Едно важно приложение на термодинамиката приложение са термични машини. В рамките на топлина двигателя е устройство, което преобразува част от получената сума за топлинна енергия в механична работа. Механична работа в топлинни двигатели, произведени в процеса на разширяване на вещество, което се нарича работния флуид. Като работен флуид обикновено се използва газообразно вещество (бензин пара, въздух, водни пари).
Топлинни двигатели са разделени в два класа: за еднократна употреба машини (ракетен пистолет, и т.н.) и циклични машини (парни двигатели и двигатели с вътрешно горене).
Един цикъл е процес, в началото и в края на който - съвпадат. Примери на цикличен процес е процес, изобразена на фигура 13.3. Работния цикъл се състои от работата на системата (ABC част) и работата по системата (CDA част).
Фигура 13.3 - циркуляр процес диаграма (р V.). ABC - разширяване крива, CDA - крива компресия. Работа в кръгов процес е площта на фигура.
Работния цикъл е числено равна на площта на ABCD фигури. Газ върши работа в ABC област поради подготвени от количеството на нагревателя на топлина, а част от работата на газ CDA се извършва от външни сили. За да работите на външни сили, е бил по-малко работа на газ, е необходимо да се извърши при по-ниска температура, и поради това определено количество топлина трябва да премине от работния флуид - газ - с по-малко загрява тялото - хладилника. Енергия диаграма на топлинен двигател е показан на Фигура 13.4.
Твърдението, че за полезна работа в цикличен машина изисква участието на две тела с различна температура, наречена на принципа на Карно.
Фигура 13.4- топлинна енергия диаграма машина: 1 - нагревател;
Цикъл, при което количеството топлина се отнеме от всеки орган, най-добре може да бъде превърната в механична работа, се нарича цикъл на Карно. Тъй като работният флуид действа като идеален газ тук. Карно цикъл се състои от две изотерми и две адиабатно (фигура 13.5).
Фигура цикъл 13.5- Схема Карно
В станция 1-2 работен флуид в контакт с нагревател (тялото с голям топлинен капацитет) и получава количество Q1 на топлина. Това разбира изотермично разширяване на газа (поради голям топлинен капацитет на нагревателя не променя температура). Това е най-удобен процес еднократно, при което цялата получена количеството топлина, прехвърлени в механична работа, според първия закон на термодинамиката:
Порция 2-3 съответства на адиабатно разширение на идеалния газ. На този етап счупената контакт с нагревателя и работният флуид не се обменя топлина количество с други органи. Това също е предимство, тъй като в този случай, газът не работи поради своята вътрешна енергия, така че да намалява, температурата на газа става равна на T2. Според първия закон на термодинамиката,
В станция 3-4 се съдържа в работния флуид в термичен контакт с кондензатора с голям топлинен капацитет и температура Т2. Тук, на по-ниска температура газът се компресира изотермично, извършване на работа по него, хладилника даде числено равно количество топлина, работят по същия газ, както и изпраща количество топлина е отрицателен:
При по-ниски температури, когато вътрешната енергия е по-малко от оригинала, е по-лесно да компресирате газа, така че работата е по-малко от A34 A12 работа. Изотермични компресия, отново, е най-печеливша, защото те не трябва да се промени на вътрешната енергия на газа, харчат допълнително работата на външни сили. На последната част от цикъла на Карно е необходимо да се върне на газа в първоначалното им състояние най-удобния начин, т.е. адиабатно я компресирате. При адиабатно сгъстяване не е термичен контакт с кондензатора работен флуид, както и експлоатацията на външни сили напълно отива за увеличаване на вътрешната енергия на газа:
Полезна работа за един цикъл е равен на алгебричната сума от работата на всеки раздел от цикъла на Карно. Сравнение на формулите (13.25) и (13.28) ни позволява да се заключи, че работата газ в участъка 2-3 равно по сила до бензиностанцията 4-1, но противоположни по знак, затова алгебричната сума на работата по тези секции е равна на нула, а работата за цикъл ще се определя от сбора на работните области, 1-2 и 3-4:
За да се проучи полезен уравнението работа превръщане на адиабатни секции 2-3 и 4-1 чрез обема записани и температурата и. Ние разделяме второто уравнение от първото и получаваме или. Като се има предвид това уравнение, можем да фактор на натуралния логаритъм на съотношение на обема във формулата (13,29) и експресията на полезния работата на цикъл на Карно:
Ефективността на топлинните машини се характеризира с ефективност. определя като съотношението на полезна работа, произведените на цикъла, количеството топлина, получена от нагревателя за цикъл:
Заместването в това уравнение полезна работа произвежда цикъл на Карно, определен от формула (13,40) и количеството топлина, получена от нагревателя, определен от формула (13,25) след превръщането да се получи експресия за изчисляване на коефициента на преобразуване (COP) на цикъл на Карно:
Тази формула е подходяща само за изчисляване на ефективността на цикъла на Карно. ефективност други цикли, се изчислява с помощта на общата формула (13,41). В случая, когато има няколко нагреватели, може да се изчисли количеството топлина, получена чрез сумиране на количеството топлина от всеки нагревател съгласно формулата:
Свързани статии