Читать книгу Основы тепловых двигателей внутреннего сгорания. Издание II - Юрий Владимирович Медовщиков, Юрий Владимирович Манухов - Страница 7

При проектировании тепловых двигателей, а так же в некоторых других случаях используются несколько фундаментальных научных дисциплин. Наряду непосредственно с машиноведением, то есть проектировочными тяговыми и прочностными расчетами и некоторыми другими, – базовыми являются в первую очередь теплотехника и термодинамика. Они определяют сущность рабочих процессов, происходящих c газами и их законы. Более того, они являются интегрированными научными и учебными дисциплинами, обосновывающими достижения других в данной области (математики, физики, химии…),то есть применительно непосредственно к устройствам, способным совершать работу (двигателям).Изучение данной дисциплины позволит получить необходимые первоначальные знания и сведения в области тепловых двигателей, которые могут потребоваться в дальнейшем для разных целей и на практике.

Основные термодинамические параметры газов

Газы, которые встречаются повсеместно являются инертными, но рассматриваются как рабочие тела с помощью которых происходит превращение теплоты в механическую работу и они подчиняются основным законом теплотехники. Идеальным называют вооброжаемый газ, в котором молекулы рассматриваются как материальные точки (обладающие массой, но не имеющие обьема), между которыми отсутствуют силы взаимодействия. Основными параметрами рабочего тела являются: давление (p),температура (Т),удельный обьем (отношение обьема газа к его плотности – v).

где dq – теплота [Дж],

dT – приращение температуры, [K].

Она показывает, какое количество теплоты необходимо подвести к единице количества вещества для нагревания его на 1К..Различают теплоемкость: массовую [Дж/кгК],киломольную [Дж/кмольК],обьемную [Дж/м3К].Общая формулировка несколько иная:

С = dU/dT + p*dV/dT,

изменение которой в элементарном процессе равно отношению количества теплоты dq, участвующей в этом процессе к постоянной температуре Т.

Количество теплоты же тогда можно определить следующим образом:

Кроме указанных термодинамических параметров важную роль играет уравнение состояния:

P*V = R*T,

где R – газовая постоянная, а для 1 Кмоля газа это уравнение имеет вид:

P*Vm = Ro*T,

где Ro=8,31*1000 [Дж/КмольК] – универсальная газовая постоянная, одинаковая для любого газа,

Vm=v*m=m/p – обьем, занимаемый 1 Кмолем газа при нормальных условиях. Киломоль – это количество вещества в килограммах, численно равное его молекулярной массе.

Основные законы теплотехники и термодинамики

С помощью газов можно совершать положительную работу, т.е. их обычно используют для приводов тепловых двигателей различных типов или холодильных машин. Поэтому для оценки работы необходимо знать основные понятия о термодинамическом процессе.

Состояние системы газа может быть равновесным или неравновесным. Равновесным считают состояние при котором параметры газа (P,V,T) остаются неизменными сколько угодно долго, пока какие-либо внешние воздействия не изменят их. Иначе состояние считается неравновесным. Последовательность же изменения термодинамического состояния системы называют термодинамическим процессом. Если в результате прямого термодинамического процесса система перешла из одного состояния в другое, а затем вернулась обратно к первоначальному состоянию, то возник обратный термодинамический процесс. Обратимым называют равновесный процесс, который протекает в прямом и обратном направлениях через один и тот же ряд равновесных состояний, не вызывая изменения в самом газе и в телах, окружающих систему. Неравновесные процессы необратимы и все действительные процессы в теплотехнике практически необратимы.

При расширении и сжатии газа совершается работа (изнутри или извне).Здесь она определяется как:

dL = p * dV

где р – сила, dV – элементарное изменение обьема.

Полная работа является суммой или интегралом этого выражения и измеряется в [Дж]: 1 Дж= 1 Квтч. Работа газа в практической области давно уже применяется для тепловых двигателей и других машин и поэтому имеет свои исторические законы.

Законы в термодинамике играют важную роль и обуславливаются для идеальных газов: но на практике переносятся на реальные газы. Далее приводятся основные термодинамические законы и некоторые аспекты их практического применения.

Закон Авогадро для идеальных газов гласит, что все газы при одинаковом давлении и температуре содержат в равном обьеме одинаковое число молекул.

Закон Дальтона определят для смеси газов следующее: если различные компоненты газовой смеси не вступают в химические реакции друг с другом, то каждый газ занимает весь обьем сосуда, равномерно распределяясь в нем. Давление каждого из газов называется парциальным: таким образом, давление, оказываемое газовой смесью, равно сумме парциальных давлений.

Основные типы термодинамических процессов и законы их определяющие: это изохорный, изобарный, изотермический и аддиабатный. Самым простым термодинамическим циклом, приближенным к реальным условиям является, например, цикл Карно.

Изохорный процесс протекает при постоянном обьеме (он может совершаться, например, при нагревании газа, помещенного в сосуд: кстати один из первых паровых автомобилей под названием повозка Куньо работал именно так!).Его обоснованием является закон Шарля: давление оказываемое на стенки сосуда при изохорном процессе прямо пропорционально абсолютной температуре

P1/T1 = P2/T2.

Изобарный процесс протекает при постоянном давлении (он осуществляется при помещении газа в плотный цилиндр с подвижным поршнем, на который действует постоянная внешняя сила при подведении и отводе теплоты: похожий процесс, например, осуществлялся в старых движителях паровозов, без учета отвода теплоты!).В данном случае при нагревании температура газа повышается и он расширяясь выталкивает поршень из цилиндра; а при отводе теплоты температура газа понижается и поршень, например, под действием внешней силы возвращается в исходное состояние. Этот процесс определяет закон Гей-Люссака: в изобарном процессе обьем, занимаемый данной массой газа, прямо пропорционален температуре

V1/T1 = V2/T2.

Изотермический процесс протекает при неизменной температуре: практически его осуществить очень сложно! Здесь имеем

P1*V1 = P2*V2

Аддиабатный процесс протекает без теплообмена с окружающей средой (также осуществить очень сложно).

Первый закон термодинамики представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических процессов: энергия не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одного вида в другой в эквивалентных количествах. Примером является переход теплоты в механическую работу и наоборот.

Если к М кг газа, занимающего при температуре Т обьем V подвести при постоянном давлении некоторое количество теплоты, то в результате этого температура газа повысится, а обьем – увеличится. Если при этом в газе дополнительно никаких процессов не происходит, то на основании закона сохранения энергии можно записать:

dQ = dK + dH + dL,

где dK – изменение средней кинетической энергии газа,

dH – потенциальная энергия взаимодействия молекул газа,

dK + dH = dU – изменение внутренней энергии системы молекул в результате подвода теплоты.

и формулируется следующим образом: количество теплоты dQ, подводимое к системе газа, затрачивается на изменение ее внутренней энергии dU и совершение внешней работы dL (которая является непосредственно полезной).

Для того, что бы двигатель совершал при этом практическую работу нужно организовать круговой процесс и периодическое его повторение, поэтому требуется непрерывное повторение процесса расширения рабочим телом (газом).Это может достигаться следующим образом:

1способ: непрерывное удаление из двигателя старого расширившегося рабочего тела и подача нового, которое также будет расширяться,

2способ: рабочее тело после расширения возвращается в исходное состояние путем сжатия, а потом снова расширяется (но на его сжатие должна тратиться работа внешних сил).

Современные двигатели работают по 1-му способу, отчасти используя 2-й. Однако смысл в данном случае сохраняется, так как разница между подводимым теплом и отводимым, определяется совершенной работой самого расширяющегося газа и непосредственно над ним при сжатии. Отсюда возникает понятие о коэффициенте полезного действия тепловой машины как двигателя, который представляет собой отношение количества теплоты, превращенной непосредственно в работу к количеству затраченной теплоты.

Таким образом, исторический смысл второго закона термодинамики, сформулированного С. Карно, а также Т.У.Кельвиным заключается в том, что он формулирует возможность и направление совершения термодинамического процесса и определяет понятие теплового двигателя: «…повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы…,нельзя надеятся использовать всю движущую силу топлива…,невозможно построить вечный двигатель…» (как и еще одна формулировка первого закона термодинамики) – нельзя построить периодически действующую машину, все действия которой сводились бы к производству механической работы и охлаждению одного и того же источника теплоты… Практический же смысл его на сегодня можно привести непосредственно к понятию о коэффициенте полезного действия.

Виды и элементарный состав топлива

Топливом называют горючие вещества, применяемые для получения теплоты при их сжигании. Основные виды топлив: твердые (различные типы углей),жидкие (нефтяные фракции), газообразные (природный и промысловый газ).

Твердые топлива используются в основном для топочных устройств или регенераторов, которые в настоящее время для современных типов двигателей уже практически не используются за исключением паровых котлов и турбин, и бывают следующих видов: древесина, торф, ископаемый уголь, горючие сланцы.

В качестве топлива используются различные виды, обладающие различными качествами, составом, каллорийностью и другими характеристиками. Различают следующие основные виды топлив двигателей различных типов: бензины, дизельные топлива, сжатые и сжиженные газы, спиртовые, рапсовые и прочие технические растворители. Кроме того, для турбинных двигателей и других генераторов может использоваться также водяной пар, как вторичный энергоноситель при сжигании первичного (например, углей различных типов или высококалорийного газа ацетилена) и т. п.