Тепловой процесс

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Югорский государственный  университет

Институт природопользования

Кафедра энергетики

 

                                                                                                                                              

 

 

Реферат

на тему: «Тепловой процесс»

 

 

                                                    Студент группы 2811б

Алимов Н.Н.

      ____________________                                                                                                                      (подпись) 

                       

                                                           Руководитель: Гулин С.В.

____________________

(подпись)

 

 

 

 

Ханты-Мансийск – 2013

Тепловой процесс (термодинамический процесс) — изменение макроскопического состояния термодинамической системы.

Система, в которой идёт тепловой процесс, называется рабочим телом.

Тепловые процессы можно  разделить на равновесные и неравновесные. Равновесным называется процесс, при котором все состояния, через которые проходит система, являются равновесными состояниями.

Тепловые процессы можно  разделить на обратимые и необратимые. Обратимым называется процесс, который можно провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния.

Можно выделить несколько  простых, но широко распространённых на практике, тепловых процессов:

• Адиабатный процесс — происходящий без теплообмена с окружающей средой;
• Изохорный процесс — происходящий при постоянном объёме;
• Изобарный процесс — происходящий при постоянном давлении;
• Изотермический процесс — происходящий при постоянной температуре;
• Изоэнтропийный процесс — происходящий при постоянной энтропии;
• Изоэнтальпийный процесс — происходящий при постоянной энтальпии;
• Политропный процесс — происходящий при постоянной теплоёмкости;

В технике важны круговые процессы (циклы), то есть повторяющиеся процессы, например, цикл Карно, цикл Ренкина.

Теория тепловых процессов  применяется для проектирования двигателей, холодильных установок, в химической промышленности, в метеорологии.

Термодинамические циклы — круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление, объём, температура, энтропия), совпадают.

Термодинамические циклы  являются моделями процессов, происходящих в реальных тепловых машинах для  превращения тепла в механическую работу.

Компонентами любой тепловой машины являются рабочее тело, нагреватель и холодильник (с помощью которых меняется состояние рабочего тела).

Обратимым называют цикл, который можно провести как в прямом, так и в обратном направлении в замкнутой системе. Суммарная энтропия системы при прохождении такого цикла не меняется. Единственным обратимым циклом для машины, в которой передача тепла осуществляется только между рабочим телом, нагревателем и холодильником, является Цикл Карно. Существуют также другие циклы (например, цикл Стирлинга и цикл Эрикссона), в которых обратимость достигается путём введения дополнительного теплового резервуара — регенератора. Общим (т.е. указанные циклы частный случай) для всех этих циклов с регенерацией является Цикл Рейтлингера. Можно показать , что обратимые циклы обладают наибольшей эффективностью.

Основные  принципы

Прямое преобразование тепловой энергии  в работу запрещается постулатом Томсона, Поэтому для этой цели используются термодинамические циклы.

Для того, чтобы управлять состоянием рабочего тела, в тепловую машину входят нагреватель и холодильник. В каждом цикле рабочее тело забирает некоторое количество теплоты ( ) у нагревателя и отдаёт количество теплоты   холодильнику. Работа, совершённая тепловой машиной в цикле, равна, таким образом,

,

так как изменение внутренней энергии   в круговом процессе равно нулю (это функция состояния).

Напомним, что работа не является функцией состояния, иначе суммарная работа за цикл также была бы равна нулю.

При этом нагреватель потратил энергию  . Поэтому тепловой, или, как его ещё называют, термический или термодинамический коэффициент полезного действия тепловой машины (отношение полезной работы к затраченной тепловой энергии) равен

.

Вычисление  работы и КПД в термодинамическом цикле

         Работа в термодинамическом цикле, по определению, равна

,

где   — контур цикла.

C другой стороны, в соответствии  с первым началом термодинамики, можно записать

.

Аналогичным образом, количество теплоты, переданное нагревателем рабочему телу, равно

.

Отсюда видно, что наиболее удобными параметрами для описания состояния  рабочего тела в термодинамическом  цикле служат температура и энтропия.

Цикл  Карно и максимальный КПД тепловой машины

 

  Цикл Карно в координатах  T и S

Представим себе следующий цикл:

Фаза А→Б. Рабочее тело с температурой, равной температуре нагревателя, приводится в контакт с нагревателем. Нагреватель сообщает рабочему телу   тепла в изотермическом процессе (при постоянной температуре), при этом объём рабочего тела увеличивается.

Фаза Б→В. Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться адиабатически (без теплообмена с окружающей средой). При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.

Фаза В→Г. Рабочее тело приводится в контакт с холодильником и передает ему   тепла в изотермическом процессе. При этом объём рабочего тела уменьшается.

Фаза Г→А. Рабочее тело адиабатически сжимается до исходного размера, и его температура увеличивается до температуры нагревателя.

 

Его КПД равен, таким образом,

,

то есть, зависит только от температур холодильника и нагревателя. Видно, что 100%-ный КПД можно получить только в том случае, если температура  холодильника есть абсолютный нуль, что  недостижимо.

Можно показать, что КПД тепловой машины Карно максимален в том  смысле, что никакая тепловая машина с теми же температурами нагревателя  и холодильника не может обладать большим КПД.

Заметим, что мощность тепловой машины Карно равна нулю, так как передача тепла в отсутствие разности температур идёт бесконечно медленно.

Цикл  Ренкина — термодинамический цикл преобразования тепла в работу с помощью водяного пара. КПД цикла

Термодинамические исследования цикла  Ренкина показывают, что его эффективность в большей степени зависит от величин начальных и конечных параметров (давления и температуры) пара.

.

Процессы

Диаграмма T-S

Цикл Ренкина состоит из следующихпроцессов:

• изобара линия 4-5-6-1. Происходит нагрев и испарение воды, а затем перегрев пара. В процессе затрачивается теплота  .
• адиабата линия 1-2. Процессрасширения пара в турбине, то есть её вращение паром ( ).
• изобара линия 2-3 Конденсация отработанного пара с отводом теплоты   охлаждающей водой.
• адиабата линия 3-4. Сжатиесконденсировавшейся воды до первоначального давления в парогенераторе с затратой работы  .

Применение

Цикл Ренкина нашёл применение в современных тепловых электростанциях большой мощности использующих в качестве рабочего тела водяной пар.

Обратный  цикл Ренкина

При прохождении цикла Ренкина в обратном направлении (1—6—5—4—3—2—1) он описывает рабочий процесс холодильной машины с двухфазным рабочим телом (то есть претерпевающим в ходе процесса фазовые переходы от газа к жидкости и наоборот). Холодильные машины, работающие по этому циклу, с фреоном в качестве рабочего тела широко используются на практике в качестве бытовых холодильников, кондиционеров и промышленных рефрижераторов с температурой морозильника до −40 °C.