Рабочее тело двс: Что такое рабочее тело двигателя внутреннего сгорания

1.1 Рабочее тело и его свойства. Проектирование и расчет двигателя внутреннего сгорания

Проектирование и расчет двигателя внутреннего сгорания

курсовая работа

автотранспортный двигатель кривошипный шатунный

Топливо

Теплота, необходимая для осуществления рабочего цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания, выделяется при химических реакциях сгорания топлива непосредственно в цилиндре двигателя.

Химический составбензина

Топливо	Содержание в 1 кг	Молекулярная масса mТ, г/моль
	Углерода С	Водорода Н	Кислорода О
Бензин	0,855	0,145	—	110…120

Выбранный состав топлива отвечает условию:

С + Н + О = 1 кг. (1.1)

При тепловом расчёте ДВС пользуются значением низшей теплоты сгорания топлива, под которой понимается количество теплоты, выделяемое при полном сгорании топлива без учета теплоты конденсации водяных паров.

Низшая теплота сгорания Нu в кДж/кг определяется по формуле Д.И. Менделеева:

(1.2)

где S и W — массовые доли серы и влаги в топливе.

В расчетах принимается S = 0, W = 0.

Горючая смесь

Для полного сгорания топлива необходимо определенное количество воздуха, которое называется теоретически необходимым, и определяется по элементарному составу топлива в кг возд/кг топл:

(1.3)

кг возд/кг топл

или в кмоль возд/кг топл:

(1.4)

кмоль возд/кг топл

Действительное количество воздуха L в кмоль возд/кг топл определяется по формуле:

(1.5)

кмоль возд/кг топл

где б — коэффициент избытка воздуха.

Для различных двигателей при номинальной мощности принимаются следующие значения б: карбюраторные двигатели 0,85…0,98;

Количество горючей смеси М1 в кмоль гор.см/кг топлива определяется по формуле:

(1.6)

кмоль гор.см/кг топл

где mТ — молекулярная масса паров топлива, г/моль.

Величина mТ выбирается по таблице 1. 2.

Продукты сгорания

Количество продуктов сгораниядля двигателей с воспламенением от сжатия рассчитывается по формуле (1.13).

При полном сгорании топлива (при б > 1,0) продукты сгорания состоят из углекислого газа СО2, водяного пара Н2О, избыточного кислорода О2 и азота N2.

Общее количество продуктов М2 неполного сгорания в кмоль пр.сг/кг топл определяется по формуле:

(1.7)

кмоль пр.сг/кг топл.

Количество отдельных составляющих продуктов сгорания в кмоль пр.сг/кг топл. определяются по следующим формулам:

(1.8)

кмоль пр.сг/кг топл

(1.9)

кмоль пр.сг/кг топл

(1.10)

кмоль пр.сг/кг топл

(1.11)

кмоль пр.сг/кг топл

(1.12)

кмоль пр.сг/кг топл

где -константа, зависящая от отношения количества водорода и оксида углерода в продуктах сгорания; для бензинов =0,45…0,5.

Изменение количества молей рабочего тела при сгорании в ?М в кмоль /кг топл. определяется по формуле:

(1. 13)

кмоль /кг топл

Относительное изменение количества молей при сгорании горючей смеси характеризуется химическим коэффициентом молекулярного изменения горючей смеси , который определяется по формуле:

(1.14)

Делись добром 😉

Анализ влияния состояния водителя на безопасность движения

2. Психофизиология труда водителя, его надежность и рабочее место

…

Ассортимент дизельных топлив в соответствии с действующими стандартами. Краски, эмали и другие материалы

2. Краски, эмали и другие материалы. Малярные свойства красок и механические свойства покрытий

…

Общий расчёт одноковшового экскаватора ЭО-3131

2. Рабочее оборудование

Экскаваторы ЭО-4121 с рабочим оборудованием обратная лопата применяют для выемки грунта, расположенного ниже уровня стоянки экскаватора. Этот вид оборудования используют в основном для отрыва траншей под канализационные, водопроводные…

Общий расчёт одноковшового экскаватора ЭО-4121

2.

Рабочее оборудование

Экскаваторы ЭО-4121 с рабочим оборудованием обратная лопата применяют для выемки грунта, расположенного ниже уровня стоянки экскаватора. Этот вид оборудования используют в основном для отрыва траншей под канализационные, водопроводные…

Основы технической диагностики автомобилей

Рабочее место слесаря-авторемонтника (электрика)

Основными функциями электрика является ремонт, обслуживание, регулировки и испытания приборов электрооборудования, снятых с автомобилей. В проекте (рис 1) предусматривается электрик 5-го разряда, два 4-го и два 3-го разряда…

Паровоз серии ФД, его параметры и проектирование

3.РАБОЧЕЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Далее эскизный проект был передан в Центральное локомотиво-проектное бюро Наркомата тяжёлой промышленности (ЦЛПБ НКТП), которое располагалось на территории Коломенского завода. 1 мая 1931 года, коллектив конструкторов под руководством Сушкина К…

Патентное исследование с целью модернизации бульдозера ДЗ-110Б

1.

1.2 Устройство машины и ее рабочее оборудование

Любой бульдозер состоит из базового трактора, рабочего органа (отвала) и механизма привода рабочего органа. 1 — толкающая рама, 2 — боковые толкатели, 3 — отвал, 4 — раскос, 5 — гидроцилиндры. Рисунок 1…

Разработка конструкции машины для замены канатов экскаватора

1.2 Рабочее оборудование

Рабочее оборудование [5] выполняет основные функции экскаватора по экскавации и транспортированию горной массы к транспортному средству и состоит (см. рисунок 1.3) из ковша (с подвеской), рукояти 2, механизма 3 открывания днища ковша…

Разработка системы видеонаблюдения на многоуровневой парковке

4.2 Рабочее место оператора видеонаблюдения

Рабочее место (РМ) представлено на рис. 4.4. Рисунок 4.4 РМ представляет собой видеорегистратор и средства вывода изображения (монитор). Видеорегистратор ставиться на стол или подставку…

Спасательная техника

1. Назначение, классификация и рабочее оборудование грузоподъёмной техники

С точки зрения Правил устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов ПБ 10-382-00 (Правил по кранам) грузоподъемные машины — это технические устройства циклического действия для подъема и перемещения грузов. ..

Техника и оборудование для аэродромов

10.2 Порядок перевода крана в рабочее положение

…

Техника и оборудование для аэродромов

Порядок перевода крана в рабочее положение:

1)убедиться в исправности 2)на элементах не должно быть трещин, механических повреждений 3)кран должен быть проверен(должны быть даты) 4)очистить от снега и т.п…

Топливная система автомобиля ВАЗ

4. Рабочее место автослесаря

Техническое обслуживание, как правило, не требует снятия агрегатов, механизмов, приборов с автомобиля, поэтому эти работы выполняются в основном на специально оборудованных постах…

Топливо, масла и эмали для автомобилей и дорожных машин

2.6 Свойства, предотвращающие образования ржавчины и антикоррозийные свойства

Причиной образования ржавчины служат примесиЃ@наружной воды, а также примесь воды, содержащейся в воздухе, который проницает в масляный бак в результате температурных перепадов. Ржавчина, кроме нанесения вреда трущимся деталям механизма. ..

Экономика железнодорожного транспорта

2. Рабочее время на транспорте

Режим рабочего времени — это порядок распределения нормы рабочего времени работника в конкретной организации в течение определенного календарного периода (сутки, неделя, месяц и т.д.)…

Рабочее тело и его свойства — Студопедия

Поделись  

Рабочим телом называется вещество, при помощи которого осуществляется действительный рабочий цикл двигателя. Для двигателей внутреннего сгорания рабочее тело состоит из атмосферного воздуха, топлива и продуктов его сгорания.

2.1.1 Топливо

Теплота, необходимая для осуществления рабочего цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания, выделяется при химических реакциях сгорания топлива непосредственно в цилиндре двигателя.

Физико-химические свойства топлив, применяемых в автомобильных двигателях, должны отвечать определенным требованиям, зависящим от типа двигателя, особенностей его конструкции, параметров рабочего процесса и условий эксплуатации. Состав топлива и его параметры в соответствии с заданием принимаются по таблицам 2.1 и 2.2.

Таблица 2.1 – Зависимость октанового числа бензина от степени сжатия автомобильного двигателя

Степень сжатия	6,5…7,5	7,6…8,5	8,5…10,0	10,0…12,00
Марка бензина по ГОСТ 2084-77	А-72	А-76	АИ-91 АИ-93 АИ-95	-
Марка бензина по ГОСТ Р 51105-97	-	Нормаль-80	Регуляр-91 Регуляр-92 Преиум-95	Супер-98
Марка бензина по ГОСТ Р 51866-2002	-	-	Регуляр Евро-92 Премиум Евро-95	Супер Евро-98

Таблица 2.2 — Ассортимент марок дизельного топлива

Показатель	Нормы для марок
ГОСТ 305-82	ГОСТ Р 52368-2005
Л	З	ДТ ЕВРО
Цетановое число, не менее

Принимается элементарный состав топлива по таблице 2.

3

Таблица 2.3 – Химический состав автомобильных топлив

Топливо	Содержание в 1 кг	Молекулярная масса mТ, г/моль
Углерода С	Водорода Н	Кислорода О
Бензин	0,855	0,145	–	110…120
Дизельное топливо	0,870	0,126	0,004	180…200

Выбранный состав топлива отвечает условию

.

При тепловом расчёте ДВС пользуются значением низшей теплоты сгорания топлива, под которой понимается количество теплоты, выделяемое при полном сгорании топлива без учета теплоты конденсации водяных паров. Низшая теплота сгорания Н_u

в кДж/кг определяется по формуле Д.И. Менделеева

где S и W – массовые доли серы и влаги в топливе.

В расчетах принимается S = 0, W = 0.

2.1.2 Горючая смесь

Для приготовления горючей смеси используется топливо и воздух. В двигателях с искровым зажиганием горючая смесь, приготовленная из мелко-распыленного топлива и воздуха в карбюраторе, поступает в цилиндр в процессе впуска. В дизеле топливовоздушная смесь образуется в камере сгорания за время впрыска топлива в конце процесса сжатия и в течение процесса сгорания.

Для полного сгорания топлива необходимо определенное количество воздуха, которое называется теоретически необходимым, и определяется по элементарному составу топлива в кг возд/кг топл.

или в кмоль возд/кг топл

В зависимости от условий работы двигателя на каждую единицу топлива приходится количество воздуха, большее или меньшее теоретически необходимого. Отношение действительного количества воздуха, участвующего в сгорании 1 кг топлива, к теоретически необходимому количеству воздуха называется коэффициентом избытка воздуха.

Действительное количество воздуха L в кмоль возд/кг топл определяется по формуле

где α — коэффициент избытка воздуха.

Значение коэффициента α зависит от типа смесеобразования, условий воспламенения и сгорания топлива, а также от режима работы двигателя.

Для различных двигателей при номинальной мощности принимаются следующие значения α:

— карбюраторные двигатели 0,85…0,98;

— дизельные двигатели 1,3…1,7;

— дизели с наддувом 1,5…2,0.

Уменьшение коэффициента избытка воздуха двигателей до возможных пределов уменьшает размеры цилиндра и, следовательно, повышает литровую мощность дизеля, но одновременно с этим значительно возрастает теплонапряжённость двигателя, особенно деталей поршневой группы, увеличивается дымность отработавших газов.

Количество горючей смеси М₁в кмоль гор.см/кг топл определяется по формуле

где m_Т – молекулярная масса паров топлива, г/моль.

Величина m_Т выбирается по таблице 2.3.

2.1.3 Продукты сгорания

Количество продуктов сгорания для карбюраторных двигателей определяется по формуле (2. 7), а для двигателей с воспламенением от сжатия по формуле (2.13).

При неполном сгорании топлива (при α < 1,0) продукты сгорания представляют собой смесь оксида углерода СО, углекислого газа СО₂, водяного пара Н₂О, свободного водорода Н₂и азота N₂.

Общее количество продуктов М₂ неполного сгорания в кмоль пр.сг/кг топл определяется по формуле

Количество отдельных составляющих продуктов сгорания в кмоль пр.сг/кг топл определяются по следующим формулам:

,

,

,

,

.

где k – константа, зависящая от отношения количества водорода и оксида углерода в продуктах сгорания; для бензинов k = 0,45…0,5.

При полном сгорании топлива (при α > 1,0) продукты сгорания состоят из углекислого газа СО₂, водяного пара Н₂О, избыточного кислорода О₂и азота N₂.

Общее количество продуктов полного сгорания М₂ в кмоль пр.сг/кг топл определяется по формуле

Количество отдельных составляющих продуктов сгорания в кмоль пр. сг/кг топл определяются по следующим формулам:

,

,

,

.

Для жидкого топлива количество молей продуктов сгорания всегда больше, чем количество молей горючей смеси. Это происходит вследствие химических реакций распада молекул топлива при сгорании и образования новых молекул.

Изменение количества молей рабочего тела при сгорании в ∆М в кмоль /кг топл определяется по формуле

Относительное изменение количества молей при сгорании горючей смеси характеризуется химическим коэффициентом молекулярного изменения горючей смеси , который определяется по формуле



Тепловые двигатели, цикл Карно, коэффициент полезного действия, прямой и обратный цикл теплового двигателя

Физика->Термодинамика->тепловые двигатели->

Тестирование онлайн

• Тепловые двигатели. Основные понятия

• Тепловые двигатели, КПД

Тепловой двигатель

Двигатель, в котором происходит превращение внутренней энергии топлива, которое сгорает, в механическую работу.

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела (газ, жидкость и др.) и холодильника. В основе работы двигателя лежит циклический процесс (это процесс, в результате которого система возвращается в исходное состояние).

Прямой цикл теплового двигателя

Общее свойство всех циклических (или круговых) процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q₁ (происходит расширение) и отдает холодильнику количество теплоты Q₂, когда возвращается в исходное состояние и сжимается. Полное количество теплоты Q=Q₁-Q₂, полученное рабочим телом за цикл, равно работе, которую выполняет рабочее тело за один цикл.

Обратный цикл холодильной машины

При обратном цикле расширение происходит при меньшем давлении, а сжатие — при большем. Поэтому работа сжатия больше, чем работа расширения, работу выполняет не рабочее тело, а внешние силы. Эта работа превращается в теплоту. Таким образом, в холодильной машине рабочее тело забирает от холодильника некоторое количество теплоты Q₁ и передает нагревателю большее количество теплоты Q₂.

Коэффициент полезного действия

Прямой цикл:

Показатель эффективности холодильной машины:

Цикл Карно

В тепловых двигателях стремятся достигнуть наиболее полного превращения тепловой энергии в механическую. Максимальное КПД.

На рисунке изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном двигателе и в дизельном двигателе. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30%, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Французский физик С.Карно разработал работу идеального теплового двигателя. Рабочую часть двигателя Карно можно представить себе в виде поршня в заполненном газом цилиндре. Поскольку двигатель Карно — машина чисто теоретическая, то есть идеальная, силы трения между поршнем и цилиндром и тепловые потери считаются равными нулю. Механическая работа максимальна, если рабочее тело выполняет цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот цикл называют циклом Карно.

участок 1-2: газ получает от нагревателя количество теплоты Q₁ и изотермически расширяется при температуре T₁
участок 2-3: газ адиабатически расширяется, температура снижается до температуры холодильника T₂
участок 3-4: газ экзотермически сжимается, при этом он отдает холодильнику количество теплоты Q₂
участок 4-1: газ сжимается адиабатически до тех пор, пока его температура не повысится до T₁.
Работа, которую выполняет рабочее тело — площадь полученной фигуры 1234.

Функционирует такой двигатель следующим образом:

1. Сначала цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром, и идеальный газ расширяется при постоянной температуре. На этой фазе газ получает от горячего резервуара некое количество тепла.
2. Затем цилиндр окружается идеальной теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется, и газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.
3. На третьей фазе теплоизоляция снимается, и газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.
4. Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией, и газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого теплоизоляция удаляется и цикл повторяется вновь с первой фазы.

КПД цикла Карно не зависит от вида рабочего тела

для холодильной машины

В реальных тепловых двигателях нельзя создать условия, при которых их рабочий цикл был бы циклом Карно. Так как процессы в них происходят быстрее, чем это необходимо для изотермического процесса, и в то же время не настолько быстрые, чтоб быть адиабатическими.

Второй закон термодинамики (обновлено 05.07.2014)

Глава 5: Второй закон термодинамики (обновлено 05.07.2014)

В этой главе мы рассмотрим более абстрактный подход нагревать циклы двигателя, холодильника и теплового насоса, пытаясь определить, выполнимы ли они, и получить предельный максимум производительность, доступная для этих циклов. Понятие механического и термообратимость занимает центральное место в анализе, что приводит к идеальные циклы Карно. (См. Википедию: Сади Карно французский физик, математик и инженер, который первым успешно описал тепловые двигатели, цикл Карно и заложил основы второго закона термодинамика). Для получения дополнительной информации об этом тему, см. документ: A Встреча Роберта Стирлинга и Сади Карно в 1824 году представлен на выставке 2014 МЭК .

Мы представляем тепловой двигатель и цикл теплового насоса в минималистский абстрактный формат, как на следующих диаграммах. В обоих корпусов два температурных резервуара Т _Н и Т _Л , с Т _Х > Т _Л .

В случае теплового двигателя тепло Q _H извлекается из высокотемпературного источника T _H , часть этого тепла превращается в работу W, совершаемую над окружающей средой, а остальное отбрасывается в низкотемпературную мойку T _L . Обратное происходит с тепловым насосом, в котором работа W совершается на система для извлечения тепла Q _L из низкотемпературный источник Т _Л и «закачать» его в высокотемпературную раковину T _H . Обратите внимание, что толщина линии представляет собой количество тепла. или переданная рабочая энергия.

Теперь мы представляем два утверждения второго закона Термодинамика, первая о тепловой машине, а вторая по поводу теплового насоса. Ни одно из этих утверждений не может быть доказано, однако никогда не наблюдалось нарушений.

Заявление Кельвина-Планка: Оно невозможно построить устройство, работающее по циклу и не производит никакого другого эффекта, кроме передачи тепла от одного тела для того, чтобы произвести работу.

Мы предпочитаем менее формальное описание этого оператора с точки зрения лодки, извлекающей тепло из океана для производства его требуемая двигательная работа:

Заявление Клаузиуса: Оно невозможно построить устройство, работающее по циклу и не производит никакого другого эффекта, кроме передачи тепла от более холодного тела к более горячему телу.

Эквивалентность Клаузиуса и Кельвина-Планка Выписки

Примечательно, что два вышеуказанных утверждения Второй закон фактически эквивалентен. Для демонстрации своих эквивалентности рассмотрим следующую диаграмму. Слева мы видим тепло насос, который нарушает утверждение Клаузиуса, перекачивая теплоту Q _L из низкотемпературного резервуара в высокотемпературный температурный резервуар без каких-либо затрат труда. Справа мы видим тепловой двигатель, отводящий тепло Q _L в низкотемпературный резервуар.

Если мы теперь соединим два устройства, как показано ниже, то что теплота, отводимая тепловой машиной Q _L , равна просто закачивается обратно в высокотемпературный резервуар, тогда отсутствие необходимости в низкотемпературном резервуаре, что приводит к двигатель, который нарушает утверждение Кельвина-Планка, отбирая тепло от одного источника тепла и преобразования его непосредственно в работу.

Механическая и термическая обратимость

Обратите внимание, что утверждения о втором законе отрицательные утверждения в том, что они описывают только то, что невозможно достигать. Чтобы определить максимальную производительность, доступную от тепловая машина или тепловой насос нам необходимо ввести понятие Реверсивность , включая механическую и термическую обратимость. мы попробуем пояснить эти понятия на следующем примере реверсивный поршневой цилиндр, находящийся в тепловом равновесии с окружающей среды при температуре T ₀ и подвергается циклическому процессу сжатия/расширения.

Для механической обратимости мы предполагаем, что процесс без трения, однако мы также требуем, чтобы процесс квазиравновесный. На диаграмме мы видим, что во время при сжатии частицы газа, находящиеся ближе всего к поршню, будут более высокое давление, чем те, которые находятся дальше, поэтому поршень будет делать больше работы по сжатию, чем если бы мы ждали условия равновесия, возникающие после каждого дополнительного шага. Точно так же термическая обратимость требует, чтобы вся теплопередача изотермический. Таким образом, если происходит постепенное повышение температуры из-за к сжатию, то нужно дождаться установления теплового равновесия учредил. При расширении постепенное падение температуры приведет к передаче тепла из окрестности по систему до тех пор, пока не установится равновесие.

Итак, есть три условия, необходимые для реверсивный режим:

• Все механические процессы без трения.

• При каждом приращении шаг в процессе условия теплового и барического равновесия учредил.

• Все процессы теплопередачи являются изотермическими.

Теорема Карно

Теорема Карно, также известная как правило Карно, или Принцип Карно можно сформулировать следующим образом:

Тепловая машина не работает между двумя резервуары могут быть более эффективными, чем обратимая тепловая машина работающий между одними и теми же двумя резервуарами.

Самый простой способ доказать эту теорему — рассмотреть сценарий, показанный ниже, в котором у нас есть необратимый двигатель как а также реверсивный двигатель, работающий между резервуарами Т _Н и Т _L , однако необратимая тепловая машина имеет более высокий КПД, чем обратимая один. Оба они получают одинаковое количество тепла Q _H от высокотемпературный резервуар, однако необратимый двигатель производит больше работы W _I , чем реверсивный двигатель W _R .

Обратите внимание, что реверсивный двигатель по своей природе может работать в обратном порядке, т. е. если мы используем часть выхода работы (W _R ) от нереверсивного двигателя для привода реверсивного двигателя то он будет работать как тепловой насос, передавая тепло Q _H в высокотемпературный резервуар, как показано на следующая диаграмма:

Обратите внимание, что высокотемпературный резервуар становится избыточны, и в итоге мы получаем чистое количество тепла (Q _LR — Q _LI ) из температурный резервуар для производства чистого количества работы (W _I — W _R ) — метод Кельвина-Планка нарушитель — тем самым доказывая теорему Карно.

Следствие 1 теоремы Карно:

Можно сформулировать первое следствие теоремы Карно следующим образом:

Все реверсивные тепловые двигатели действующие между теми же двумя тепловыми резервуарами должны иметь одинаковую эффективность.

Таким образом, независимо от типа тепловой машины, рабочее тело или любой другой фактор, если тепловая машина обратима, то он должен иметь такой же максимальный КПД. Если это не тот случае, то мы можем управлять реверсивным двигателем с нижней КПД как тепловой насос, а нарушитель Кельвина-Планка как выше.

Следствие 2 теоремы Карно:

Второе следствие теоремы Карно может быть заявлено следующим образом:

Эффективность реверсивного теплогенератора двигатель является функцией только соответствующих температур горячего и холодные резервуары. Его можно оценить, заменив отношение Трансферные передачи тепла Q _L и Q _H по отношению к температурам T _L и T _H 9003 of _H 9003 of _H и T _H соответствующие тепловые резервуары.

Таким образом, используя это следствие, мы можем оценить тепловую КПД обратимой тепловой машины:

Обратите внимание, что мы всегда переходим в «режим медитации». до замены отношения теплоты отношением абсолютных температуры, что справедливо только для реверсивных машин. Простейшим концептуальным примером обратимой тепловой машины является машина Карно. цикла двигателя, как показано на следующей диаграмме:

Совершенно непрактичный двигатель, который не может реализоваться на практике, поскольку для каждого из четырех процессов в цикл окружающей среды должен быть изменен с изотермического к адиабатическому. Более практический пример — идеальный цикл Стирлинга. двигатель, как показано на следующей схеме:

Этот двигатель имеет поршень для сжатия и работы по расширению, а также вытеснитель для перемещения рабочей газа между горячим и холодным пространством, и было описано ранее в Глава 3b . Отметим, что при одинаковых условиях температуры и сжатия отношение идеальный двигатель Карно имеет такой же КПД, однако значительно меньшая полезная производительность за цикл, чем у Ideal Stirling цикла двигателя, как легко увидеть на следующей диаграмме:

Когда реверсивный двигатель работает в обратном направлении, становится тепловым насосом или холодильником. Коэффициент производительности из этих машин разработано следующее:

__________________________________________________________________________

Решено Задача 5.1 — Реверсивный домашний воздух Кондиционер и горячая вода Подогреватель
_____________________________________________________________

Проблема 5.2 — Тепловой насос используется для удовлетворения потребностей в отоплении дома и поддержания его при 20°С. В день, когда температура наружного воздуха опускается до -10°C подсчитано, что дом теряет тепло в размере 10 кВт. В этих условиях фактический коэффициент полезного действия (COP _HP ) теплового насоса 2,5.

• а) Нарисуйте схему представляющая систему теплового насоса, показывающую поток энергии и температуры и определить:

• б) фактическая мощность потребляется тепловым насосом [4 кВт]

• в) сила, которая будет потребляться обратимым тепловой насос в этих условиях [1,02 кВт]

• г) сила, которая будет потребляться электрическим нагревателем сопротивления при этих условия [10 кВт]

• e) Сравнение реального теплового насоса с обратимый тепловой насос определить, если производительность фактического тепла насос возможен,

Вывести все используемые уравнения, начиная с основного значение КС _лс .
__________________________________________________________________________

Проблема 5.3 — Во время эксперимент, проведенный в старшей лаборатории при 25 ° C, студент измерил, что холодильник с циклом Стирлинга, который потребляет 250 Вт энергии, удален 1000кДж тепла от охлаждаемого помещения, поддерживаемого при -30°С. время работы холодильника во время эксперимента составляло 20 мин. Нарисуйте схему, представляющую холодильную систему, показывающую поток энергии и температуры, и определить, являются ли эти измерения разумны [COPR = 3,33, COPR, об. = 4,42, соотношение COPR/COPR, об. = 75% > 60% — нет достижимый]. Укажите причины вашего выводы. Получить все уравнения, используемые, начиная с основного определения коэффициента производительности холодильника (КС _Р ).
__________________________________________________________________________

К главе 6: Энтропия — новое свойство

__________________________________________________________________________________________

Инженерная термодинамика Израиля Уриэли находится под лицензией Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 США Лицензия

термодинамика — Почему КПД клеток человека меньше КПД двигателя Отто?

Можно ли вообще сравнивать живые клетки с тепловыми двигателями?

Нет, не совсем так, потому что живое существо — это не только тепловой двигатель. Здесь я хочу отметить три основных момента.

1. Гомеостаз требует постоянного расхода энергии

Это утверждение особенно верно и очевидно для гомеотермных млекопитающих (Mammaliaformes, потомки Therapsid Synapsid Amniotes) и птиц (Avialae/Dinosauria, потомки Dinosauriform Amniotes), которые используют большое количество энергии просто поддерживает температуру своего тела в строгих пределах, т. е. компенсирует (в основном конвективную) потерю тепла своим телом в холодных условиях и активно отдает тепло своим телом в жарких условиях. Но в более общем смысле явление гомеостаза также требует затраты энергии; живой организм представляет собой сильно неравновесную термодинамическую систему, и избыточная энтропия, производимая метаболическими процессами, должна быть вытеснена, чтобы она оставалась такой. Термодинамическое равновесие достигается только тогда, когда живое существо умирает.

Только из этого соображения можно ожидать, что эффективность, измеренная при выполнении организмом механической работы, будет значительно меньше, чем у тепловой машины.

2. Мышечное действие не является тепловым двигателем

Мышечное действие гораздо больше похоже на электрический двигатель, чем на тепловой двигатель. Под этим я подразумеваю, что электродвигатель по существу преобразует работу из одной формы в другую с почти нулевым изменением энтропии и незначительным изменением температуры; моторные белки преобразуют низкоэнтропийную энергию, запасенную в виде АТФ, в механическую работу путем гидролиза АТФ с очень небольшим изменением температуры реагентов по мере их реакции. В этом случае наиболее значимая мера КПД , вероятно, выражается в двух факторах: 1) отношении свободной энергии $\Delta G$ реакции гидролиза АТФ к полному изменению энтальпии $\Delta H$ реакции (разность $T\,\ Delta S$ — это работа, которую мы должны «отдать», чтобы вытеснить избыточную энтропию реагентов по сравнению с продуктами реакции с более низкой энтропией) и (2) отношение выполненной механической работы к доступной $\Delta G$.

В тепловой машине мы берем некоторое количество тепла из горячего резервуара, уменьшая при этом энтропию последнего на $Q_i/T_i$, но обнаруживаем, что при наличии более холодного резервуара при $T_o 0$ для выполнения работы. В биологических реакциях наиболее сравнимым с этим процессом является процесс фотосинтез , где «рабочее тело» света при термодинамическом равновесии при $6000{\rm K}$ преобразуется в «запасную работу» в сахарах и, в конечном счете, в АТФ, сбрасывая избыточное тепло при температуре окружающей среды $300{\rm K} $ в процессе. Отныне все живые существа используют этот запас энергии с низкой энтропией скорее как электродвигатель, преобразующий энергию, хранящуюся в конденсаторе, будь то растения, использующие ее для своего собственного жизненного процесса, или травоядные, получающие к ней доступ через съеденные растения, или плотоядные, получающие к ней доступ через съеденные растения. едоки.

Итак, растения и их фиксация солнечной энергии являются компонентом биосферы, наиболее сравнимым с тепловым двигателем на электростанции; метаболические процессы растений и животные, которые едят растения и друг друга, чтобы получить доступ к запасенной в растениях энергии, больше похожи на электрические приборы, которые используют работу, извлекаемую электростанцией, с очень небольшим изменением температуры.

3. Денатурация белков при примерно $50 {\rm C}$

Для любого животного процесса, который можно рассматривать как тепловую машину, максимальная температура на входе может составлять не более нескольких или не более нескольких десятков градусов Кельвина выше температуры окружающей среды. Это связано с тем, что биологические механизмы смертельно повреждены при температурах, намного превышающих $40{\rm C}$. Белки денатурируют и теряют свои жизненно важные функции при очень низких температурах. Таким образом, если в жизни существуют какие-либо процессы, которые можно разумно рассматривать как аналогичные тепловым двигателям, мы должны предвидеть, что их КПД будет очень низким, поскольку теоретический КПД составляет порядка $3\%$ при таком ограничении.

---

Интересное исключение из моего пункта 3 касается глубоководных обитателей вблизи гидротермальных источников. Джон Ренни пишет:

Что касается последнего пункта, эффективность, конечно, могла бы быть 100%, если бы у животных был теплоотвод при абсолютном нуле. Важен тот факт, что существует очень ограниченная доступная разница температур, а не ограниченная температура источника. Обратите также внимание на то, что некоторые экстремофилы вполне счастливы, живя в воде, близкой к кипящей.

, так что у нас есть существа, обитающие в средах с $100{\rm C}$ и выше, и возможность сбрасывать тепло в окружающее море при гораздо более низких температурах. Однако я так понимаю, что эти существа по-прежнему используют химическую энергию из того, что они могут извлечь из вулканических жерл, а не работают как тепловые машины, пользуясь перепадом температуры.

термодинамика — Как эффективность тепловой машины связана с энтропией, произведенной в процессе?

Как КПД тепловой машины связан с энтропией, производимой в процессе?

Максимальный КПД любой тепловой машины, работающей между двумя температурами $T_H$ и $T_C$, представляет собой КПД Карно, определяемый выражением $$e_C = 1 -\frac{T_C}{T_H}. $$

Такая тепловая машина не производит энтропию , потому что мы можем показать, что энтропия потеря в горячем резервуаре точно равна энтропии прироста в холодном резервуаре, и, конечно, энтропия системы в сети не меняется, потому что система совершает цикл.

Любая тепловая машина, работающая между теми же двумя температурами, эффективность которой на меньше, чем на , чем $e_C$, обязательно увеличивает энтропию Вселенной; в частности, общая энтропия резервуаров должна увеличиваться. Это увеличение энтропии резервуаров называется генерацией энтропии.

Наконец, КПД идеального двигателя обязательно меньше единицы, потому что энтропийный «поток» в систему из горячего резервуара должен быть по крайней мере точно уравновешен энтропийным «потоком» из системы в холодный резервуар (поскольку чистое изменение энтропии системы должно быть равно нулю в цикле), и это требует отвода тепла из системы в холодный резервуар. Тот факт, что $e_C$ обращается в единицу в пределе малых отношений $T_C/T_H$, является следствием того, что $Q_C$ мало по сравнению с $Q_H$. это , а не , является следствием того, что в этом случае образование энтропии мало, так как для цикла Карно образование энтропии уже равно нулю.

Давайте сначала сосредоточимся на взаимодействии между системой и горячим резервуаром. Из горячего резервуара в систему поступает энергия $\delta Q_H$, что означает, что энтропия системы изменяется на $$\mathrm dS_\text{sys} = \frac{\delta Q_H}{T_\text{sys}},$$ и соответственно энтропия резервуара изменяется на $$\mathrm dS_\text{горячий} = -\frac{\delta Q_H}{T_{H}}.$$ Тогда нетрудно показать, что полное изменение энтропии системы плюс окружающая среда удовлетворяет $$\mathrm dS = \mathrm dS_\text{hot}+\mathrm dS_\text{sys} \geq0,$$ при равенстве выполняется тогда и только тогда, когда система и окружающая среда обмениваются энергией посредством нагревания, когда они имеют равные температуры, $T_\text{sys} = T_H$.

Как следствие, чтобы минимизировать производство энтропии (и, фактически, полностью обнулить его) во время этого процесса, мы хотим, чтобы $T_\text{sys} = T_H$, и чистое изменение энтропии системы во время этого процесса может тогда запишите как $$\Delta S_\text{sys} = \int \frac{\delta Q_H}{T_\text{sys}} = \frac{Q_H}{T_{H}},$$ так как мы предполагаем, что температура резервуара вообще не меняется в течение цикла.

Теперь, поскольку система работает по термодинамическому циклу и поскольку энтропия системы $S_\text{sys}$ является переменной состояния (функция состояния/$dS$ является точным дифференциалом и т. д.), оно должно быть истинным что $$\mathrm dS_\text{sys,cycle}=0.$$ Следовательно, должен существовать какой-то другой процесс, во время которого система выделяет некоторое количество энергии $Q_C$ в какой-либо другой резервуар путем нагревания таким образом, что изменение энтропии системы во время этого нового процесса является отрицательным по отношению к изменению энтропии системы, которое мы рассчитали раньше. По тому же аргументу, что и выше, должно быть, что это изменение энтропии равно $$\Delta S_2 = -\frac{Q_C}{T_C},$$ где $T_C$ — температура холодного резервуара.

Наконец, поскольку энтропия системы является переменной состояния, $$0 = \Delta S + \Delta S_2 = \frac{Q_H}{T_H}-\frac{Q_C}{T_C}.$$ Другой способ взглянуть на это уравнение состоит в том, что чистое изменение энтропии горячего резервуара отрицательно чистому изменению энтропии холодного резервуара во время цикла, и, следовательно, чистое изменение энтропии Вселенной равно нулю во время цикла. .

Кажется, все это не связано с тем фактом, что эффективность становится равной 1, когда отношение $T_C$ к $T_H$ стремится к нулю. Это происходит следующим образом. Во-первых, чистая работа, произведенная за один цикл, равна $$W_\text{out} = Q_H-Q_C,$$ и, следовательно, КПД двигателя, который мы только что сделали, равен $$e = \frac{W_\text{out}}{Q_H} = 1 — \frac{T_C}{T_H},$$ после некоторой алгебры. Основываясь на нашем расчете выше, это должно быть максимальный КПД любого двигателя, работающего между этими двумя температурами.