Машины, работающие по циклу Стерлинга

НЕКОТОРЫЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Первый и второй законы термодинамики, по-видимому, приме­нимы ко всем тепловым машинам, в том числе и к двигателям Стир­линга.

Первый закон термодинамики. Первый закон термодинамики, известный как закон сохранения энергии, отрицает возможность создания постоянно действующего двигателя (или некоего термо­динамического «черного ящика»), который производил бы работу без затраты энергии. Первый закон термодинамики требует равен­ства количества подведенной к машине и отведенной от нее энергии (в любой форме). Рассмотрим энергию топлива (бензин и воздух), подводимого к двигателю внутреннего сгорания с искровым зажи­ганием. Бензин и воздух соединяются в процессе горения, образо­вавшиеся горячие газы приводят в движение двигатель. Из всей энергии, содержащейся в топливе, около одной трети преобразуется в полезную работу двигателя, другая треть отводится системой охлаждения, а оставшаяся треть энергии как низкопотенциальная тепловая энергия выбрасывается с выхлопными газами. При пре­кращении подачи бензина двигатель останавливается. Этот пример — прямое проявление первого закона термодинамики, в основу которого положены различные опытные данные.

Второй закон термодинамики. Второй закон термодинамики, возможно, менее понятен. Одна из формулировок второго закона гласит, что невозможно создать периодически действующую систему с потреблением теплоты из некоего резервуара и превращением ее полностью в работу. Первый закон термодинамики говорит о том, что полученная работа никогда не может быть больше подводимой теплоты, в то время как второй закон уточняет это положение и утверждает, что работа должна быть всегда меньше. Применительно к бензиновому двигателю внутреннего сгорания второй закон термо­динамики отрицает возможность превращения всей подводимой энергии, содержащейся в топливе, в полезную работу. Некоторая часть этой энергии должна непременно теряться в виде теплоты, отводимой системой охлаждения или выхлопными газами.

Этих важных положений достаточно для освещения поставлен­ных в книге целей. Для более полного ознакомления с первым и вторым законами термодинамики и вытекающими из этих законов выводами читатель может обратиться к любому стандартному учеб­нику по технической термодинамике, например к книге Уолласа и Линии га [6] и др.

Термический к. п. д. цикла. Отношение произведенной работы W к подведенной энергии Q есть термический к. п. д. цикла, т. е. r — W/Q. В большинстве случаев очень важно максимизировать к. п. д., поскольку он характеризует часть полезной энергии, со­держащейся в литре горючего (бензина или нефти). Поэтому, при­нимая во внимание то обстоятельство, что по второму закону термо­динамики термический к. п. д. цикла всегда меньше единицы, важно стремиться к его максимально возможному значению.

Термический /с. п. д. ццкла Карно. Для любых заданных усло­вий максимальный термический к. п. д. зависит только от макси­мальной и минимальной температур цикла и определяется форму­лой

„ ____ ^макс — ГМин

Чмакс т

* макс

Данное выражение является очень важным и имеет особое наз­вание — к. п. д. цикла Карно. Это максимально возможное зна­чение термического к. п. д. достигается при передаче теплоты к си­стеме и от нее соответственно при температурах Гмакс и Гмин.

2-2. р, V- и Т, 5-ДИАГРАММЫ

Процессы, протекающие даже в самой простейшей тепловой ма­шине, настолько сложны, что нет возможности точно рассчитать происходящее. Вместо этого принимается некая теоретическая мо­дель, в которой идеализированы некоторые условия протекания процессов с тем, чтобы в какой-то степени иметь возможность про­вести анализ работы машины. В этом случае работа большинства типов машин может быть упрощена предположением о последова­тельно повторяющихся термодинамических процессах, называемых циклом. Обычно каждый процесс рассматривается в отдельности
и предполагается, что изменения термодинамических функций[7]Происходят по мере перехода рабочего тела из одного состояния в другое; при этом одна из функций остается постоянной. Важными термодинамическими функциями являются: давление (р), объем (У), температура (Г), внутренняя энергия (U), энтальпия (/) и эн­тропия (S).

Цикл, состоящий из последовательных процессов, в каждом из которых одна из термодинамических функций остается постоян­ной, а другие меняются, может быть изображен графически по-разному. Два таких способа значительно облег­чают анализ работы тепловых ма­шин. Это р, У - и Т, S-диаграммы.

Указанные диаграммы являются важными, поскольку площадь на Р, V-диаграмме представляет собой произведенную работу, а площадь на Т, S-диаграмме — передаваемую теп­лоту. В качестве примера рассмотрим рис. 2-1, где показан поршень в за­крытом цилиндре. В объеме между поршнем и торцом цилиндра нахо­дится некоторое количество газа; можно принять, что такому положе­нию соответствует точка А на р, V - И 71, S-диаграммах. Если теперь газ будет нагреваться через стенку ци­линдра от некоего внешнего источ­ника, то возможны различные случаи. При неподвижном поршне объем оста­ется постоянным; нагревание газа приводит к повышению его давления и температуры; в этом случае ра­бота не производится (рис. 2-1, а). Если поршень будет иметь возмож­ность свободно передвигаться, а про­цесс подвода теплоты регулироваться

Таким образом, чтобы давление или температура оставались по­стоянными, то рассматриваемый процесс изобразится на рис. 2-1, б ив. В обоих этих случаях газ совершает работу за счет увеличения занимаемого объема, поскольку в систему подводится дополнительное количество теплоты.