Прямой цикл Карно и тепловая изоляция (стр. 1 из 2)

Днепропетровский Государственный Технический Университет Железнодорожного Транспорта.

Кафедра : «Теплотехника»

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

На тему : «Прямой цикл Карно» ,

«Тепловая изоляция»

Выполнил :

студент 427 группы

Астраханцев Дмитрий

Принял :

Доц. Арестов А.П.

Днепропетровск 1998

Прямой цикл Карно.

Как известно, все тепловые двигатели, превращающие тепловую энергию в механическую, работают по круговым циклам или термодинамическим циклам – идеальный цикл теплового двигателя (прямой цикл Карно) и цикл холодильной машины (обратный цикл Карно).

Рассмотрим прямой цикл Карно. Для этой цели возьмем идеальную систему, состоящую из горячего источника тепла, рабочего тела и окружающей среды. Параметры источника тепла Тг, Sг, температура окружающей среды Т₀. Рабочее тело в конечном итоге не совершает работы за счет своей собственной энергии. До начала работы и после ее завершения все параметры рабочего тела и его полная энергия остаются в точности теми же самыми. Иначе говоря, рабочее тело изменяет свои параметры по какому-то циклу, возвращаясь каждый раз в первоначальное состояние. Суммарная работа окружающей среды над телом равна нулю; никаких потерь работы нет; энтропия системы остается неизменной (Sc=0); все процессы обратимые.

При отдаче горячим источником рабочему телу тепла dQ₁ тело произведет суммарную работу dL и, для того чтобы вернутся в первоначальное состояние, отдаст окружающей среде тепло dQ2. При этом энтропия горячего источника уменьшится на величину dSг = dQ₁/T₁, а энтропия холодного источника возрастет на dSx = dQ₂/T₀ .

Поскольку согласно второму закону термодинамики энтропия рассматриваемой изолированной системы уменьшаться не может, то при dSг < 0 всегда будет dSx > 0, а следовательно, и dQ₂ > 0. Значит, совершая работу с помощью циклов, тепло должно не только подводится, но и обязательно отводиться.

В идеальном случае, когда достигается максимальная работа, dSг + dSx = 0 и величина dQ₂ является минимальной. Таким образом,

-dQ₁/Tг = dQ_2min/T₀,

или

dQ_2min = T₀dSг ,

где dSг берется по абсолютной величине (без отрицательного знака), т.е. dSг = dQ₁/Tг.

Согласно первому закону термодинамики, всегда

dL = dQ₁ – dQ₂,

dL_max = dQ₁ – dQ_2min,

или

dL_max = dQ₁ – T₀dSг,

т.е. максимальная работа цикла за счет тепла Q

L_max = Q₁ – T₀(Sг₂ – Sг₁),

где (Sг₂ – Sг₁) – абсолютна величина уменьшения энтропии горячего источника, вызванная отдачей тепла Q₁.

Очевидно, что эта формула будет справедлива независимо от того, меняется или не меняется температура Тг горячего источника. Обязательными условиями ее справедливости являются только постоянство температуры окружающей среды и обратимость всех процессов цикла. Максимальная полезная работа, которая может быть совершена в идеальном (обратимом) тепловом двигателе, оказывается абсолютно одинаковой, будет ли этот двигатель работать по какому-либо обратимому циклу или в нем будут совершаться любые разомкнутые процессы.

Максимальная доля тепла, которая может быть превращена в работу, обычно выражается через отношение L_max/Q₁, называемое термическим к. п. д. теплового двигателя :

_t = L_max/Q₁ = (Q₁ – Q_2min)/Q₁.

При постоянных температурах горячего Тг и холодного Т0 источников, учитывая предыдущие формулы максимальный термический к. п. д. теплового двигателя :

_t =1 – Т₀/Тг.

Можно доказать, что значение максимальной работы, а следовательно, и максимальный термический к. п. д. для случая источников тепла постоянной температуры достигается в обратимом прямом цикле Карно, состоящем из двух изотерм и двух адиабат :

Условия построения прямого цикла Карно следующие :

1) Поскольку подвод тепла обратимый, то при Тг = const температура тела Т₁ на протяжении всего процесса подвода тепла должна быть равной Тг и оставаться постоянной : Т₁ = Тг=const;

2) Так как и отвод тепла должен быть обязательно обратимым, то и температура Т₂ тела в процессе отвода тепла также должна быть равна Т₀ и оставаться постоянной : Т₂ = Т₀ =const;

3) Поскольку в других процессах тепло не должно подводиться и отводиться, то замыкание цикла может осуществляться только процессами с постоянной энтропией (S = const), следовательно, должно быть : Sa = Sb и Sc = Sd .

В изображенном на рисунке цикле изоэнтропа ab – процесс адиабатического сжатия рабочего тела; изотерма bc – процесс подвода тепла Q1; изоэнтропа cd – процесс адиабатического расширения рабочего тела; изотерма da – процесс отвода тепла Q2 к холодному источнику (окружающей среде). Одновременно изотермы bc и da - соответственно процессы отвода тепла от горячего источника и подвода тепла к холодному источнику. В этом, как и в любом другом, обратимом цикле значения изменения энтропии горячего и холодного источников равны между собой по абсолютной величине и имеют обратные знаки, т.е.

Sг =Sx

Конечное изменение энтропии Sт рабочего тела, совершающего замкнутый процесс, будет равен нулю. Приращение энтропии системы, равное алгебраической сумме энтропии всех тел рассматриваемой системы (обеих источников тепла и рабочего тела), также равно нулю :

Sc = S_i = Sг +Sx +Sт = 0.

Этим подтверждается, что цикл Карно действительно дает максимальную работу.

Из рисунка находим :

Q₁ = TгSг = Т₁Sг ;

Q2 = T₀Sx = T₂Sг,

Отсюда

Lц = Q₁ – Q₂ = (T₁ – T₂)Sг.

С учетом того, что Sг = Q₁/T₁, получим

Lц = Q [(T₁-T₂)/T₁].

Термический к. п. д. этого цикла

_t= Lц /Q1 = 1 – T2/T1 = _{t мах}

С помощью прямого цикла Карно можно доказать, что отводимое к холодному источнику тепло Q_2min не является потерей энергии, а представляет собой тот «балласт», ту непревратимую часть энергии, которая в любой момент, без затраты какой-либо дополнительной работы, может быть отнята от холодного источника и возвращена горячему.

Здесь следует заметить, что осуществляя обратный цикл Карно, можно, затратив работу Lц , получить и отдать горячему источнику тепла Q₁ ровно столько, сколько было от него получено в прямом цикле, а от холодного источника будет отобрано в точности такое же количества тепла Q_2min, сколько ему было отдано в прямом цикле.

ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ.

Теплоизоляция – это защита зданий, промышленных установок (или отдельных их узлов) от нежелательного теплового обмена с окружающей средой. Так, например, в строительстве и теплоэнергетике теплоизоляция необходима для уменьшения тепловых потерь в окружающую среду, в холодильной и криогенной технике – для защиты аппаратуры от притока тепла извне.

Теплоизоляция обеспечивается устройством специальных заграждений, выполняемых из теплоизоляционных материалов (в виде оболочек, покрытий и т.п.) и затрудняющих теплопередачу; сами эти теплозащитные средства также называются теплоизоляцией.

При преимущественно конвективном теплообмене для теплоизоляции используются ограждения, содержащие слои материала, непроницаемого для воздуха; при лучистом теплообмене – конструкции из материалов, отражающих тепловое излучение (например из фольги, металлизированной лавсановой пленки); при теплопроводности (основной механизм переноса тепла) – материалы с развитой пористой структурой.

Эффективность теплоизоляции при переносе тепла теплопроводностью определяется термическим сопротивлением ( R) изолирующей конструкции R = / , где  - толщина слоя изолирующего материала,  - его коэффициент теплопроводности.

Повышение эффективности теплопроводности достигается применением высокопористых материалов и устройством многослойных конструкций с воздушными прослойками.

В тепловых промышленных установках теплоизоляция обеспечивает значительную экономию топлива, способствует увеличению мощности тепловых агрегатов и повышению их КПД, интенсификации технологических процессов, снижению расходов основных материалов. Экономическая эффективность теплоизоляции в промышленности часто

оценивается коэффициентом сбережения тепла

Где Q₁ – потери тепла без теплоизоляции, а Q₂ – с теплоизоляцией.

Задача теплоизоляции зданий – снизить потери тепла в холодный период года и обеспечить постоянство температуры в помещениях в течении суток при колебаниях температуры наружного воздуха. Применяя для теплоизоляции эффективные теплоизоляционные материалы, можно существенно уменьшить толщину и снизить массу ограждающих конструкций и, т.о. сократить расход основных стройматериалов.

Теплоизоляция – необходимый элемент конструкции транспортных средств (судов, ж.д. вагонов, самолетов и т.д.), в которых роль теплозащиты определяется их назначением : для средств пассажирского транспорта – требованием поддержания комфортных микроклиматических условий в салонах; для грузового – обеспечение заданной температуры при минимальных энергетических затратах. К эффективности теплоизоляции на транспорте предъявляются повышенные требования в связи с ограничением массы и объема ограждающих конструкций транспортных средств.

Материалы и изделия, применяемые для теплоизоляции называются теплоизоляционными. Теплоизоляционные материалы характеризуются низкой теплопроводностью (коэффициент теплопроводности не более 0.2 Вт/м*К), высокой пористостью, незначительной объемной массой и прочностью (предел прочности при сжатии 0.05-2.5 МН/м²).