Cikliniai procesai. Šiluminė mašina
Download
1 / 15

Cikliniai procesai. Šiluminė mašina - PowerPoint PPT Presentation


  • 366 Views
  • Uploaded on

Cikliniai procesai. Šiluminė mašina. Cikliniu procesu (ciklu) vadinamas procesas ar procesų visuma, po kurios sistema grįžta į pradinę padėtį. Termodinaminiu ciklu vadiname procesą, kuriam įvykus, termodinaminė sistema

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' Cikliniai procesai. Šiluminė mašina' - signa


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript

Cikliniai procesai. Šiluminė mašina

Cikliniu procesu (ciklu) vadinamas procesas ar procesų visuma, po kurios sistema

grįžtaį pradinę padėtį.

Termodinaminiu ciklu vadiname procesą, kuriam įvykus, termodinaminė sistema

grįžta į pradinę būseną, apibūdinamą termodinaminiais parametrais (p,V,T).

Termodinaminio ciklo principu veikia šiluminės ir šaldymo mašinos.

Termodinamini ciklą sudaro bentdu

termodinaminiai procesai, kurių vienas

susietas su dujų plėtimusi, kitas – su jų

suspaudimu arba susispaudimu.


Cikliniai procesai. Šiluminė mašina

Šilumine mašina vadiname periodiškai veikiančią mašiną, atliekančią darbą, suteikiant

jai šilumą iš išorės.

Šiluminė mašina susideda iš darbinės medžiagos, šildytuvo ir šaldytuvo, kuris gali

būti ir aplinka.


V1 V2

Cikliniai procesai. Šiluminė mašina

Darbinė medžiaga, gavusi iš šildytuvo šilumos kiekį Q1,

plėsis. Didėjant tūriui ir slėgiui, ji atliks darbą A1, lygų plotui

1a2V2V11.

Pagal I termodinamikos dėsnį gauname:

Tam, kad galima grąžinti darbinę medžiagą į pradinę būseną,

ji turi atiduoti šilumos kiekį Q2 šaldytuvui ir buti suslegiama.

Susispausdama ji atliks neigiamą darbą A2, lygų plotui 2b1V1V22.

Pagal I termodinamikos dėsnį gauname:

Sudėję plėtimosi ir traukimosi procesams

termodinamikos lygtis gausime viso proceso

lygtį:


V1 V2

Cikliniai procesai. Šiluminė mašina

Gautos ir atiduotos šilumų skirtumas yra lygus atliktam

naudingam darbui:

Todėl, kuo didesnį šilumos kiekį mašina pavers darbu, tuo naudingesne bus

mašina. Šiluminės mašinos efektyvumą nusako ciklo naudingumo koeficientas, kuris

parodo, kuri gauto šilumos kiekio dalis virto naudingudarbu:

Toks ciklas, vykstantis pV diagramoje pagal

laikrodžio rodyklę, kai atliekamas teigiamas

darbas, vadinamas tiesioginiu.


Cikliniai procesai. Šaldymo mašina

Šaldymo mašinoje darbo medžiaga ima šilumą iš

šaldytuvo, plečiasi ir atlieka darbą A1.

Išorės jėgoms suslegiant darbinę medžiagą, ji atlieka

neigiamą darbą A2 ir perduoda šilumos kiekį šildytuvui.

Šaldymo mašinoje ciklas vyksta prieš laikrodžio rodyklę,

o atliktas darbas yra neigiamas A< 0.

Toks ciklas vadinamas atvirkštiniu.

Šaldymo mašina apibudinama šaldymo koeficientuε,

parodančiu, kiek kartų paimtas šilumos kiekis Q2

didesnis už išorės jėgųatliktą darbą A=A1-A2:


Karno ciklas ir jo naudingumo koeficientas

Konstruojant šiluminius variklius visada dedamos pastangos, kad jų naudingumo

Koeficientas būtų kuo didesnis.

Prancūzų inžinierius S. Karno 1824 metais įrodė, kad idealios (kurioje nėra trinties)

šiluminės mašinos naudingumo koeficientas bus didžiausias, jei ji dirbs atitinkama

tvarka, t.y. etapais, kurių seka sudaro vadinamą Karno ciklą.

Karno ciklą sudaro du izoterminiai ir du adiabatiniai procesai.


Karno ciklas ir jo naudingumo koeficientas

Karno ciklą sudaro du izoterminiai ir du adiabatiniai procesai.

Duju izoterminio plėtimosi (T1 = const) metu sistema gauna

šilumos kieįi Q1 ir besiplėsdama atlieka darbą:

Atjungus šildytuvą, dujos plečiasi adiabatiškai ir atlieka darbą:

Šio proceso baigimosi temperatūra T2 lygi temperaturai aušintuvo, prie kurio ir prijungiamas

cilindras su dujomis. Del sukamo veleno inertiškumo, dujos izotermiškai suslegiamos iki 4-os

būsenos.

Tam reikalingas darbas: lygus aušintuvui atiduotam šilumos kiekiui.

Ciklas baigiamas adiabatiniu dujų suslėgimu, atjungus aušintuvą, iki pradinės busenos.

Šio proceso darbas:

Per ciklą atliktas darbas lygus procesų metu atliktų darbų sumai:

Geometriškai jis lygus kilpos plotui.


Karno ciklas ir jo naudingumo koeficientas

Ciklo naudingumo koeficientas:

Pritaikę Puasono lygtį adiabatėms 2-3 ir 4-1 gauname:

Todėl:

Išvada: idealiuoju Karno ciklu veikiančio šiluminio variklio naudingumo koeficientas priklauso tik

nuo šildytuvo ir aušintuvo temperatūrų T1 ir T2.

Norint didinti naudingumo koeficientą, reikia didinti temperatūrų skirtumą,tačiau realiojo šiluminio

variklio η riboja aplinkos temperatūra ir paties variklio medžiagų lydymosi temperatūra.


Karno ciklas ir jo naudingumo koeficientas

Atvirkštiniu Karno ciklu veikiančios šaldymo mašinos šaldymo koeficientas:

taip pat priklauso tik nuo šalto ir šilto kūnų temperatūrų, tačiau yra atvirkščiai

proporcingas jų skirtumui:


Karno ciklas ir jo naudingumo koeficientas

S. Karno suformulavo jo vardu vadinamas teoremas.

Pirmoji teoremateigia, kad idealiosios grižtamojo Karno ciklo šiluminės mašinos

naudingumo koeficientas priklauso tik nuo kaitintuvo ir aušintuvo temperatūrų ir

nepriklauso nuo jos konstrukcijos bei darbo medžiagos prigimties.

Antroji teoremateigia, kad bet kokios grižtamojo ciklo šiluminės mašinos naudingumo

koeficientas η’visada mažesnis už tokiomis pat sąlygomis veikiančios Karno ciklo

šiluminės mašinos naudingumo koeficientą η.


Karno ciklas ir jo naudingumo koeficientas

Realioje šiluminėje mašinoje neišvengiama trinties, šilumos laidumo, spinduliavimo ir

kitų reiškinių, dėl kurių termodinaminiai procesai pasidaro negrįžtamieji.

Jiems sunaudojama iš šildytuvo gauta energija.

Todėl realios šiluminės mašinos, dirbančios tame pačiame temperatūrų intervale, kaip

ir idealioji Karno mašina, terminis naudingumo koeficientas hr yra mažesnis, nei

pastarosios.

Todėl:


Grižtamieji ir negrižtamieji procesai. Entropija

Termodinaminis ciklas vadinamas grįžtamuoju, jeigu įvykus tiesioginiam, o po to

tokiam pat atvirštiniam ciklui, į pradinę buseną grįžta ir sistema, ir išoriniai kūnai, su

kuriais sistema sąveikavo.

Bet kuris pusiausvyrasis procesas yra grįžtamasis.

Visi realūs procesai pasižymi didesniais ar mažesniais energijos nuostoliais (dėl

trinties, šiluminio laidumo ar kt.). Todel jie yra negrįžtamieji.

Šilumos apykaitos procesai, esant baigtiniam temperatūrų skirtumui, taip pat yra

negrįžtamieji.


Grižtamieji ir negrižtamieji procesai. Entropija

Remdamiesi nelygybe: ir ją pertvarkę:

Gauto šilumos kiekio ir šilumos šaltinio temperatūros santykis vadinamas

redukuotuoju šilumos kiekiu Q*.

Grįžtamojo Karno ciklo redukuotų šilumos kiekių suma lygi nuliui:

o bet kurio realiojo, negrįžtamojo, ciklo – mažesnė už nulį, neigiama.

R. Klauzijus 19 amž. įrodė, kad grįžtamojo ciklinio termodinaminio proceso,

sudaryto iš elementariųjų procesų, redukuotų šilumos kiekių suma lygi nuliui:

Kai procesas negrįžtamas, ta suma neigiama:

Būsenos funkcija, kurios diferencialas yra , vadinamas sistemos entropijaS.

O jos elementarusis pokytis lygus elementariąjam redukuotąjam šilumos

kiekiui.

Entropijos pokytis, sistemai grįžtamai perėjus iš 1 busenos i 2, lygus:


Grižtamieji ir negrižtamieji procesai. Entropija

Entropijos pokyčio ženklas sutampa su gauto šilumos kiekio ženklu:

Kai termodinaminė sistema gauna šilumos kiekį (dQ>0), jos entropija didėja (dS>O),

o kai atiduoda (dQ<0), - mažėja.

Todėl iš entropijos pokyčio galima spręsti, kuria kryptimi vyksta šilumos mainai.

Kai sistema izoliuota, t.y. kai nėra energijos mainų su aplinka (dQ=0), tai joje

vykstantys procesai yra adiabatiniai.

Todėl entropijos pokytis:

T.y. grįžtamojo proceso izoliuotoje sistemoje entropija nekinta, o negrįžtamojo

proceso izoliuotoje sistemoje entropija didėja.

Entropijos pokytis yra izoliuotoje sistemoje vykstančių procesų negrįžtamumo

kiekybinė charakteristika.

Entropiją galima apibudinti dar ir taip: entropija yra sistemos netvarkos matas.


Entropija. II ir III termodinamikos dėsniai

Apjungus šias išvadas izoliuotai sistemai, gaunama matematinė II termodinamikos

dėsnio išraiška:

Izoliuotose sistemose vyksta savaiminiai, t.y. negrįžtamieji procesai.

Todėl šių sistemų entropija didėja, didėja iki savo maksimalios vertės, kuri būdinga

sistemos pusiausvyrajai būsenai. II t.d. – izoliuotų sistemų entropija nemažėja.

II t.d. gali būti formuluojamas ir kitaip: negalimas toks procesas, kurio vienintelis

rezultatas – energijos perdavimas šilumos pavidalu iš šaltesniojo kūno šiltesniąjam.

Ši izoliuotų sistemų savybė parodo, kad termodinaminiai procesai, vykstantys gamtoje

turi kryptį, kuri sutampa su entropijos didėjimo kryptimi.

Entropija gali ir nedidėti, bet tam reikalingas nesavaiminis procesas, reikalaujantis

papildomo darbo. Gyvybė šiuo požiūriu – entropiją mažinanti termodinaminė sistema.

Entropija gali būti lygi nuliui, bet tik ties 0 K temperatūra – tai III termodinamikos

dėsnis.


ad