Жылу және суытқыш машиналары, Карно циклы


Жоспар:
I.Кіріспе.
II.Негізгі бөлім.
1. Термодинамиканың екінші бастамасы;
2. Жылудың механикалық жұмысқа айналуы;
3. Карно циклының пайдалы әсер коэффициенті;
4. Карно теоремалары;
5. Тоңазытқыш машинасы;
6. Еркін энергия
III. Қорытынды.
IV. Пайдаланған әдебиеттер.

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Реферат
Көлемі: 19 бет
Бұл жұмыстың бағасы: 400 теңге




Кіріспе
Табиғаттағы жүйелердің тепе- теңдік күйге өту кезіндегі жиі кездесетін процестің біреуі механикалық энергияның жылуға айналуы. Мысалы, денелердің үйкелісі кезінде жылудың бөлінуі. Айталық, механикалық энергия деп біз макроскоптық энергияны, демек тұтас жүйе ретінде қарастырылатын денелердің қозғалысының кинетикалық және өзара немесе сыртқы өрістермен әсерлесетін потенциалдық энергиясын айтамыз. Ал осы денелердің құрамындағы молекулалардың жылулық қозғалысының кинетикалық энергиясы мен өзара әрекеттесуінің потенциалдық энергиясын ішкі энергия дейміз. Олай болса, механикалық энергия есебінен бөлінген жылуды макроскоптық энергияның жылулық қозғалыстың микроскоптық энергиясына айналу процесі деуге болады.
XVII ғ.және XVIII ғ.жылулық қозғалтқыштар дәуірі басталды. Жылулық қозғалтқышарды пайдалану жылу мен механикалық жұмыстың өзара айналу проблемаларын шешуін, оның теориялық негізін қалауды талап етті. Механикалық жұмысты жылу арқылы алу тәсілдері өркениеттің тарихында термодинамика деген ғылымның дамуына әкелді. Мысалы, ядролық энергияны жұмыс істеуге қолдану біздің дәуірдің өте маңызды белгісі. Бірақ, ядролық энергия механикалық жұмысқа тікелей ауыспайды, тек жылу арқылы жүзеге асады. Осыған байланысты механикалық жұмыс пен жылулық энергияның өзара айналу заңдарын зерттеу өте маңызды мәселелерге жатады.
Механикалық және жылулық заңдарын зерттейтін физика бөлімі ретінде термодинамика тарихта дамыды. Қазіргі заманда термодинамика жылулық энергия мен энергияның басқа түрлерімен( химиялық, ядролық және т.б.) байланысын зерттейтін жалпы заңдарын қарастырады.
Механикалық және жылулық энергияны термодинамиканың бірінші бастамасы( энергияның сақталу заңы) байланыстырады.

Термодинамиканың екінші бастамасы.
Қандай да бір көзден алынған жылудың Q1 мөлшері есебінен жұмыстық зат А жұмыс өндіреді. Мұнымен қатар Q2жылу мөлшері суытқышқа беріліп отырады. Сөйтіп, ол рпоцесс күрделі процесс болады: қыздырғыштан Q1жылу мөлшері алынып жұмыстық зат А жұмыс өндіріп отырады, бірақ жұмыс сол заттың алған Q жылу мөлшерінен кем болып отырады. Q1-A=Q2 жылу мөлшері суығырақ денеге кетіп қалып отырады (1-сурет). Практикалық тұрғыдан қарағанда бұл өндірілген А жұмыс қыздырғыштан алынған Q1 жылу мөлшерінің қандай бөлігі болатындығының үлкен маңызы бар, сондықтан бұл мынаған тең:
η= AQ1= Q1-Q2Q
Бұл η неғұрлым бірге жуық болса, яғни берілген жылу мөлшерінің неғұрлым көбірек бөлігі А жұмысқа айналса, соғұрлым машинаның тиімді болатындығы айқын.
Пайдалы әсер коэффициенті η =1болған жылу двигателі төтенше тиімді двигатель болар еді. Өйткені мұндай двигатель үшін екі дененің ыстығырақ дене мен суығырақ дененің болуы шарт болмас еді, ол двигатель айналамыздағы кез келген денені, мысалы жер қыртысын немесе мұхитты, айналадағы ең суық денелер температурасынан төмен температураларға дейін суыту есебінен жұмыс өндіре алатын болар еді. Мұндай двигатель екінші түрдегі перпеттум мобиле деп аталған. Бұл екінші түрдегі перпетуум мобиле энергияның сақталу заңына (термодинамиканың бірінші бастамасына ) қайшы болмағандықтан, оны жасауға мүмкін емес екендігі ап-айқын деуге болмайды. Алайда мезгіл- мезгіл жүріп, соның нәтижесінде қандай бір жылу көзінен жұмыстық денеге берілген Q1 жылу мөлшері түгелімен А жұмысқа айналатын, яғни А= Q болатын жылу машинасын жасау әрекеттерінің бәрі де әрдайым сәтсіздікке ұшырап отырған.
Жылу көзінен алынаған жылу мөлшерінің есебінен жұмыс өндіру жөніндегі мәселені жалпы түрде тұңғыш рет қарастырған Сади Карно болды, ол 1824 жылы Оттың қозғаушы күші туралы ойлар деген еңбегін жариялап, мынадай қорытынды жасады: идеал газ дөңгелек процеске түсіп, ол прорцесс көлемдердің адиабаталық және изотермиялық түрде өзгерулерінен құралғанда, суытқыштың температурасы абсолют нольден жоғары болса, қыздырғыштың жылуы суытқышқа берілмей қоймайды.
Кейінірек Клаузиус пен В.Томсон Карноның бұл қорытындысын жалпылап, мынадай принцип түрінде тұжырымдады: нәтижесі бір жылу көзінен алынған жылу мөлшері есебінен тек жұмыс өндіру ғана болып табылатын периодты процесті жүзеге асыруға болмайды.
Бұл принцип термодинамиканың екінші бастамасы деп аталады.
Термодинамиканың екінші бастамасын мынадай принцип түрінде де айтуға болады: екінші түрдегі перпетуум мобиле, яғни жылу мөлшерінің бір көзін суыту есебінен жұмыс өндіріп, мезгіл - мезгіл жүріп тұратын двигатель жасау мүмкін емес.
Карно циклі деп екі изотермалық және екі адиабаталық процестен тұратын дөңгелек процесті айтады.
Жұмыстық дене деп процесті жасайтын және жұмыс немесе жылудың беретін энергиясын бір түрден екінші түрге ауыстыруға негізделген термодинамикалық жүйені айтады.
Мысалы: жылу двигателінде жұмыстық дене энергияны жылу түрінде алып, оның бір бөлігін жұмыс түрінде береді.
Қыздырғыш (жылу беруші) деп қарастырып отырған термодинамикалық жүйеге энергияны жылу түрінде жеткізетін құрылғыны айтады.
Суытқыш (жылу қабылдағыш) деп жұмыстық дененің жылуының бөлігін жұтушы жүйе (буды конденсациялау мен салқындатуға негізделген арнайы құрылғы немесе қоршаған орта) айтылады.
Тура цикл деп жұмыстық дене оң жұмыс жасайтын дөңгелек процесті атаймыз.
графигінде тура цикл жұмыстық денеден сағат тілі бағыты бойыша жүретін тұйық қисық түрінде кескінделеді.
Кез келген жылу двигателінің жұмысы қайталанатын циклдерден тұрады: олардың әрқайсысына жұмыстық дененің қыздырғыштан энергия алуы, жұмыстық дененің ұлғаюы және жұмыс жасауы, энергияның бір бөлігінің суытқышқа берілуі және жұмыстық дененің бастапқы күйге қайтып келуі кіреді. Бір толық циклде жұмыстық дененің жасаған жұмысы оның ұлғаюы кезінде жасаған жұмысы мен сығу кезіндегі жасаған жұмыстарының қосындысынан тұрады: А=Aұлғаю+Асығу. Сығылған кезде газдың теріс жұмыс жасайтындығын ескеріп, соңғы теңдікті былай жазуға болады:
А=Aұлғаю-Асығу
Суытқыш болған кезде газ сығу алдында немесе сығу кезінде салқындайды. Сондықтан, сығу кезінде оның жасайтын жұмысы ұлғаюға қарағанда аз қысымда өтеді. Сондықтан, Асығу Aұлғаю, демек А0.
1-суретте жылу двигателінің жұмыс істеу принципі көрсетілген. Температурасы қыздырғыштан бір циклде жылу мөлшері алынады, ал температурасы салқындатқышқа бір циклде жылу мөлшері беріледі. Q1
Q2

Жұмыстық дене
(газ, бу)
Суытқыш

А=Q1-Q2
Осы кезде жұмыстық дене пайдалы жұмыс жасайды. Карно циклі 2-суретте көрсетілген.

1-сурет

Мұнда изотермалық ұлғаю 1-2 және изотермалық сығу 3-4 қисықтармен, ал адиабаталық ұлғаю 2-3 және адиабаталық сығу 4-1 қисықтармен көрсетілген. Изотермалық процесс кезінде U=const, сондықтан газдың қыздырғыштан алған жылу мөлшері 1- ші күйден 2- ші күйге өту кезінде газдың жасаған ұлғаю жұмысына тең.
(1)
Адиабаталық ұлғаю 2-3 кезінде қоршаған ортамен жылу алмасу болмайды және 2-3 ұлғаю жұмысы газдың ішкі энергиясының өзгеру есебінен жасалады:
(2)
Изотермалық сығу кезінде газдың суытқышқа берген жылу мөлшері А34 сығу жұмысына тең:
(3)
Адиабаталық сығу жұмысы:
(4)
Карноның тура дөңгелек циклі нәтижесінде жасалған жұмыс:
(5)
Онда Карно цикліның термалық ПӘК-і мынаған тең:
(6)

Жылудың механикалық жұмысқа айналуы
Жүйеге dQ жылу мөлшерін бергенде, оның күйі өзгереді және ол dA жұмыс атқарады. Онда энергияның сақталу заңы бойынша істелген жұмыс пен жүйенің ішкі энергиясының өзгеруінің қосындысы берілген жылу мөлшеріне тең болады:
dQ= dU+dA
мұндағы dA=PdV.
Бұл формуланы мына түрде жазуға болады:
dU= dQ-dA.
Егер жүйенің күйі макроскоптық өзгеріске ұшыраса, онда барлық dQ мен dA- ның қосындысын алу қаже, сондықтан жүйе бірінші күйден екінші күйге өткенде ішкі энергиясының өзгерісін былай есептейді:
12dU=12dQ-12dA (1)
Мұнда берілген жылу мөлшері мен жүйенің істеген жұмысы жүйенің бірінші күйден екіншіге өту жолына тәуелді болады. Ал ішкі энергияның dU өзгеруі өту жолына тәуелді емес, тек бастапқы және соңғы күйлерімен анықталады. Сондықтан (1)- формуланы былай жазуға болады:
12dU=U2-U1=12dQ-12dA
Әр күйдегі жүйе ішкі энергияның белгілі бір мәніне ие, бірақ ол белгілі жылу мөлшнрі мен жұмысқа ие екен деуге болмайды. Сондықтан, Q жылу және А жұмыс жүйенің өзгеру процесінің функциясы болады, күйінің фунуциясы болмайды. Математикалық dQ мен dA толық дифференциал болмайтынын көрсетеді, ал dU толық дифференциал болады.
Енді кері процесті, жылудың механикалық жұмысқа айналуын қарастырайық. Температурасы жоғары денеден температурасы төмен денеге берілетін энергияны, мысалы, денелердің түйіскенде немесе сәулеленуінде. Бұлай энергияның берілуінде жұмыс атқарылмайды, себебі денелердің қозғалысы болмайды. Мұнда жылу берілген дененің тек ішкі энергиясы өседі, сонымен температуралары теңелгеннен кейін, жылу алмасу процесі тоқталады. Бірақ жылу берілгенде дене ұлғаятын болса, онда жұмыс істейді. Энергияның сақталу заңы бойынша ол мынаған тең:
dA=dQ-dU,
Мұндағы, dU ішкі энергияның өзгерісі.
Жұмыстың ең үлкен мәні изотермдік процесте істеледі, сонда ғана dA=dQ. Бұдан артық жұмыстың істелуі мүмкін емес. Сондықтан, максимал жқмыс атқару үшін, ұлғаятын денемен және жылу көзінің арасында температура айырмасы болмау керек. Егер жылу көзі мен дене арасында температура айырмасы болмаса, онда жылу берілмейді. Бірақ жылу берілуі үшін температураның өте кіші, мәні шексіз аз айырымы жеткілікті, сонда ғана изотермдік шарттар сақталады. Бұндай шарттар жылу берілу процесінің шексіз баяу өтуін талап етеді, демек процесс қайтымды болады.

Карно циклы
Р0 қысымға дейін сығылған жұмыстық дене қыздырғышпен түйістірілген, демек оның температурасы қыздырғыштікімен бірдей Т0 (2-сурет). Жылуөткізгіштік процесі байқалмайды, себебі температура айырмасы жоқ.

2-сурет

Жұмыстық дене ұлғайып, мысалы поршеньді ығыстырады, қыздырғышпен контактісі үзілмейді, демек температурасы тұрақты Т0. Сондықтан ұлғаю процесі изотермдік (1-2 қисығы 2-суретте). Бұл кезде қыздырғыштан алынған жылу есебінен жұмыс істелді, бірақ қыздырғыш өзінің жылусыйымдылығы үлкен болғандықтан температурасын өзгертпеді.
Енді жұмыстық дене алған жылуды тоңазытқышқа беруі керек. Изотермдік ұлғайған жұмыстық дененің Т0 температурасы тоңазытқыштың Т1 температурасынан жоғары, демек Т0 Т1 , тікелей оларды түйістіруге болмайды, себебі бұл кезде берілген жылудың пайдалы жұмысы болмайды. Сондықтан жұмыстық денені алдымен тоңазытқыштың Т1 температурасына дейін суытып, содан кейін оларды түйістіру керек. Ол үшін жұмыстық денені қыздырғыштан ажыратып, оған адиабаттық ұлғаюына мүмкіндік жасау қажет. Сонда адиабаттық ұлғайғанда, оның температурасы төмендеп, тоңазытқыштың Т0 температурасымен теңеледі (2-3 қисығы). Адиабаттық ұлғайған дене суиды.
Бұл кезде жұмыстық дене ұлғайып, мысалы, поршеньді жылжытып, қосымша механикалық жұмыс істейді. Осылай суытылған жұмыстық денені тоңазытқышпен түйістіреді. Осымен циклдің бірінші жартысы аяқталады, мұнда қыздырғыштан алынған жылудың есебінен жұмыстық дене тиімді жұмыс атқарады.
Енді жұмыстық дене алғашқы күйіне қайтып оралуы қажет, демек бастапқы қысымы мен температурасын қалпына келтіруі керек. Сонда жұмыстық дене сығылып, қайтадан қыздырғышпен түйісе алады. Мұндай контакт тікелей жүзеге асырылмайды, себебі жұмыстық дененің температурасы қыздырғыштан төмен. Сондықтан жұмыстық дененің алғашқы күйіне оралуы да екі сатымен өтеді. Алдымен жұмысиық денені тоңазытқыштан ажыратпай сығады, демек сығылу процесі изотермдік(3-4 қисығы). Содан кейін оны тоңазытқыштан ажыратып, температурасын қыздырғыштың температурасына жеткізгенге дейін қосымша адиабаттық сығады (4-1 қисығы).
Адиабаттық сығылуда дененің температурасы көтеріледі. Бұл кезде дененің үстінен істелген сыртқы жұмыстың әсерінен ол қызады. Адиабаттық сығылу процесінің температурасы жұмыстық дененің алғашқы температурасымен теңелгенде, оны қыздырғышпен түйістіреді, сонымен цикл аяқталады. Жұмыстық дене өзінің алғашқы күйіне оралады, яғни бұл процесті қайталауға болады.
Осы сипатталған дөңгелек процесс екі изотермдік және екі адибаттық ұлғаю мен сығылу прцестерінен құралады. Ұлғайғанда жұмыстық дене тиімді жұмыс істейді, ал үстінен сыртқы күштнрдің істеген жұмысы оның сығылуына әкеледі.
Қарастырған дөңгелек процесте температуралары әр түрлі денелер түйістірілмейді, демек қайтымсыз жылуөткізгіштік процестерге мүмкіндік болмайды. Сондықтан цикл түгелімен қайтымды жолмен өткізілуі керек, ондағы өзгерістер жылдамдығы тіпті шексіз аз болуы қажет, процестер өте баяу өтуі керек, сонда бұл процестерді квазистатикалық деуге болады.
Осы айтылған циклді 1824 жылы француз ғалымы Саади Карно идеал жылу машинасының жұмыс істеуін қарастырғанда қолданған.Сондықтан бұл циклді Карно циклі деп атайды. Жұмыстық дене ретінде бұл машинада идеал газ пайдаланған. Мұндай машинада жылудың қоршаған ортаға таралып, жойылуы мүлдем жоқ деп есептеледі.
Карно цикліндегі қыздырғыштан алынған жылудың қандай үлесі жұмысқа айналатынын есептейік. Жұмыстық дене ретінде 1 моль идеал газды аламыз және оның А нүктесіндегі алғашқы күйі Р0 қысым және V0 көлеммен сипатталады. Газдың Т0=P0V0R температурасы шарт бойынша қыздырғыштікімен бірдей. Тоңазытқыштың температурасын Т1 деп белгілейміз. Сонымен Т0Т1.
Алғашқы күйде жұмыстық дене қыздырғышпен түйістірілген. Дөңгелек процестің бірінші кезеңінде идеал газ изотермдік V1 көлемге дейін ұлғаяды. Онда оның қысымы Р1 мәніне дейін төмендейді (В нүктесі сурет), оң таңбалы А1 жұмыс істеледі:
А1= RT0lnV1V0= Q0, (1)
Мұндағы Q0 - жұмыстық дененің, идеал газдың қыздырғыштан алған жылу мөлшері.
Осы Q0жылу есебінен А1 жұмыс істелді.
Циклдің екінші кезеңінде газ қыздырғыштан ажыратылады және оның одан әрі ұлғаюы адиабатты өтеді, бұл кезде газ суиды. Газдың температурасы тоңазытқыштікіне жеткенде, демек Т1-ге тең болғанда, адиабаттық ұлғаюды тоқтатады. Адиабаттық ұлғаюындағы газдың көлемін былай табамыз:
T0V1γ-1=T1V2γ-1, (2)
Осыдан мына қатынас шығады:
V2V1γ-1=T0T1. (3)
Адиабаттың бойымен қысым р2-ге дейін өзгереді(С нүктесі). Осы екінші кезеңде істелген жұмыс былай анықталады:
A2=RTγ-11-V1V2γ-1=RT0-T1γ-1. (4)
Циклдік процестің үшінші кезеңінде газ сыртқы күштердің әсерінен тоңазытқыштың Т1 температурасында изотермдік V2 көлемнен V3-ке дейін сығылады. Бұл кезде газдың үстінен істелген жұмыс ... жалғасы
Ұқсас жұмыстар
Тоңазытқыш. Тоңазытқыш машиналарының циклы
Жылу қозғалтқыштары
Жылу табиғаты
Китчин циклы
Пластиналы стерилизациялы-суытқыш қондырғылар
Үздіксіз суытқыш реті (цепь)
Сүтке арналған пастеризациялы-суытқыш қондырғылар
Информация және есептеу машиналары
Өндіріс циклы
Есептеу машиналары
Пәндер

Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор №1 болып табылады.

Байланыс

Qazaqstan
Phone: 777 614 50 20
WhatsApp: 777 614 50 20
Email: info@stud.kz
Көмек / Помощь
Арайлым
Біз міндетті түрде жауап береміз!
Мы обязательно ответим!
Жіберу / Отправить

Рахмет!
Хабарлама жіберілді. / Сообщение отправлено.

Email: info@stud.kz

Phone: 777 614 50 20
Жабу / Закрыть

Көмек / Помощь