Днепропетровский Государственный ТехническийУниверситет Железнодорожного Транспорта.Кафедра: «Теплотехника»ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ
Натему : «Прямой цикл Карно»,
«Тепловая изоляция»
Выполнил:
студент427 группыАстраханцев Дмитрий
Принял:
Доц.Арестов А.П.Днепропетровск 1998
Прямой цикл Карно.
Как известно, всетепловые двигатели, превращающие тепловую энергию в механическую, работают покруговым циклам или термодинамическим циклам – идеальный цикл тепловогодвигателя (прямой цикл Карно) и цикл холодильной машины (обратный цикл Карно).
Рассмотрим прямойцикл Карно. Для этой цели возьмем идеальную систему, состоящую из горячегоисточника тепла, рабочего тела и окружающей среды. Параметры источника теплаТг, Sг, температура окружающей среды Т0. Рабочеетело в конечном итоге не совершает работы за счет своей собственной энергии. Доначала работы и после ее завершения все параметры рабочего тела и его полнаяэнергия остаются в точности теми же самыми. Иначе говоря, рабочее тело изменяетсвои параметры по какому-то циклу, возвращаясь каждый раз в первоначальноесостояние. Суммарная работа окружающей среды над телом равна нулю; никакихпотерь работы нет; энтропия системы остается неизменной (DSc=0); все процессы обратимые.
При отдаче горячим источником рабочемутелу тепла dQ1 тело произведетсуммарную работу dL и, для того чтобы вернутся впервоначальное состояние, отдаст окружающей среде тепло dQ2. При этом энтропия горячего источника уменьшится на величинуdSг = dQ1/T1, а энтропия холодного источникавозрастет на dSx = dQ2/T0 .
Посколькусогласно второму закону термодинамики энтропия рассматриваемой изолированнойсистемы уменьшаться не может, то при dSг всегда будет dSx > 0, а следовательно, иdQ2 > 0. Значит, совершаяработу с помощью циклов, тепло должно не только подводится, но и обязательноотводиться.
В идеальном случае, когда достигаетсямаксимальная работа, dSг + dSx = 0 и величина dQ2 являетсяминимальной. Таким образом,
-dQ1/Tг = dQ2min/T0,
или
dQ2min = T0dSг ,
где dSг берется по абсолютной величине (без отрицательногознака), т.е. dSг = dQ1/Tг.
Согласно первому закону термодинамики,всегда
dL = dQ1 – dQ2,
dLmax = dQ1 – dQ2min,
или
dLmax = dQ1 – T0dSг,
т.е. максимальная работа цикла за счеттепла Q
Lmax = Q1 – T0(Sг2 – Sг1),
где (Sг2 – Sг1) –абсолютна величина уменьшения энтропии горячего источника, вызванная отдачейтепла Q1.
Очевидно, что этаформула будет справедлива независимо от того, меняется или не меняетсятемпература Тг горячего источника. Обязательными условиями ее справедливостиявляются только постоянство температуры окружающей среды и обратимость всехпроцессов цикла. Максимальная полезная работа, которая может быть совершена видеальном (обратимом) тепловом двигателе, оказывается абсолютно одинаковой,будет ли этот двигатель работать по какому-либо обратимому циклу или в нембудут совершаться любые разомкнутые процессы.
Максимальная доля тепла, которая можетбыть превращена в работу, обычно выражается через отношение Lmax/Q1, называемое термическим к. п. д.теплового двигателя :
ht = Lmax/Q1= (Q1 – Q2min)/Q1.
При постоянныхтемпературах горячего Тг и холодного Т0 источников, учитывая предыдущие формулымаксимальный термический к. п. д. теплового двигателя :
ht =1 – Т0/Тг.
Можно доказать,что значение максимальной работы, а следовательно, и максимальный термическийк. п. д. для случая источников тепла постоянной температуры достигается вобратимом прямом цикле Карно, состоящем из двух изотерм и двух адиабат :
Условия построения прямого цикла Карно следующие :
1) Поскольку подводтепла обратимый, то при Тг = const температура телаТ1 на протяжении всего процесса подвода тепла должна быть равной Тги оставаться постоянной: Т1 = Тг=const;
2) Так как и отводтепла должен быть обязательно обратимым, то и температура Т2 тела впроцессе отвода тепла также должна быть равна Т0и оставатьсяпостоянной: Т2 = Т0=const;
3) Поскольку в другихпроцессах тепло не должно подводиться и отводиться, то замыкание цикла можетосуществляться только процессами с постоянной энтропией (S = const), следовательно,должно быть: Sa = Sb и Sc = Sd .
В изображенном на рисунке циклеизоэнтропа ab – процессадиабатического сжатия рабочего тела; изотерма bc – процесс подвода тепла Q1; изоэнтропа cd – процесс адиабатического расширения рабочего тела;изотерма da – процесс отводатепла Q2 к холодному источнику (окружающейсреде). Одновременно изотермы bc и da — соответственно процессы отвода тепла отгорячего источника и подвода тепла к холодному источнику. В этом, как и в любомдругом, обратимом цикле значения изменения энтропии горячего и холодногоисточников равны между собой по абсолютной величине и имеют обратные знаки,т.е.
-DSг =DSx
Конечное изменение энтропии Sт рабочего тела, совершающего замкнутый процесс, будет равен нулю.Приращение энтропии системы, равное алгебраической сумме энтропии всех телрассматриваемой системы (обеих источников тепла и рабочего тела), также равнонулю :
DSc = åDSi = DSг +DSx +DSт = 0.
Этим подтверждается, что цикл Карно действительно дает максимальнуюработу.
Из рисунканаходим :
Q1 = TгDSг = Т1DSг ;
Q2 = T0DSx = T2DSг,Отсюда
Lц = Q1 –Q2 = (T1 – T2)DSг.
С учетом того, что Sг = Q1/T1,получим
Lц = Q [(T1-T2)/T1].
Термический к. п. д. этого цикла
ht = Lц /Q1 = 1 – T2/T1 = ht мах
С помощью прямогоцикла Карно можно доказать, что отводимое к холодному источнику тепло Q2min не являетсяпотерей энергии, а представляет собой тот «балласт», ту непревратимую частьэнергии, которая в любой момент, без затраты какой-либо дополнительной работы,может быть отнята от холодного источника и возвращена горячему.
Здесь следуетзаметить, что осуществляя обратный цикл Карно, можно, затратив работу Lц, получить и отдать горячему источнику тепла Q1 ровно столько, сколько было от него получено в прямомцикле, а от холодного источника будет отобрано в точности такое же количестватепла Q2min, сколько емубыло отдано в прямом цикле.
ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ.
Теплоизоляция – это защита зданий,промышленных установок (или отдельных их узлов) от нежелательного тепловогообмена с окружающей средой. Так, например, в строительстве и теплоэнергетикетеплоизоляция необходима для уменьшения тепловых потерь в окружающую среду, вхолодильной и криогенной технике – для защиты аппаратуры от притока теплаизвне.
Теплоизоляция обеспечиваетсяустройством специальных заграждений, выполняемых из теплоизоляционныхматериалов (в виде оболочек, покрытий и т.п.) и затрудняющих теплопередачу;сами эти теплозащитные средства также называются теплоизоляцией.
При преимущественно конвективномтеплообмене для теплоизоляции используются ограждения, содержащие слоиматериала, непроницаемого для воздуха; при лучистом теплообмене – конструкциииз материалов, отражающих тепловое излучение (например из фольги,металлизированной лавсановой пленки); при теплопроводности (основной механизмпереноса тепла) – материалы с развитой пористой структурой.
Эффективность теплоизоляции припереносе тепла теплопроводностью определяется термическим сопротивлением ( R) изолирующей конструкции R = d /l , где d — толщина слоя изолирующего материала,l — его коэффициент теплопроводности.
Повышение эффективноститеплопроводности достигается применением высокопористых материалов иустройством многослойных конструкций с воздушными прослойками.
В тепловых промышленных установкахтеплоизоляция обеспечивает значительную экономию топлива, способствуетувеличению мощности тепловых агрегатов и повышению их КПД, интенсификациитехнологических процессов, снижению расходов основных материалов. Экономическаяэффективность теплоизоляции в промышленности часто
оцениваетсякоэффициентом сбережения тепла
Где Q1 – потери тепла без теплоизоляции, а Q2 – с теплоизоляцией.Задача теплоизоляции зданий – снизить потери тепла вхолодный период года и обеспечить постоянство температуры в помещениях втечении суток при колебаниях температуры наружного воздуха. Применяя длятеплоизоляции эффективные теплоизоляционные материалы, можно существенноуменьшить толщину и снизить массу ограждающих конструкций и, т.о. сократитьрасход основных стройматериалов.
Теплоизоляция – необходимый элементконструкции транспортных средств (судов, ж.д. вагонов, самолетов и т.д.), вкоторых роль теплозащиты определяется их назначением: для средств пассажирскоготранспорта – требованием поддержания комфортных микроклиматических условий всалонах; для грузового – обеспечение заданной температуры при минимальныхэнергетических затратах. К эффективности теплоизоляции на транспортепредъявляются повышенные требования в связи с ограничением массы и объемаограждающих конструкций транспортных средств.
Материалы и изделия, применяемые длятеплоизоляции называются теплоизоляционными. Теплоизоляционные материалыхарактеризуются низкой теплопроводностью (коэффициент теплопроводности не более0.2 Вт/м*К), высокой пористостью, незначительной объемной массой и прочностью(предел прочности при сжатии 0.05-2.5 МН/м2).
Основнойпоказатель качества теплоизоляторов – коэффициент теплопроводности. Он являетсяфизическим параметром вещества и в общем случае зависит от температуры,давления и рода вещества. В большинстве случаев коэффициент теплопроводностиопределяется экспериментально с помощью различных методов. На рисунке показаныпримерные значения коэффициента теплопроводности для
различных веществ :
Так как тела могутиметь различную температуру, а при наличии теплообмена и в самом делетемпература будет распределена неравномерно, то в первую очередь важно знатьзависимость коэффициента теплопроводности от температуры. Опыты показывают, чтодля многих материалов с достаточной для практики точностью зависимостькоэффициента теплопроводности от температуры можно принять линейной :
l=l0[1+b(t-t0)],
где l0 – значениекоэффициента теплопроводности при температуре t0; b – постоянная, определяемая опытнымпутем.
Коэффициент теплопроводности газов. Согласно кинетической теории переностепла в газах при обычных давлении и температуре определяется переносомкинетической энергии молекулярного движения в результате хаотического движенияи столкновения отдельных молекул газа. При этом коэффициент теплопроводностиопределяется соотношением:
l=wlCvr/3,
где w – средняя скорость перемещения молекул газа, l – средняя длина свободного пробега молекул при соударении, r - плотность газа.
С увеличением давления в равной мереувеличивается плотность, уменьшается длина пробега и произведение rl сохраняетсяпостоянным. Поэтому коэффициент теплопроводности газов мало меняется сизменением давления. Исключения составляют очень малые (меньше 2,66*103Па) и очень большие (2*109 Па) давления. Коэффициенттеплопроводности газов лежит в пределах от 0,0006 до 0,6 Вт/(м*К). Поэтомувоздух обладает свойствами хорошего теплоизолятора.
Коэффициент теплопроводности жидкостейописывается уравнением :
где Ср –теплоемкость жидкости при постоянном давлении, r - плотность жидкости, m - ее молекулярная масса. Коэффициент А пропорционален скоростираспространения упругих волн в жидкости, не зависит от природы жидкости, но приэтом А*Ср = const. Механизм распространения теплоты в капельных жидкостях можнопредставить как перенос энергии путем нестройных упругих колебаний. Коэффициеттеплопроводности жидкостей лежит в пределах от 0,07 до 0,7 Вт/(м*К). Ножидкости, как правило, не используются в теплозащитной технике.
Коэффициент теплопроводноститвердых тел. Определяется опытным путем илина основе эмпирических формул. В металлах основным передатчиком являются свободныеэлектроны, которые можно уподобить идеальному одноатомному газу. Передачатеплоты при помощи колебательных движений или в виде упругих звуковых волн неисключается, но ее доля незначительна по сравнению с переносом энергииэлектронным газом. При наличии разного рода примесей коэффициенттеплопроводности металлов резко убывает. Это можно объяснить увеличением структурныхнеоднородностей, которое приводит к рассеиванию электронов. Так, например, длячистой меди l=396 Вт/(м*К), для той же меди со следами мышьяка l=142 Вт/(м*К).Как видно металлы не могут быть хорошими теплоизоляторами от обычнойтеплопроводности, хотя они хорошо справляются с отражением ИК- и другихизлучений в лучистом переносе энергии.
В диэлектрикахс повышением температуры коэффициент теплопроводности увеличивается. Какправило, для материалов с большей плотностью коэффициент теплопроводности имеетболее высокое значение.
Теплопроводность зависит от структурыматериала, его пористости и влажности. Зависимость теплопроводности материалаот объемной влажности может бытьвыражена эмпирической формулой :
l =lс.м + Dlw,
где lс.м - коэффициент теплопроводности материала в воздушно-сухомсостоянии; Dl - приращение коэффициентатеплопроводности на каждый процент увеличения объемной влажности; w – объемная влажность, %. Величину Dl органическихматериалов при положительных температурах принимают равной 3.5*10-3,а при отрицательных температурах 4*10-3 Вт/(м*К); неорганическихматериалов – соответственно 2,3*10-3 и 3,5*10-3 Вт/(м*К).
Теплоизоляционныематериалы должны отвечать следующим нормам: они должны быть температуро- иморозостойкими, негорючими или обладать возможно меньшей горючестью, химическиинертными. Они недолжны иметь запаха или воспринимать запахи, обладатьдостаточной механической прочностью, виброустойчивыми, должны легкообрабатываться и резаться, должны удовлетворять определенным экономическимпоказателям.
Материалов,обладающих в равной и полной степени всеми перечисленными свойствами, пока несуществует. Из всех существующих теплоизоляторов можно выделитьвысокоэффективные материалы (с l =0,045 Вт/(м*К) в сухом состоянии и с объемной массойдо 100 кг/м3) :
1) Органические естественные материалы. К ним относятся различные породырастительных волосков или растительного пуха, находившие ранее применение, нотеперь редко используемые.
2) Органические исскуственные материалы. Очень перспективными материаламиэтой подгруппы являются пенопласты, получаемые путем вспенивания синтетическихсмол. Пенопласты имеют мелкие замкнутые поры и этим отличаются от поропластов –тоже вспенен