11.1: Вступ

Last updated
Save as PDF

Page ID: 76328

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

У моєму розрідженому, теоретичному, академічному та непрактичному розумі тепловий двигун складається з робочої речовини, яка підпорядковується деякому ідеалізованому рівнянню стану, наприклад, для ідеального газу, що утримується всередині циліндра поршнем і переживає в замкнутому циклі ряд високо ідеалізованих процесів, таких як оборотні адіабатичні розширення або ізотермічні стиснення. На різних етапах циклу система може отримувати тепло від або втрачати тепло в навколишнє середовище; або ми можемо робити роботу над системою, стискаючи її, або система може розширюватися і виконувати зовнішні роботи.

ККД η теплового двигуна визначається як

\[ \eta=\frac{\text { net external work done} ~ \mathbf{by} ~ \text{the engine during a cycle }}{\text { heat supplied} ~ \mathbf{ to} \text{ the engine during a cycle. }}\]

Під «чистою» зовнішньою роботою я маю на увазі роботу, виконану двигуном протягом тієї частини циклу, коли він робить роботу за вирахуванням роботи, виконаної над двигуном протягом тієї частини циклу, коли на ньому ведеться робота. Зверніть увагу, що в знаменнику не фігурує слово «сітка», яке позначає лише тепло, що подається двигуну протягом тієї частини циклу, коли він набирає тепло.

Під час стиснення частини циклу система виділяє тепло, і для виконання зовнішніх робіт доступна лише різниця «тепло в мінус тепло». Таким чином, ефективність також може бути розрахована з

\[ \eta=\frac{Q_{\mathrm{in}}-Q_{\mathrm{out}}}{Q_{\mathrm{in}}}.\]

хоча визначення ККД залишається рівнянням 11.1.1.

Жоден тепловий двигун не є 100% ефективним, і нам потрібно запитати, який найефективніший тепловий двигун можливий, які фактори обмежують його ефективність, і яка найбільша можлива ефективність? Очевидно, що такі речі, як тертя в рухомих частинок двигуна, обмежують ефективність, але в моєму академічному розумі двигун побудований з підшипниками без тертя і всі процеси в циклі стискань і розширень оборотні.

Під час циклу тепловий двигун рухається за годинниковою стрілкою замкнутим шляхом у площині PV, і, якщо процеси оборотні, область, укладена цим шляхом за годинниковою стрілкою, є чистою зовнішньою роботою, яку виконує система. Він також рухається по замкнутому шляху за годинниковою стрілкою в площині TS, і, якщо процеси оборотні, область, укладена цим шляхом за годинниковою стрілкою, є чистим теплом, що подається в систему. Два рівні, і коли система повертається в початковий стан, то не відбувається змін внутрішньої енергії. Тобто внутрішня енергія - це функція стану.

Залежно від характеру різних процесів протягом циклу цикл може носити різні назви, такі як цикли Карно, Стірлінга, Отто, Дизеля або Ренкіна. З них найважливішим з теоретичної точки зору є цикл Карно. Не знаю, чи хтось коли-небудь будував тепловий двигун Карно. Однак я знаю, що ніхто ніколи не будував двигун, що працює між гарячим джерелом тепла та холодним радіатором, який є більш ефективним, ніж двигун Карно; бо, при заданій різниці температур між джерелом та раковиною, двигун Карно є найбільш ефективним можливим. Є ще одна важлива річ про цикл Карно. У главі 3 ми намагалися зрозуміти, що найскладніше з усіх термодинамічних понять, а саме температура, і ми задалися питанням, чи можемо ми визначити абсолютну температурну шкалу, яка не залежить від властивостей будь-якої конкретної речовини. Розгляд циклу Карно дозволяє нам зробити саме це.

Про справжні теплові двигуни я знаю дуже мало. Я знаю, що одна педаль мого автомобіля змушує машину їхати швидше, а інша змушує його їхати повільніше - але те, що знаходиться під капотом або капотом, виходить за межі мого кена. Реальні теплові двигуни можуть більшою чи меншою мірою нагадувати деякі теоретичні двигуни наукових кіл. Таким чином, двигун автомобіля може нагадувати цикл Отто, або паровий двигун може нагадувати цикл Ренкіна, або справжній дизельний двигун може нагадувати теоретичний дизельний цикл. Студенти інженерів можуть задатися питанням, чи потрібно їм турбуватися про «теоретичні» двигуни, які мало схожі на метал і паливо, з якими їм доводиться працювати на практичній основі. Я не можу відповісти на це, але є лише одна річ, яку я знаю про реальні двигуни, і це те, що вони підкоряються і дотримуються всіх фундаментальних законів термодинаміки, яких повинні дотримуватися теоретичні двигуни; і я підозрюю, що інженер, який спроектував двигун у моєму автомобілі, мав досить ретельний знання основоположних принципів термодинаміки.