медленно. Однако если в процессе участвуют какие-либо еще факторы, например трение, то работа совершенная в обратном направлении не будет равна совершенной при сжатии. Вполне естественно, что обратимые процессы невозможны, поскольку на их совершение потребуется бесконечно много времени. Но тем не менее такие процессы можно моделировать со сколь угодной точностью. Все реальные процессы необратимы, так как могут присутствовать: трение, в газах - возмущения и многие другие факторы.
Двигатель Карно основан на обратимом цикле, т.е. на последовательности обратимых процессов.
В двигателе Карно используется одноименный цикл (рис.8). В точке а начальное состояние системы. Сначала газ расширяется изотермически и обратимо по пути ab при заданной температуре TH, например газ приходит в контакт с термостатом, имеющим очень большую теплоемкость. Затем газ расширяется адиабатически и обратимо по пути bc, при этом передача теплоты практически не происходит и температура газа падает до более низкого значения TL.
На третьей стадии цикла происходит изотермическое и обратимое сжатие газа по пути cd, здесь газ контактирует с холодным термостатом при температуре ТL. И наконец газ адиабатически и обратимо сжимается по пути da возвращаясь, таким образом, в исходное состояние.
Несложно показать, что результирующая работа численно равна площади ограниченной кривыми.
КПД двигателя Карно определяется также как и любого другого двигателя:
Однако можно показать, что его КПД зависит лишь от ТН и ТL.
В первом изотермическом процессе ab совершаемая газом работа равна:
Wab=nRTHln(Vb/Va)
, где n - число молей идеального газа, используемого в качестве рабочего тела. Поскольку внутренняя энергия идеального газа не меняется, когда температура постоянна, сообщаемая газу теплота полностью переходит в работу ( в соответствии с первым началом термодинамики):
½QH½=nRTHln(Vb/Va)
Аналогично запишется теплота отдаваемая газом в процессе cd:
½QL½=nRTLln(VC/Vd)
Поскольку bc и da адиабатические процессы, получаем:
PbVb=PcVc и PdVd=PaVa
В соответствии с уравнением состояния идеального газа получаем:
 |
С помощью несложных математических преобразований этих выражений получаем математическое выражение отображающее суть цикла Карно:
|
½QL½/½QH½=TL/TH |
(7) |
Реферат опубликован: 29/11/2009