Файл: Fizika - V. F. Dmitriyeva.pdf

Гспср зусилля інженерів направлені на підвищення ККД двигуна за 

і » і ч унок зменшення тертя частин машини, втрат палива внаслідок його 
неповного згоряння і т. д. Реальні можливості для підвищення ККД тут 

ми нгппкі Гак, для парової турбіни початкові і кінцеві температури пари 
приоиіппо мають бути такі: 2] =800К,

 Т

2

 =300 К. За цих температур 

ммимальне значення ККД 

л ™ * ^ — 1 0 0 % - 6 2 % . 

А 

< правжнє значення ККД через різні енергетичні втрати становитиме 

мрпоіппно 40 %. 

І Іідінпцення ККД теплових двигунів, наближення його до максималь-

на можливого - найважливіше технічне завдання для галузей промисло-
мої 11 та сільського господарства. 

§ 59, Другий закон термодинаміки 

Перший закон термодинахміки встановлює кількісне співвід-

ношення між кількістю теплоти, роботою і зміною внутрішньої енергії 

н і.і, але воно не визначає напряму перебігу процесів. З точки зору пер-

инно закону термодинаміки перехід енергії у формі теплоти однаково 

міжнпвий як від більш нагрітого до менш нагрітого тіла, так і навпаки. 

І І.шрям процесів, які відбуваються в природі і пов'язані з перетворен-

им м енергії, визначає другий закон термодинаміки. 

Перетворення теплоти в роботу можливе тільки за наявності на-

і ріпника і холодильника; у всіх теплових машинах корисно викорис-

і «жується тільки частина енергії, яка передасться від нагрівника до 

ні іодильиика. 

Інакше кажучи, жодний тепловий двигун, у тому числі й двигун внут-

рішнього згоряння, не може дати ККД, який дорівнює одиниці. Є кілька 
формулювань другого закону. 

"Коефіцієнт корисної дії ідеальної теплової машини визначається 

і і и.їси температурами тепловіддавача і теплоприймача"

 (С.

 Карно). 

"У природі неможливий процес, єдиним результатом якого був би 

ік

 рехід теплоти повністю

 в

 роботу'

5

 (М. Планк). 

"Теплота, не може сама собою переходити від тіла з нижчою тем-

перні урою до тіла з вищою температурою" (Р.

 Клаузіус). 

Другий закон заперечує можливість використання запасів внутрішньої 

< нгрпї якого-небудь джерела без переведення її на нижчий температур-
ний рівень, тобто без холодильника. Наприклад, практично необмежені 

ми,їси внутрішньої енергії океанів не можуть буги повністю використані. 

195 

Використання теплоти океану, як тільки температура його стане нижчою, 
ніж температура навколишнього середовища, привело б до процесу, н 
якому теплота переходила б від більш холодного до більш гарячого тіла, 

а такий процес сам собою відбуватися не може. Отже, другий закон тер 
модинаміки стверджує неможливість побудови вічного двигуна другого 
роду, тобто двигуна, який працює за рахунок охолодження якого-небудь 
одного тіла. 

Перший і другий закони термодинаміки, з одного боку, дають можли-

вість інженерам і технікам визначати, які проекти просто нереальні, фан-
тастичні, і, з другого, показують їм реальний шлях до вдосконалення теп 
лових машин. 

§ 60. Термодинамічна шкала температур 

Відкриття другого закону термодинаміки дало можливість 

побудувати термодинамічну шкалу температур, яка не залежить від тер-
модинамічного тіла і температурного параметра. 

Вимірявши роботу

 А

 і витрачену кількість теплоти можна обчисли-

ти г| =  А / д . З (5.11) і (5.12) випливає: 

Т

к

 V  е

н

  О / 

(5.13) 

Звідси дістаємо 

0* т

н 

Отже, відношення кількості теплоти <2х' відданої холодильнику, до 

кількості теплоти <2„, одержаної від нагрівника, дорівнює відношенню 
відповідних температур. Це положення Кельвін узяв за основу для побу-
дови термодинамічної шкали температур. 

У СІ за основну одиницю взято

 кельвін

 (К). 

Кельвін - це

 1/273,16

 термодинамічної температури потрійної точки 

води.

 Між температурами, виміряними за термодинамічною шкалою і за 

шкалою Цельсія, існує простий зв'язок, виражений формулою (4.23). 

Оскільки вираз (5.13) було визначено внаслідок розгляду циклу Кар-

но, ККД якого не залежить від робочої речовини, то це визначення 
пов'язане не з властивостями якоїсь речовини, як це було для будь-якої 
емпіричної температурної шкали. Термодинамічне визначення темпера-
тури не має тієї обмеженості, яка властива молекулярно-кінетичному 
визначенню. 

196 

§ 61. Холодильні машини 

Усі теплові машини працюють за так званим прямим циклом, 

м»і»н> ідіііснюють такий замкнений процес, при якому тешюта перетворю-

• і і д н н роботу. Проте машину можна примусити працювати і за зворотним 
ми міом, коли внаслідок виконаної роботи від системи віднімається деяка 
м и.ки п. теплоти. У цьому разі теплота переходитиме від менш нагрітого 

м і.і н > більш нагрітого, а машина перетвориться в холодильну машину. 

І І рі неладом найбільш поширеної холодильної машини тепер є домашній 

• іодильник. Розглянемо принцип його роботи. Агрегат, за допомогою яко™ 

ти ворюється низька температура в холодильній камері і самому холодиль-
нику (рис. 5.6), складається з компресора

 А,

 конден-

• ім>р, і /У, крана

 К

 і випарника  С , виготовленого  у

—

| 

ниі пиді грубок у стінках холодильної  к

а

м

е

р

и

.

С

\ 

()холодну систему холодильника заповнюють 

рі ні пою, яка легко випаровується (фреон, аміак, 

ірчистий ангідрид  т а ін.);  ї ї називають

х

о

л

о

д

о

-

| 

агентом. 

Холодоагент за допомогою компресора, який 

ир.пиог від електродвигуна, стискається в кон-

и ін л горі - змійовику з трубок невеликого перерізу. Під час стискання 

о юдоагент переходить у рідкий стан, охолоджується, віддаючи теплоту 

Н И.НІКОЛИШНЄ

 середовище (трубки змонтовані на задній стінці холодиль-

ні имі), і надходить у трубки випарника, які оточують холодильну камеру. 

Холодоагент випаровується тому, що трубки випарника мають діаметр, 

Ги

 і інший від діаметра трубок конденсатора, і тиск газу в них різко змен-

шу гься. Крім того, і сам конденсатор створює у випарнику нижчий тиск, 

і Іроцее випаровування, як ми побачимо потім, супроводиться поглинанням 

і ги ноти від стінок змійовика-випарника, повітря і продуктів, що містяться в 

«> м,пильній камері. Температура в холодильній камері і, отже, в усьому хо-

млильнику знижується. Газоподібний холодоагент надходить знову в ком-

пресор, і процес повторюється багато разів. 

§ 62. Теплові двигуни. Охорона природи 

Теплові двигуни 

Прикладами теплових машин можуть бути парові машини, 

плрові турбіни, двигуни внутрішнього згоряння, реактивні двигуни. 

V парових машинах і парових турбінах нагрівником є паровий котел, ро-

'•очим тілом - пара, холодильником - атмосфера або пристрої для охолод-

197 

ження спрацьованої пари - конденсатори. У двигунах внутрішнього згорян 
ня нагрівником і робочим тілом є паливо, а холодильником - атмосфера. Як 
паливо звичайно використовують бензин, спирт, гас і так зване дизельне па 
ливо. За допомогою спеціальних пристроїв (наприклад, карбюраторів у бсп 

зинових двигунів) паливо змішується з повітрям, і ця суміш подається в ци 
ліндр, де й спалюється. Продукти згоряння викидаються в атмосферу. Схему 
роботи теплового двигуна подано на рис. 5.7. Робоче гіло двигуна дістає від 

нагрівника при температурі

 Т

{

 кількість теплота 0 , виконує роботу

 А

 і пе-

редає частину кількості теплоти

 £>2

 холодильнику, що має температуру

 Т

2

. 

Карбюраторний двигун 

Розглянемо чотиритактний цикл карбюраторного двигуна і 

побудуємо робочу діаграму цього циклу (рис. 5.8). 

У процесі руху поршня вниз (рис. 5.8, а) за рахунок роботи зовнішніх 

сил відкривається впускний клапан і робоча суміш надходить у циліндр 
Процес ізобарний, і тиск дорівнює атмосферному. Коли поршень досягне 
крайнього нижнього положення, випускний клапан закривається. Перший 
такт (всмоктування) закінчено: на графіку процес зображено прямою

 0-1. 

Другий такт (стискання) (рис. 5.8,

 б)

 відбувається також під дією зовніш-

ньої сили. Обидва клапани закриті, і газ адіабатно нагрівається. На графі-
ку це відповідає лінії

 1-2.

 Третій такт - спалахування і робочий хід (рис. 

5.8,

 в).

 Коли поршень досягне крайнього верхнього положення, іскра за-

палювальної свічки запалює суміш, тиск газу різко зростає. На графіку цс 
відповідає ізохорному процесу

 2-3

. Поршень потім переміщується вниз 

при закритих клапанах, що відбувається в процесі адіабатного розширен-
ня. Крива

 3-4

 відповідає такту, який називається робочим ходом. 

198 

Чь нидно з графіка рис. 5.8, в, у цьому такті тиск газу спадає, об'єм 

«Р«н і.и , температура зменшується. Робота в цьому разі додатна, вона ви-

і

.опу<

 її,оі за рахунок зменшення внутрішньої енергії газу. Четвертий такт™ 

ип\ мої! (|)ис. 5.8, г). Коди поршень досягає крайнього нижнього положен-

им індкривається випускний клапан і продукти згоряння через випускну 

іруОу викидаються в навколишнє середовище. Тиск газу спадає, і в кінці 

і 11 т у він дорівнює атмосферному. На графіку - це ізохорний процес

 4-1. 

Поршень переміщується за рахунок енергії маховика у верхнє положен-
ий гакт закінчено. 

V

 розглянутому замкненому процесі виконану роботу А можна визна-

ний Вона дорівнює площі заштрихованої фігури, обмеженої лініями 

процесів, які відбуваються. 

Аналіз графіка показує, що під час робочого ходу (ділянка

 3-4)

 суміш 

ронипрюється при більшому тиску, ніж вона стискається під час другого 

ти і у (ділянка

 1-2).

 Ця обставина в кінцевому підсумку й зумовлює ви-

мін а і шя корисної роботи двигуном. 

Робота при ізохорних процесах (

3-2

 і

 4-І)

 дорівнює нулю

 (V

 = сопзі), 

н юдагна робота визначається лише різницею робіт при адіабатному 
роипиренні і стисканні. 

І Іл практиці ККД двигуна внутрішнього згоряння досягає 20-30 %. 
>Ік можна підвищити ККД такого двигуна? Досвід і розрахунки пока-

іуіон.,

 що для цього треба забезпечити більше стискання суміші. Проте в 

ніш

 унах карбюраторного типу це неможливо, бо вона, дуже нагріваючись, 

пс|и-дчасно самозайматиметься. 

Дизель 

Німецький інженер Р. Дізель винайшов двигун, названий йо-

ю ім'ям, який працює за таким циклом, що дає можливість уникнути 

«.і іплчених вище утруднень і значно підвищити ККД. 

( тупінь стискання в дизелях досягає значної величини, внаслідок чого 

п мпература повітря в кінці стискання підвищується до температури, до-

і іл і ньої для займання палива. 

І Іаливо згоряє тут не відразу, як у карбюраторних двигунах, а посту-

ноно, протягом деякої частини ходу поршня. Внаслідок цього паливо зго-
ри» при об'ємі робочого простору, який збільшується. Тому тиск газів під 
чле роботи буде сталим. 

<) гже, суміш згоряє при сталому тиску на відміну від карбюраторних 

лингунів, де, як ми побачили, суміш згоряє при сталому об'ємі. 

Дизель - економічніший двигун, ніж карбюраторний, його ККД дося-

і и 40 %. Він може мати значно більшу потужність (десятки тисяч кінсь-

199