Круговые тепловые процессы (циклы): цикл Карно, термический КПД кругового процесса. Термические циклы и элементы химической термодинамики поршневых ДВС.

Круговым процессом (или циклом) называется процесс, при котором система, проходя через ряд состояний, возвращается в первоначальное. Если за цикл совершается положительная работа A = ∫pdV>0 (цикл идет по часовой стрелке), то он называется прямым, если за цикл осуществляется отрицательная работа A = ∫pdV<0 (цикл идет против часовой стрелки), то он называется обратным .

Цикл Карно́ или процесс Карно — это обратимый круговой процесс, состоящий из двух адиабатических и двух изотермических процессов. В процессе Карно термодинамическая система выполняет механическую работу и обменивается теплотой с двумя тепловыми резервуарами, имеющими постоянные, но различающиеся температуры. Резервуар с более высокой температурой называется нагревателем, а с более низкой температурой — холодильником. В результате кругового процесса система может теплоту как получать, так и отдавать, поэтому   

Идеальные термодинамические циклы поршневых двигателей (циклы Карно, Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера) описывают процессы, происходящие в цилиндрах двигателя из условий максимального использования тепловой энергии. Эти циклы различаются, в основном, способом подвода тепла при постоянной температуре рабочего тела, при постоянном объеме, при постоянном давлении и смешанным образом.

Чтобы нагляднее понять суть процессов, составляющих эти циклы, попробуем отбросить стереотипы, зачастую мешающие реально осмыслить причины, приводящие в движение поршень теплового двигателя и, в конечном итоге, заставляющие двигатель выполнять определенную работу. Для этих целей откажемся от подачи топливо-воздушной смеси в цилиндры, уберем клапана, систему зажигания, и представим себе простейшую систему(поршневой двигатель), состоящую из цилиндра, поршня и заключенного между ними любого газа, например, обычного воздуха. Верхнее донышко цилиндра «сделаем» из тонкого (но прочного) и прозрачного материала, способного пропускать тепловые лучи.

А теперь представим, как протекают процессы подвода теплоты в разных термодинамических циклах, рассматривая описанную выше простейшую модель поршневого двигателя. Итак, никакого топлива у нас нет – только цилиндр, поршень, и воздух между ними.

Разместим над прозрачным донышком цилиндра маломощную лампу накаливания, которая способна медленно передавать тепло воздуху, размещенному между цилиндром и поршнем (см. рис. 2). Поскольку подогрев осуществляется медленно, повышение давления воздуха сопровождается одновременным увеличением его объема (поршень перемещается вниз), при этом температура воздуха в цилиндре остается практически постоянной. Процесс подвода теплоты осуществляется по изотерме, как в цикле, описанном С. Карно. Примерно в средней части хода поршня лампу выключаем, и наш поршень продолжает перемещаться вниз уже за счет внутренней энергии молекул воздуха, накопленной во время подвода теплоты.

Достигнув нижней мертвой точки, наш поршень должен остановиться - ведь для того, чтобы он начал двигаться в обратном направлении, воздух в цилиндре необходимо охлаждать. Именно в этом месте цикла Сади Карно ввел свой знаменитый холодильник – устройство, способное отнимать тепло у системы, т. е. у нашего воздуха в цилиндре. Итак, вместо лампы подогрева мы должны обложить цилиндр со всех сторон льдом или снегом – только в этом случае охлаждаемый воздух начнет уменьшаться в объеме, и поршень поползет вверх. В цикле Карно этот процесс называется изотермическим отводом теплоты – т. е. температура воздуха остается неизменной, а отвод теплоты сопровождается уменьшением объема воздуха (отрицательная работа цикла). Примерно в средней части хода поршня удаляем лед, и далее поршень перемещается к верхней точке за счет внутренней энергии, совершая все также отрицательную работу. Цикл замкнулся (см. графическое отображение цикла карно на рис. 1).

А теперь давайте эту модель применим для цикла Отто (или, как его еще называют – цикла Бо де Роша). Как и в предыдущем случае, поршень вверху, между поршнем и цилиндром воздух. Вместо лампочки накаливания на короткое время включаем мощный лазер, способный достаточно быстро разогреть воздух в цилиндре. Моментально возрастает давление в цилиндре, при этом поршень (в силу своей инертности и расположения кривошипно-шатунного звена) не успевает уйти из мертвой точки, т. е. процесс подвода теплоты протекает при постоянном объеме (изохорно).

Далее – рабочий ход (выполнение поршнем полезной работы), который сопровождается увеличением объема и постепенным уменьшением давления. Температура воздуха тоже несколько снижается. В идеальной системе для продолжения цикла необходимо отвести тепло с помощью холодильника (обложить цилиндр льдом), тогда диаграмма цикла на этом участке будет мало отличаться от диаграммы цикла Карно. В реальном двигателе отвод теплоты осуществляется выпуском горячего рабочего тела и замена его холодным рабочим телом (выпуск газов и впуск свежего заряда), по этой причине цикл не является замкнутым и разрывается в зоне отвода тепла (см. рис. 1). Итак, для реализации цикла Отто мы использовали очень быстрый подвод теплоты с помощью лазерного луча.

Для моделирования цикла Дизеля вместо лазера разместим над стеклянным донышком цилиндра опять же лампу накаливания, только значительно мощнее, чем в первом случае. Тогда воздух в цилиндре будет интенсивно разогреваться (но значительно медленнее, чем от разогрева лазером), при этом поршень будет успевать уйти от верхней точки таким образом, что увеличение объема воздуха не сопровождается изменением давления. В результате мы получим процесс подвода теплоты с помощью мощной лампы, протекающий при изобарном процессе (при постоянном давлении и переменных объеме и температуре), т. е. аналогичный процессу подвода теплоты в цикле Дизеля.Рабочий ход, отвод тепла и сжатие воздуха в цикле Дизеля протекают по таким же процессам, как и в цикле Отто (см. график на рис. 1).

Ну а цикл Сабатэ-Тринклера, как вы уже догадались, будет заключаться для нашего «двигателя» кратковременным подводом тепла с помощью лазера, а затем подменой лазера на мощную лампочку накаливания. Тогда воздух получит мощную порцию тепла от лазера, в цилиндре резко увеличится давление при постоянном объеме, после чего поршень относительно медленно переместится вниз, получая тепло от лампы при неизменном давлении в цилиндре (см. рис. 1).

На основании анализа приведенных выше виртуальных моделей термодинамических циклов становится очевидным, что суть процессов, происходящих в двигателе, в общем случае, не зависит от того, какое топливо сжигается в цилиндре (можно обойтись вообще без топлива), а лишь от способа подвода теплоты к рабочему телу.

Вопрос 10.

 Термодинамическая система и рабочее тело. Ступени преобразования энергии и процессы изменения состояния рабочего тела. Изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процессы. Политропный процесс, как обобщение тепловых процессов.

Термодинамической системой называют совокупность материальных тел, (а также полей) находящихся в механическом и тепловом взаимодействии, а также обменивающихся друг с другом веществом.

Термодинамическая система имеет границы, отделяющие ее от окружающей среды. Тела не входящие в термодинамическую систему, наз. окружающей средой.

Термодинамическую систему отделяют от окружающей среды контрольной поверхностью или оболочкой.

В самом общем случае система может обмениваться со средой веществом (массообменные взаимодействия) и осуществлять тепловое взаимодействие, заключающееся в передаче теплоты между отдельными телами системы и между системой и окружающей средой. Такая система наз. открытой. Системы, в которых обмен веществ не происходит, наз. закрытыми системами.

Система, которая не может обмениваться теплотой с другими системами (окружающей средой) наз. теплоизолированной или адиабатной.

Система, не обменивающаяся с внешней средой или с другими системами ни энергией, ни веществом, принято называть изолированнойили замкнутой.

Обмен энергией в форме теплоты или работы осуществляется между макроскопическими телами, которые принято называть рабочими телами. Обычно это пары и газы.

Термодинамическая система – совокупность тел, которые находятся во взаимодействии как между собой, так и с окружающей средой (цилиндр с размещенным в нем поршнем). Функционирование термодинамической системы осуществляется за счет изменения параметров рабочего тела.

В технической термодинамике эти параметры называются термодинамическими параметрами системы. Так как основными рабочими телами являются газы и пары, то основными термодинамическими параметрами являются давление р, температура Т, удельный объемn (r).

Температура – характеризует степень нагретости рабочего тела.

Удельный объем v – представляет собой объем единицы массы тела. Величина, обратная удельному объему представляет собой массу единицы объема и носит название плотности. Давление р – в Международной системе единиц (СИ) давление измеряется единицей Н/м2, которая называется Паскаль (Па) – давление, вызываемое силой 1 ньютон, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м2.

Рабочее тело -в термодинамике условное несменяемое материальное тело, расширяющееся при подводе к нему теплоты и сжимающееся при охлаждении и выполняющее работу по перемещению рабочего органа тепловой машины. В теоретических выработках рабочее тело обычно обладает свойствами идеального газа.

На практике рабочим телом тепловых двигателей являются продукты сгорания углеводородного топлива (бензина, дизельного топлива и др.), или водяной пар, имеющие высокие термодинамические параметры (начальные˸ температура, давление, скорость и т. д.) В холодильных машинах в качестве рабочего тела используются фреоны, аммиак, гелий, водород, азот.

В сопловых каналах при расширении водяного пара от давления р₀ до давления р₁тепловая энергия преобразуется в кинетическую, в результате чего за сопловой решеткой среда приобретает скорость с₁(абсолютная скорость растет от с₀ до с₁), направление которой по отношению к фронту решетки определяется углом a₁.

В межлопаточных каналах рабочей решетки при повороте потока и дальнейшем расширении пара до давления р₂ ее кинетическая энергия преобразуется в механическую. При обтекании рабочих лопаток с криволинейным профилем (при повороте потока в каналах) создается активная составляющая усилия R_акт, а при расширении водяного пара (за счет ускорения потока) –реактивная R_реак, которые формируют окружное усилие.При работе ДВС рабочее тело получается в результате горения топливной смеси, подаваемой в пространство цилиндра между его крышкой и поршнем. Т.к. температура и давление рабочего тела больше температуры и давления окружающей среды, оно способно совершить работу, поэтому рабочее тело расширяется, передвигая поршень. Эта энергия непосредственно используется для совершения работы и обратного движения поршня, которое происходит за счет части энергии, переданной через кривошипно-шатунный механизм маховику. Величины, характеризующие физические свойства рабочего тела в данный момент, называются параметрами состояния рабочего тела, и непосредственному измерению поддаются три параметра состояния: давление р, удельный объемv и температура T, которые называются основными или термическими параметрами. Поэтому состояние судовой энергетической установки контролируется, в первую очередь, по показаниям манометров и термометров. Удельный объем же служит одной из координат при графическом изображении процессов, происходящих с рабочим телом.

Из всех возможных термодинамических процессов наибольший интерес представляют изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный и политропный процессы.

Изохорным называют термодинамический процесс, протекающий при постоянном объеме. Такой процесс может совершаться при нагревании газа, помещенного в закрытый сосуд. Газ в результате подвода теплоты нагревается, и его давление возрастает. Изменение параметров газа в изохорном процессе описывает закон Шарля: p₁/T₁ = p₂/T₂, или в общем случае:                                                                                         p/T = const.

Давление газа на стенки сосуда прямо пропорционально абсолютной температуре газа. Так как в изохорном процессе изменение объема dV равно нулю, то можно сделать вывод, что вся подведенная к газу теплота расходуется на изменение внутренней энергии газа (никакая работа не совершается).

Изобарным называют термодинамический процесс, протекающий при постоянном давлении. Такой процесс можно осуществить, поместив газ в плотный цилиндр с подвижным поршнем, на который действует постоянная внешняя сила при отводе и подводе теплоты. При изменении температуры газа поршень перемещается в ту или иную сторону; при этом объем газа изменяется в соответствии с законом Гей-Люссака:

V/T = const.

В изобарном процессе объем занимаемый газом прямо пропорционален температуре. Вывод, что изменение температуры в этом процессе неизбежно приведет к изменению внутренней энергии газа, а изменение объема связано с выполнением работы, т. е. при изобарном процессе часть тепловой энергии тратится на изменение внутренней энергии газа, а другая часть – на выполнение газом работы по преодолению действия внешних сил. При этом соотношение между затратами теплоты на увеличение внутренней энергии и на выполнение работы зависит от теплоемкости газа.

pV = const,

т. е. при постоянной температуре величина давления газа обратно пропорциональна его объему. При изотермическом процессе внутренняя энергия газа не изменяется, поскольку его температура постоянна. Чтобы выполнялось условие постоянства температуры газа, от него необходимо отводить теплоту, эквивалентную работе, затраченной на сжатие:

dq = dA = pdv.

Используя уравнение состояния газа, проделав ряд преобразований и подстановок, можно сделать вывод, что работа газа при изотермическом процессе определяется выражением:

A = RT ln(p₁/p₂).

Адиабатным называют термодинамический процесс, протекающий без теплообмена рабочего тела с окружающей средой. Подобно изотермическому, осуществить на практике адиабатный процесс очень сложно. Такой процесс может протекать с рабочим телом, помещенным в сосуд, например, цилиндр с поршнем, окруженный высококачественным теплоизолирующим материалом. Но какой бы качественный теплоизолятор мы не применяли в данном случае, некоторым, пусть даже ничтожно малым, количеством теплоты рабочее тело и окружающая среда неизбежно будут обмениваться. Поэтому на практике можно создать лишь приближенную модель адиабатного процесса. Тем не менее, многие термодинамические процессы, осуществляемые в теплотехнике, протекают настолько быстро, что рабочее тело и среда не успевают обмениваться теплотой, поэтому с некоторой степенью погрешности такие процессы можно рассматривать как адиабатные.

Если предположить, что объемная теплоемкость c_v является величиной постоянной, т. е. c_v = const, то работу адиабатного процесса можно представить в виде формулы (приводится без вывода):

l = c_v(T₁ – T₂) или l = (p₁v₁ – p₂v₂)/(k-1).

Политропный процесс характеризуется возможностью изменения любого из основных параметров газа. Все рассмотренные выше термодинамические процессы являются частными случаями политропных процессов. Общее уравнение политропного процесса имеет вид pvⁿ = const, где n – показатель политропы - постоянная для данного процесса величина, которая может принимать значения от - ∞ до + ∞.

Вопрос 11.