 |
Теоретические Основы преобразования энергии в тепловых двигателях
|
|
|
|
Лекция 3
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.
Существует несколько видов тепловых двигателей:
- паровая машина;
- двигатель внутреннего сгорания;
- паровая и газовая турбины;
- реактивный двигатель;
- холодильные и компрессорные машины.
Во всех этих двигателях энергия топлива переходит в энергию газа (или пара). Расширяясь, газ совершает работу и при этом охлаждается, часть его внутренней энергии превращается в механическую энергию.
Основные понятия и исходные положения термодинамики
Предметом термодинамики является изучение законов превращения тепловой энергии в энергию механическую.
Термодинамической системой называется совокупность материальныхтел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействии друг с другом и с окружающими систему внешними телами («внешней средой»).
Выбор системы произволен и диктуется условиями решаемой задачи. Те-ла, не входящие в систему, называют окружающей средой. Систему отделяют от окружающей среды контрольной поверхностью (оболочкой). Так, например, для простейшей системы - газа, заключенного в цилиндре под поршнем, внешней средой является окружающий воздух, а контрольными поверхностями служат стенки цилиндра и поршень.
Механическое и тепловое взаимодействие термодинамической системы осуществляется через контрольные поверхности. При механическом взаимодействии самой системой или над системой совершается работа. В нашем примере механическая работа производится при перемещении поршня и сопровождается изменением объема. Тепловое взаимодействие заключается в переходе теплоты между отдельными телами системы и между системой и окружающей средой.
|
|
|
В общем случае система может обмениваться со средой и веществом, та-кая система называется открытой. Потоки газа или пара в турбинах и трубопроводах - примеры открытых систем. Если вещество не проходит через границы системы, то она называется закрытой. В дальнейшем мы будем рассматривать закрытые системы.
Свойства каждой системы характеризуются рядом величин, которые при-нято называть термодинамическими параметрами.
Давление обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с поверх-ностью и численно равно силе, действующей на единицу площади поверхности
тела по нормали к последней. В соответствии с молекулярно-кинетической тео-рией давление газа определяется соотношением
где n - число молекул в единице объема; m - масса молекулы; С2 - сред-няя квадратическая скорость поступательного движения молекул.
В системе СИ давление выражается в паскалях (1 Па = 1 H/м2). Поскольку эта единица мала, удобно использовать 1 кПа = 1000 Па и 1МПа = 106 Па.
Температурой называется физическая величина, характеризующая сте-пень нагретости тела. С точки зрения молекулярно-кинетических представле-ний температура есть мера интенсивности теплового движения молекул. Ее численное значение связано с величиной средней кинетической энергии моле-кул вещества:
где h - постоянная Больцмана, равная 1, 38 10 -23 Дж/К.
Температура Т, определенная таким образом, называется абсолютной.
В системе СИ единицей температуры является кельвин (К); на практике широко применяется градус Цельсия (0С). Соотношение между абсолютной Т и стоградусной t температурами имеет вид
|
|
|
Т= t + 273, 15.
Удельный объем v–это объем единицы массы вещества. Если однород-ное тело массой М занимает объем V, то по определению v = V / М.
В системе СИ единица удельного объема 1м3/кг. Между удельным объе-мом вещества и его плотностью существует соотношение v=1/.
Изменение состояния термодинамической системы во времени называет-
ся термодинамическим процессом. Термодинамический цикл – это круговой процесс, осуществляемый термодинамической системой.
Термодинамический процесс называется равновесным, если все параметры системы при его протекании меняются достаточно медленно. В этом случае система фактически все время находится в состоянии равновесия с окружающей средой, чем и определяется название процесса.
|
|
|
