Принцип действия тепловых двигателей. Кпд теплового двигателя и его максимальное значение. Тепловые двигатели и охрана природы.

Второе начало термодинамики определяет условия, при которых возможны превращения энергии из одних видов в другие, т. е. Указывает направленность процесса.

• невозможен самопроизвольный переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому;

• невозможно создание вечного двигателя второго рода, т. е. Периодически действующее устройство, которое позволяло бы полностью превращать количество теплоты, сообщаемое системе, в механическую работу.

Циклически действующий тепловой двигатель – установка, в которой нужно путем использования повторяющихся циклов осуществлять превращение внутренней энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую. При этом необходимо наличие тела с температурой Т1 – нагревателя, тела с температурой Т2 < Т1 – холодильника и рабочего вещества, которое, отнимая за один цикл от нагревателя количество теплоты Q1, передает холодильнику количество теплоты Q2 и разность Q1-Q2 преобразует в работу.

а)

б)

в)

В холодильной машине за один цикл более нагретому телу передается Q, которое больше Q, взятого у менее нагретого тела, на величину, равную работе внешних сил. Рабочим веществом в холодильной машине служат обычно пары легкокипящих жидкостей (аммиака, фреона). Роль внешния сил, осуществляющих перенос внутренней энергии из холодильной камеры в окружающую среду, играет компрессор, приводимый в движение электродвигателем. Холодильный коэффициент приведен в формуле а), КПД в формуле б) и в).

Французский инженер С. Карно показал, что самым выгодным был бы тепловой двигатель, работающий по циклу, состоящем из двух изотерм и двух адиабат, причем все процессы обратимы, т. е. его можно провести как в прямом, так и в обратном направлении через одни и те же промежуточные состояния и при этом не происходит изменений в окружающих телах.

Обратимых процессов в природе не существует. КПД любого теплового двигателя, работающего в том же диапазоне температур, всегда меньше η_м

Испарение и конденсация. Насыщенные и ненасыщенные пары. Кипение жидкости. Зависимость температуры кипения от давления.

Любое вещество при определенных условиях может находиться в различных агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. Переход из одного состояния в другое называется фазовым переходом. Испарение и конденсация являются примерами фазовых переходов.

Все реальные газы (кислород, азот, водород и т. д.) при определенных условиях способны превращаться в жидкость. Однако превращение газа в жидкость может происходить только при температурах ниже определенной, так называемой критической температуры T_кр. Например, для воды критическая температура равна 647,3 К, для азота 126 К, для кислорода 154,3 К. При комнатной температуре (≈ 300 К) вода может находиться и в жидком, и в газообразном состояниях, а азот и кислород существуют только в виде газов.

Переход вещества из жидкого состояния в парообразное возможно двумя способами: испарением и кипением. Обратный переход – конденсация. Испарение происходит только с поверхности жидкости при любой температуре. Для того чтобы вылететь из жидкости, молекула должна преодолеть воздействие поверхностного слоя, т. е. обладать достаточной энергией. Средняя кинетическая энергия молекул и, следовательно, температура жидкости при этом понижается.

Скорость испарения зависит от:

1. рода жидкости;

2. температуры;

3. площади поверхности;

4. движения газа над поверхностью;

5. давления над поверхностью. Чем P выше, тем ниже скорость испарения.

Процесс испарения жидкости в закрытом сосуде или помещении при неизменной температуре сопровождается постепенным увеличением концентрации молекул испаряющегося вещества в газообразном состоянии.

Динамическое равновесие – число молекул, покидающих поверхность жидкости в единицу времени, равно числу молекул, возвращающихся в нее.

Вещество в газообразном состоянии, находящееся в динамическом равновесии с жидкостью или твердым телом, называется насыщенным паром.

Пар давление, которого ниже давления насыщенного пара при данной температуре, называется ненасыщенным (или перегретым).

К ненасыщенным парам подчиняются все газовые законы тем точнее, чем дальше они от насыщения.

Давление насыщенного пара не зависит от его объема при постоянной температуре. Рост давления насыщенного пара при повышении его температуры происходит, главным образом, за счет увеличения массы пара и, следовательно, концентрации молекул.

Кипение – процесс парообразования, происходящий по всему объему жидкости. При достижении температуры точки кипения внутри жидкости возникают, растут и поднимаются на поверхность пузырьки воздуха с содержащимся в них паром.

Газ, связанный с поверхностью твердого тела, называется адсорбированным. Внутри каждого пузырька непрерывно с его поверхности идет испарение жидкости и конденсация пара, пока не наступит состояние динамического равновесия. При повышении температуры давление насыщенного пара увеличивается, и пузырьки растут. Архимедова сила отрывает их от поверхности дна и поднимает вверх, а на месте оторвавшихся пузырьков остаются “зародыш” новых пузырьков. Многие пузырьки, не достигнув поверхности воды, исчезают, “захлопываются”, и мы слышим характерный шум перед началом кипения.

Когда температура всей жидкости станет одинаковой, объем пузырьков при подъеме будет расти непрерывно, температура и давление насыщенного пара внутри пузырька постоянно, а гидростатическое давление уменьшается. На поверхности пузырек лопается, а находящийся в нем пары выходят в окружающую среду.

Температура кипения жидкости повышается при увеличении внешнего давления и понижается при его уменьшении. Температура кипения жидкости при нормальном атмосферном давлении называется точкой кипения.

Парциальное давление водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре, называется абсолютной влажностью.

Испарение в технике:

• очистка веществ или разделение жидких смесей перегонкой (получение бензина, керосина и др.)

• в основе работ ДВС; холодильных установок;

• сушка материалов; покрытие аппаратов космического корабля.

Кипение в технике:

• при повышенном давлении – в паровых котлах и аккумуляторах;

• в медицине для стерилизации хирургических инструментов и перевязочных материалов в автоклавах;

• при пониженном давлении – в холодильной технике; для получения сверхнизких температур.