Параметры состояния рабочего тела. Рабочие тела (теплоносители), используемые в тепловых двигателях, находятся в газообразном состоянии (воздух, смесь воздуха с топливом, продукты сгорания топлива). Величины, характеризующие физическое состояние рабочего тела, называются термодинамическими параметрами состояния. Основные параметры состояния рабочего тела: удельный объем, давление и температура.
Удельный объем V - первый параметр- представляет собой объем единицы массы вещества, обычно 1 кг. Второй термодинамический параметр- давление (абсолютное) р - есть сила, приходящаяся на единицу площади поверхности, окружающей газ. Давление по международной системе (СИ) измеряется в паскалях (Па), килопаскалях (кПа) и мега-паскалях (МПа), но встречается еще применение в качестве единицы давления килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см2). Соотношение между этими единицами: 1 кгс/см2 = =98 000 Па=98 кПа^0,1 МПа. Третий параметр - температура (абсолютная) Т - характеризует степень нагре-тости тела и измеряется в Кельвинах (К)- Между абсолютной температурой Т и температурой измеряемой по стоградусной шкале, существует зависимость: Г=<-(-273.
Если хотя бы один из параметров меняется, то изменяется состояние рабочего тела, т. е. происходит термодинамический процесс.
Термодинамические процессы. Совокупность изменяющихся состояний рабочего тела называется термодинамическим процессом. Процесс измене-
Рис. 16. Графическое изображение процесса изменения состояния рабочего тела в координатах р-V.
1 - начальное состояние рабочего тела; 2 - конечное состояние рабочего тела ния состояния рабочего тела можно изобразить графически в координатах р-v (рис. 16). где р - давление рабочего тела в паскалях, a v - его удельный объем в метрах кубических на килограмм.
Для идеального 1 газа при переходе его из одного состояния в другое имеет место зависимость:
pv
-- = const = R. Т
Постоянная R в этом уравнении называется газовой постоянной. Размер-
1 Идеальный газ - изучаемый в термодинамике воображаемый газ, у которого отсутствуют силы межмолекулярного притяжения н отталкивания, а сами молекулы представляют собой материальные точки, не имеющие объема. Многие реальные газы по своим физическим свойствам весьма близки к идеальному газу.
Рнс. 17. Диаграмма тепловых процессов в координатах р-и (давление - удельный объем):
1 - изохорный процесс (а = соп8(); 2 - изобарный процесс (р=сопэО; 3 - изотермический процесс (Г=со1Ы); 4 - адиабатный процесс (О=0); .5 -политропный процесс ность этой величины Дж/(кг-К) ИЛИ кгс-м/(кг-град).
Уравнение pv=RT называется характеристическим уравнением, или уравнением состояния идеального газа Клайперона - Менделеева.
Известно, что полнтропный процесс, обобщающий все тепловые процессы, описывается уравнением
J_
pvn = const или р п ü = const,
где п - показатель политропы.
Из этого уравнения, задаваясь разными численными значениями показателя п, можно получить уравнения основных (классических) тепловых процессов, рассматриваемых в термодинамике, т. е. форма и положение кривых в системе координат pv зависят от показателя п.
Если прн подведении к рабочему телу тепла Q (или отведении тепла) процесс осуществляется при неизменном объеме (0 = =const), то показатель политропы имеет значение п--оо (или я=+оо):
1 1_
рп v - p ±°°v = p<>v^ const.
Так как всякое число в нулевой степени равно единице, то прн «=±со u = const. Такой процесс нзменеиня состояния рабочего тела, прн котором объем тела сохраняется постоянным, называется нзохорным (1 на рис. 17).
Если тепловой процесс осуществляется прн постоянном давлении рабочего тела, то показатель п-0:
pv11 = ру° = const,
т. е. p = const (так как v°-\). Такой процесс изменения состояния рабочего тела называется изобарным (2 на рис. 17).
Если изменение состояния рабочего тела происходит таким образом, что остается постоянным третий основной параметр, характеризующий состояние тела, - температура Т, такой процесс называется изотермическим. При этом показатель политропы я=1:
pvn = pv - const,
т. е. pv = const. Графическое изображение такого процесса в координатах pv представлено кривой 3 на рис. 17.
Процесс нзменеиня состояния рабочего тела протекает так, что отсутствует теплообмен между рабочим телом н внешней средой, т. е. тепло к рабочему телу не подводится (и не отводится от него), - такой процесс называется адиабатным; при этом уравнение адиабатного процесса, выраженное через переменные р и V, имеет вид
pVk - const,
где k -- показатель адиабаты; для двухатомных газов он равен примерно 1,4, для трехатомных - 1,29-1,34. Графическое нзображенне этого процесса представлено на рис. 17 кривой 4.
Все другие процессы изменения состояния рабочего тела, не являющиеся нн изохориы-ми, ни изобарными, ни изотермическими, ни адиабатными, будем называть полнтропны-миКривые, описывающие эти процессы на диаграммах, называются политропами (н соответственно изохорами, изобарами, изотермами, адиабатами). Политропные процессы протекают во всех реальных тепловых машинах, в том числе в тепловозных дизелях. Рассмотрение процессов изменения состояния рабочего тела помогает решить важный вопрос- как и куда расходуется тепло, подведенное к рабочему телу.
По первому закону термодинамики, который является частным случаем открытого М. В. Ломоносовым закона сохранения энергии, тепло, подведенное к рабочему телу в каком-либо процессе, расходуется на изменение внутренней энергии тела Ш (иначе, его температуры) и совершение внешней работы 1.:
<1 = \и-ы.
В изохорном процессе работа 1. = 0, значит все тепло расходуется на увеличение внутренней энергии (повышение температуры) рабочего тела С)=Аи.
В изобарном процессе подведенное тепло (3 расходуется на повышение внутренней энергии рабочего тела Ас1 и выполнение работы Ь.
В изотермическом процессе температура рабочего тела сохраняется постоянной и, следовательно, внутренняя энергия тела не меняется (А£1 = 0). При этом все подведенное тепло идет на совершение внешней работы 0=1.
В адиабатном, процессе тепло к рабочему телу не подводится, так как теплообмен с внешней средой отсутствует (С} = 0): Ас/-Ы = 0, т. е. £ = -ЛГ7. Значит, в этом процессе внутренняя энергия рабочего тела расходуется на выполнение внешней работы.
Для обобщающего политропного процесса, как общего случая, тепло С), участвующее в процессе изменения состояния рабочего тела, расходуется на увеличение внутренней энергии Аи и на работу I.
Кривые, выходящие нз точки А (см. рис. 17), расположенные правее линии 1, изображают процессы расширения, а расположенные влево от линии 1 - процессы сжатия рабочего тела. По значению показателя п можно, пользуясь кривыми, определить, подводится или отводится тепло в том или ином процессе изменения состояния рабочего тела и как меняется его внутренняя энергия.
Непосредственным результатом большинства термодинамических процессов является деформация рабочего
1 Хотя вообще-то политропнын процесс обобщающий, и по отношению к нему все рассмотренные ранее процессы являются частными случаями.
тела. Если при этом происходит увеличение его объема с преодолением внешних сил, то рабочее тело совершает работу. Чтобы уменьшить объем тела, необходимо затратить работу, которую совершают внешние силы.
Таким образом, при переходе рабочего тела из одного состояния в другое выполняется внешняя работа, которой в координатах ри соответствует площадь, расположенная под линией процесса. Пусть начальное состояние газа в цилиндре (см. рис. 16) изображено точкой а конечное - точкой 2. В начальном состоянии газ занимал объем VI, имел давление р\ и температуру 7Л; после расширения до точки 2 он стал занимать больший объем ь2, а давление газа р2 и температура Г2 стали меньше. В точке 1 газ содержал запас тепла С}\, в точке 2 - <22- Таким образом, изменение состояния рабочего тела (газа) в координатах ри изображается в данном случае кривой 1-2. При этом объем газа увеличился, а давление и температура понизились. Количество тепла в газе уменьшилось на величину С} = С}[-(?2.
Если предположить, что пространство, в котором происходило расширение газа, изолировано от внешней среды, т. е. тепло к газу не подводилось и не отводилось (адиабатический процесс), то ясно, что тепло <?1-(?2 было израсходовано на совершение внешней работы которая в координатах рь изображается заштрихованной площадью, расположенной ниже линии 1-2. Эта работа, полученная за счет тепла ф, может быть выражена уравнением:
п-\
где Я - газоват постоянная (см. выше).
Циклы двигателей внутреннего сгорания. Термодинамические процессы, в результате которых рабочее тело, проходя последовательно различные состояния, возвращается снова в первоначальное (исходное) состояние, называются замкнутыми процессами или циклами. Для того чтобы тепловой двигатель мог длительное время пре-
Рис. 18. Диаграмма обобщенного идеального термодинамического цикла двигателя внутреннего сгорания: ас - сжатие рабочего тела; су - подвод тепла при постоянном объеме, уг - подвод тепла при постоянном давлении, гЬ - расширение рабочего тела; Ьа - отвод тепла при постоянном объеме образовывать тепло в механическую работу, он должен работать по замкнутому термодинамическому циклу.
В координатах р-V (так же, как и в любой другой системе координат, по осям которой отложены параметры состояния рабочего тела) такие циклы изображаются замкнутыми контурами (рис. 18). В процессе сжатия рабочего тела (адиабата ас) вся затраченная на сжатие работа идет на повышение внутренней энергии тела, т. е. его температуры. Подведенное тепло ф; расходуется частично на повышение температуры гела (в изохорном процессе су), а частично - на выполнение внешней работы (изобарный процесс уг). Из термодинамики известно, что чем выше наибольшая температура цикла (7"2), тем выше коэффициент полезного действия тепловой машины. В процессе расширения гЪ рабочего тела совершается работа по преодолению сопротивления внешних сил. Изо-хорный процесс Ьа соответствует отнятию тепла (?2 от рабочего тела (отвод тепла к «холодильнику»). Полезная работа Ь, полученная в идеальной тепловой машине, изображается площадью асугЬ, расположенной внутри диаграммы термодинамического цикла.
Степень использования тепла в идеальном цикле называется термическим коэффициентом полезного действия тепловой машины:
т. е. термический к.п.д. есть отношение полезно использованного тепла к подведенному в идеальном цикле.
Термодинамические циклы описывают работу идеальных тепловых машин, в которых тепло превращается в механическую работу наиболее совершенно, так как предполагается, что они работают без трения, без охлаждения стенок цилиндра, и не принимаются во внимание многие другие обстоятельства, имеющие место в реальных двигателях и понижающие степень совершенства преобразования в них теплоты в работу. Таким образом, изучение идеальных термодинамических циклов позволяет определить наибольшее возможное с термодинамической точки зрения значение коэффициента полезного действия превращения теплоты в механическую работу в рассматриваемых условиях.
Идеальные циклы необходимы для сравнения с циклами действительных машин. По величине отклонения действительных циклов от идеальных судят о совершенстве использования тепла в реальных двигателях и намечают меры по их усовершенствованию.
⇐ | Наддув дизелей | | Тепловозы: Механическое оборудование: Устройство и ремонт | | Индикаторные диаграммы рабочего процесса четырех- и двухтактных дизелей | ⇒