Общие принципы работы тепловой машины

В тепловой машине сочетаются процессы испарения, расширения и конденсации рабочего тела. На тепловых и ядерных электростанциях обычно рабочим телом является вода. Ядерная и тепловая энергии, подводимые к рабочему телу, расходуются на превращение воды в пар с высоким давлением и температурой. Рабочее тело расширяется и вызывает вращение турбогенератора, который вырабатывает электроэнергию. После использования пар имеет низкую температуру и низкое давление. В конденсаторе рабочее тело охлаждается и превращается в воду с первоначальной температурой и давлением.

Закон сохранения энергии гласит: количество подведенной энергии равно отведенной из системы энергии и совершаемой системой работе W.

Принцип действия основан на свойстве рабочего тела запасать энергию на этапе испарения и отводить энергию на этапах расширения и конденсации dU.

Подведенная и отведенная энергия представляет собой работу Q = dU + W. Это уравнение – первый закон термодинамики – по своей сути является математическим выражением закона сохранения энергии для системы, которая обменивается с внешней средой энергией в форме теплоты и работы.

Наиболее простым случаем, когда производится работа расширения, является расширение газа под поршнем. При перемещении поршня на расстояние dl совершаемая газом работа

dW = PSdl или dW = PdV,

где – избыточное давление газа; F – сила, действующая на поршень; S – площадь поршня.

Зная зависимость давления газа от объема газа можно определить работу, совершаемую газом при изменении объема. При увеличении объема работа положительна и совершается системой. При уменьшении объема работа отрицательна и совершается над системой.

Второй закон термодинамики (формулировка Кельвина): невозможно построить периодически действующую машину, все действие которой сводилось бы только к превращению теплоты, получаемой от источника, целиком в работу. Следовательно, КПД энергетической установки всегда меньше единицы.

Второй закон термодинамики не имеет доказательств, он сформирован опытным путем. Упорядочить хаотичное тепловое движение микроскопических элементов невозможно. Возможно только изменить средние характеристики совокупности молекул, но регулировать работу поведения отдельно взятых нельзя.

Необходимым условием существования цикла любого теплового двигателя является возможность отвода определенного количества тепла от рабочего тела к холодному источнику. Работа в цикле равна разности количества теплоты, подводимого при температуре Т₁ и отводимого при температуре Т₂:

W = Q1 - Q2.

КПД цикла

.

Французский инженер Ннкола Леонардо Сади Карно (1824) рас-смотрел работу идеального двигателя. В начальной фазе двигатель находится в термодинамическом равновесии с холодным источником при температуре Т₂. Работа двигателя происходит следующим образом: рабочее тело сжимается, температура возрастает от Т₂ до температуры горячего источника Т₁. Рабочее тело, находясь в контакте с горячим источником и совершая работу, расширяется. Затем процесс подвода тепла к рабочему телу прекращается и процесс дальнейшего расширения будет происходить до тех пор, пока температура рабочего тела не станет равной Т₂. Находясь в тепловом контакте с холодным источником, рабочее тело обратно сжимается до состояния, в котором его внутренняя энергия принимает первоначальное значение.

Указанная последовательность получила название цикла Карно, а машина, в которой эти процессы происходят, – тепловой машиной Карно. Этот цикл является идеализацией, с помощью его можно определить максимальный КПД при определенных условиях.

Термический КПД цикла Карно:

,

где Т₁, Т₂ – температура самой горячей и самой холодной точки тепловой машины.

Это теоретический КПД, выше которого подняться в тепловой машине невозможно. Если Т₂ = 0, то КПД = 100 %, но такая ситуация невозможна. Минимум температуры составляет 293 К. Нельзя также повысить Т₁ до бесконечности. В современных паротурбинных блоках тепловых и атомных электростанций температура водяного пара не превышает 893 К. Следовательно, идеальный КПД составляет 0,6. Любая реальная тепловая машина имеет КПД ниже КПД цикла Карно для тех же граничных температур. Трудно добиться полного сгорания топлива и достичь полного охлаждения горячих газов. Часть энергии уходит на трение и необратимый переход тепла. Одной из главных задач при осуществлении экономически выгодных процессов преобразования энергии является приближение к изотермическому протеканию процессов и уменьшению тепловых потерь.

Для современных поршневых паровых машин и двигателей внутреннего сгорания реальный КПД не превышает 30 %, а для современных устройств – паровых и газовых турбин – 40 %.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: