§ 15. Цеплавыя рухавікі. Прынцып дзеяння цеплавых рухавікоў і іх ККД. Экалагічныя праблемы выкарыстання цеплавых рухавікоў

Незваротнасць працэсаў у прыродзе. Першы закон тэрмадынамікі дапускае самаадвольны пераход энергіі як ад больш нагрэтага цела да менш нагрэтага, так і наадварот. Мае значэнне толькі тое, каб памяншэнне ўнутранай энергіі аднаго цела было роўнае павелічэнню ўнутранай энергіі другога цела. На самай справе самаадвольны пераход энергіі ад менш нагрэтага да больш нагрэтага цела ў прыродзе не адбываецца. Напрыклад, немагчыма назіраць, каб пры апусканні халоднай лыжкі ў гарачы чай лыжка ахалоджвалася яшчэ больш, перадаючы пэўную колькасць цеплаты гарачаму чаю. Як вы не раз пераконваліся на практыцы, заўсёды пэўная колькасць цеплаты самаадвольна пераходзіць ад гарачага чаю да халоднай лыжкі, пакуль у сістэме «чай — лыжка» не ўстановіцца цеплавая раўнавага з аднолькавай тэмпературай ва ўсіх частках сістэмы.

Сцвярджэнне, выказанае Р. Клаўзіусам у 1850 г. пра тое, што немагчымая самаадвольная перадача колькасці цеплаты ад менш нагрэтага цела да больш нагрэтага, атрымала назву другі закон тэрмадынамікі.

Другі закон тэрмадынамікі канстатуе той факт, што колькасць цеплаты самаадвольна можа пераходзіць толькі ад больш нагрэтых цел да менш нагрэтых.

Гэты навуковы факт і вызначае адзіна магчымы напрамак самаадвольнага праходжання цеплавых працэсаў — яны ідуць у бок да стану цеплавой раўнавагі.

Цеплавыя рухавікі. У адыябатным працэсе сіла ціску газу выконвае работу за кошт змянення яго ўнутранай энергіі, а ў ізатэрмічным працэсе — за кошт цеплаабмену паміж тэрмастатам і газам. Адыябатны і ізатэрмічны працэсы расшырэння газу дазваляюць выкарыстоўваць частку ўнутранай энергіі спаленага паліва для выканання механічнай работы.

Цеплавыя рухавікі — рухавікі, у якіх адбываецца ператварэнне часткі ўнутранай энергіі паліва пры згаранні ў механічную работу.

У якасці спрошчанай мадэлі цеплавога рухавіка разгледзім цыліндр, у якім знаходзіцца газ (паветра) пад поршнем. Змесцім на поршань цела масай m і будзем награваць газ у цыліндры (мал. 84, а). Ціск газу ўзрастае, поршань пачынае рухацца і падымае цела на пэўную вышыню Δh (мал. 84, б). Пры гэтым аб’ём газу павялічваецца, гэта значыць сіла ціску газу выконвае работу (А > 0). Аднак у дадзеным выпадку прылада прыдатная толькі для аднаразовага выканання работы, таму такія прылады не знаходзяць прымянення.

Рабочае цела — цела, якое выконвае работу пасля атрымання колькасці цеплаты Q₁ ад награвальніка, што знаходзіцца пры тэмпературы Т₁, і павінна ў канчатковым выніку вярнуцца ў зыходны стан, каб зноў пачаць такі самы працэс. Такім чынам, першы прынцып дзеяння цеплавых рухавікоў — цыклічнасць (бесперапыннасць) іх работы.

Для вяртання поршня ў зыходнае становішча газ неабходна сціснуць да першапачатковага аб’ёму. Пры гэтым знешняя сіла выконвае работу па сцісканні. Але калі сцісканне будзе адбывацца пры той жа тэмпературы, што і расшырэнне газу, то работа знешніх сіл будзе роўная рабоце сілы ціску газу пры яго расшырэнні. У выніку поўная работа газу за адзін цыкл (расшырэнне — сцісканне) будзе роўная нулю. Таму другі прынцып дзеяння цеплавых рухавікоў — сцісканне газу павінна адбывацца пры больш нізкай тэмпературы Т₂, чым яго расшырэнне (мал. 85). У гэтым выпадку поўная работа газу за цыкл дадатная (А > 0) і лікава роўная плошчы фігуры S_ABCD = S_ABEF – S_DCEF.

Такім чынам, перад сцісканнем рабочае цела неабходна ахаладзіць. Гэта ажыццяўляецца шляхам перадачы колькасці цеплаты Q₂ трэцяму целу — халадзільніку. Са сказанага вынікае, што для работы цыклічнага цеплавога рухавіка, акрамя награвальніка і рабочага цела, неабходная наяўнасць халадзільніка.

Схема цеплавога рухавіка прыведзена на малюнку 86. Цеплавы рухавік складаецца з награвальніка, рабочага цела (як правіла, газ) і халадзільніка (атмасфера або вада пры тэмпературы навакольнага асяроддзя — каля 300 К). Энергія, якая выдзяляецца пры згаранні паліва ў награвальніку, перадаецца рабочаму целу (газу) шляхам цеплаперадачы. Пры расшырэнні газу частка яго ўнутранай энергіі ідзе на выкананне работы. Некаторая колькасць цеплаты непазбежна перадаецца халадзільніку.

Цыкл Карно. Найбольш эфектыўна ахаладзіць рабочае цела перад сцісканнем можна шляхам адыябатнага расшырэння газу, пры якім яго тэмпература панізіцца да тэмпературы халадзільніка Т₂. Далей пры ізатэрмічным сцісканні рабочае цела перадае халадзільніку колькасць цеплаты Q₂. А пры завяршэнні цыкла цеплавога рухавіка найбольш эфектыўным будзе адыябатнае сцісканне газу да тэмпературы Т₁.

Такім чынам, падчас работы цеплавога рухавіка адбываюцца наступныя працэсы (мал. 86.1): 1) ізатэрмічнае расшырэнне газу (А → В, пры гэтым газ атрымлівае некаторую колькасць цеплаты Q₁ ад першага тэрмастата з тэмпературай T₁ — награвальніка); 2) адыябатнае расшырэнне газу (В → С, тэмпература газу паніжаецца да тэмпературы T₂ (T₂ < T₁)); 3) ізатэрмічнае сцісканне пры тэмпературы T₂ (С → D, газ прыводзяць у судакрананне з другім тэрмастатам — халадзільнікам, тэмпература якога T₂, пры сцісканні некаторая колькасць цеплаты Q₂ перадаецца ад газу халадзільніку); 4) адыябатнае сцісканне газу да першапачатковага аб’ёму (D → А, тэмпература газу павялічваецца да T₁).

Цыкл работы цеплавога рухавіка, які адпавядае адлюстраванаму на малюнку 86.1, называюць цыклам Карно (у гонар французскага фізіка і інжынера С. Карно (1796–1832). Прычым Карно разгледзеў ідэальны цыкл, у якім не ўлічваў страты энергіі, абумоўленыя няпоўным згараннем паліва і трэннем (у тым ліку і вязкасць у патоках газу), а таксама неізатэрмічнасць і неадыябатнасць працэсаў сціскання і расшырэння ў рэальных цеплавых рухавіках.

Каэфіцыент карыснага дзеяння (ККД) цеплавога рухавіка.

Каэфіцыент карыснага дзеяння (ККД) цеплавога рухавіка — адносіны карысна выкарыстанай энергіі Е_карысн да агульнай колькасці энергіі Е, атрыманай сістэмай:

Вызначаны такім чынам ККД цеплавых рухавікоў называюць эфектыўным ККД. Пры гэтым Е = Q_поўн, дзе Q_поўн — колькасць цеплаты, якая выдзяляецца пры поўным згаранні паліва.

Ступень дасканаласці пераўтварэння пэўнай часткі ўнутранай энергіі награвальнікаў у механічную работу, што адбываецца ў цыліндрах цеплавога рухавіка, характарызуюць тэрмічным (тэрмадынамічным) каэфіцыентам карыснага дзеяння.

Тэрмічны каэфіцыент карыснага дзеяння цеплавога рухавіка — адносіны работы А_ц, якая выконваецца рабочым целам за цыкл, да колькасці цеплаты Q₁, атрыманай ім ад награвальніка:

Калі Q₂ — колькасць цеплаты, аддадзенай рабочым целам халадзільніку (Q₂ < 0), то А_ц = Q₁ + Q₂ = Q₁– |Q₂| і

З формулы (15.1) вынікае, што тэрмічны ККД цеплавога рухавіка залежыць ад працэсаў, у якіх удзельнічае рабочае цела, і заўсёды меншы за адзінку.

Рэальныя цеплавыя рухавікі маюць наступныя сярэднія значэнні тэрмічнага ККД: дызельны рухавік — 40 %; газатурбінныя ўстаноўкі — 25–30 %; паравая турбіна — 40 %.

У аўтамабільных рухавіках унутранага згарання эфектыўны каэфіцыент карыснага дзеяння вызначаюць па эксперыментальнай механічнай магутнасці Р рухавіка і колькасці паліва, якая спальваецца за адзінку часу. Так, калі за прамежак часу Δt спалена паліва масай m, якое мае ўдзельную цеплату згарання q, то

Каэфіцыент карыснага дзеяння ідэальнага цеплавога рухавіка. У 1824 г. Карно даказаў, што каэфіцыент карыснага дзеяння ўсіх абарачальных машын, якія працуюць у ідэнтычных умовах (гэта значыць пры аднолькавых тэмпературах награвальніка Т₁ і халадзільніка Т₂), вызначаецца толькі тэмпературамі награвальніка і халадзільніка і не залежыць ад роду рэчыва рабочага цела. ККД ідэальнага цыкла Карно η_К з'яўляецца максімальна магчымым пры зададзеных Т₁ і Т₂:

Такім чынам, ККД любога рэальнага цеплавога рухавіка не можа перавышаць ККД ідэальнага цыкла Карно: .

Аналіз апошняй няроўнасці дазваляе выявіць магчымыя шляхі павелічэння ККД цеплавых рухавікоў: павышэнне тэмпературы награвальніка Т₁ і паніжэнне тэмпературы халадзільніка Т₂.

ККД ідэальнага цеплавога рухавіка мог бы быць роўны адзінцы пры ўмове выкарыстання халадзільніка з тэмпературай, роўнай абсалютнаму нулю (Т₂ = 0). У гэтым выпадку . Але, як вядома, гэта немагчыма нават тэарэтычна, бо абсалютнага нуля тэмпературы дасягнуць нельга. Асноўным напрамкам павелічэння ККД цеплавых рухавікоў з'яўляецца павышэнне рознасці тэмператур Т₁ − Т₂ — награвальніка і халадзільніка.

Значэнне цеплавых рухавікоў і экалагічныя праблемы іх выкарыстання. Найбольшае значэнне мае выкарыстанне цеплавых рухавікоў у энергетыцы і на транспарце. Цеплавыя рухавікі — паравыя турбіны (мал. 87) — ставяць на цеплавых і атамных электрастанцыях, дзе энергія пары ператвараецца ў механічную энергію ротараў генератараў электрычнага току. У першым выпадку пару высокай тэмпературы атрымліваюць за кошт згарання паліва, а ў другім — за кошт энергіі, якая выдзяляецца падчас ядзерных рэакцый.

Вынаходства рухавіка ўнутранага згарання адыграла велізарную ролю ў аўтамабілебудаванні, ва ўдасканаленні сельскагаспадарчай і будаўнічай тэхнікі. Карбюратарныя рухавікі ўнутранага згарання ўстанаўліваюць на аўтамабілях, матацыклах, верталётах і самалётах, дызельныя (мал. 88, а) — на цеплаходах, цеплавозах, трактарах, магутных аўтамабілях. Стварэнне рэактыўнага рухавіка (мал. 88, б) дазволіла падняць самалёты на вялікую вышыню, павялічыць скорасць і далёкасць іх палётаў.

Аднак інтэнсіўнае выкарыстанне цеплавых рухавікоў у энергетыцы і на транспарце адмоўна ўплывае на навакольнае асяроддзе.

Падчас работы цеплавых рухавікоў у паветра выкідваецца вялікая колькасць гарачай пары або газу, што прыводзіць да цеплавога забруджвання атмасферы. Шырокае выкарыстанне розных відаў паліва цягне за сабой павелічэнне ў атмасферы вуглякіслага газу (дыяксід вугляроду СО₂). Злучаючыся з вадзяной парай у атмасферы, вуглякіслы газ утварае вугальную кіслату, якая нават пры малых канцэнтрацыях, выпадаючы ў выглядзе кіслотнага дажджу, за стагоддзі разбурае цэглу, метал, мармур.

Згаранне паліва на цеплавых электрастанцыях вядзе да назапашвання ў атмасферы чаднага газу (аксід вугляроду СО), які з’яўляецца атрутай для жывых арганізмаў. Напрыклад, пры згаранні 1 т бензіну ўтвараецца 60 кг аксіду вугляроду. Падчас работы аўтатранспарту разам з аксідам вугляроду ў атмасферу трапляюць злучэнні свінцу. Пры гарэнні паліва выкарыстоўваецца кісларод з атмасферы, што прыводзіць да паступовага змяншэння яго канцэнтрацыі ў паветры і, акрамя таго, утварэння аксідаў азоту (NO_х). Раствараючыся ў дажджавой вадзе, яны ператвараюцца ў азотную кіслату, а рэагуючы з разнастайнымі прымесямі, што змяшчаюцца ў паветры, утвараюць таксічныя злучэнні, якія выпадаюць на паверхню вады і сушы з кіслотнымі дажджамі. Гэта выклікае засаленне глебы, адкрытых і падземных вадаёмаў, гібель лясоў, парушэнне хімічнага саставу ў экасістэмах. Акрамя таго, у «кіслай» вадзе лепш раствараюцца такія атрутныя рэчывы, як кадмій, ртуць, свінец, якія знаходзяцца ў глебе і донных адкладах, а гэта ўплывае на чысціню вады, якую спажываюць людзі і жывёлы.

Пры палётах самалётаў і запусках ракет адбываецца разбурэнне азонавага слоя атмасферы, які засцерагае ўсё жывое на Зямлі ад лішку ультрафіялетавага выпраменьвання Сонца.

Вырашэнне праблем, якія ўзнікаюць пры згаранні паліва ў цеплавых рухавіках, вучоныя і канструктары бачаць:

а) у экалагізацыі тэхналагічных працэсаў (стварэнне безадходных і малаадходных тэхналогій, якія выключаюць пападанне ў атмасферу шкодных рэчываў); ачыстцы газавых выкідаў у атмасферу (улоўліванне і перапрацоўка вуглякіслага газу, аксідаў азоту і іншых таксічных рэчываў);

б) павелічэнні каэфіцыента карыснага дзеяння цеплавых рухавікоў, у прыватнасці, шляхам стварэння ўмоў для найбольш поўнага згарання паліва;

в) замене цеплавых рухавікоў на больш экалагічна чыстыя рухавікі, напрыклад электрычныя.

Дадаткова да пералічанага ў многіх краінах свету ў заканадаўчым парадку прыняты гранічна дапушчальныя нормы ўтрымання таксічных кампанентаў у выхлапных газах. У Рэспубліцы Беларусь правіламі дарожнага руху забаронена эксплуатацыя аўтамабіляў, утрыманне аксіду вугляроду ў адпрацаваных газах якіх перавышае 1,5 %. Для выяўлення такіх транспартных сродкаў уведзена сістэма інструментальнага кантролю пры праходжанні дзяржаўнага тэхнічнага агляду.

Рацыянальная арганізацыя аўтамабільнага руху ў гарадах (будаўніцтва скарасных магістралей, дадатковых развязак і эстакад, што спрыяе змяншэнню колькасці святлафораў і ліквідацыі затораў) таксама дазволіць зменшыць шкодныя выкіды ў атмасферу пры эксплуатацыі транспартных сродкаў.

1. Якія працэсы лічаць незваротнымі? Прывядзіце прыклады найбольш тыповых незваротных працэсаў.

2. Што называюць цеплавым рухавіком? Якія прынцыпы пакладзены ў аснову стварэння цеплавых рухавікоў?

3. Для чаго прызначаны награвальнік, халадзільнік і рабочае цела цеплавога рухавіка?

4. Ці можа эфектыўны ККД цеплавога рухавіка стаць роўны адзінцы, калі трэнне ў частках рухавіка звесці да нуля?

5. Ці можна ахаладзіць паветра ў пакоі, калі адкрыць дзверцы працуючага халадзільніка?

6. Як можна найбольш эфектыўна павялічыць тэрмічны каэфіцыент карыснага дзеяння цеплавога рухавіка?

7. Пры якім цыкле каэфіцыент карыснага дзеяння ідэальнага цеплавога рухавіка прымае максімальнае значэнне?

9. Ад чаго залежыць каэфіцыент карыснага дзеяння ідэальнага цеплавога рухавіка?

10. Як вызначаюць эфектыўны каэфіцыент карыснага дзеяння для аўтамабільных рухавікоў унутранага згарання?

Практыкаванне 11

1. За цыкл рабочае цела цеплавога рухавіка атрымлівае ад награвальніка колькасць цеплаты Q₁ = 800 Дж і перадае халадзільніку колькасць цеплаты Q₂ = –600 Дж. Вызначце тэрмічны каэфіцыент карыснага дзеяння цеплавога рухавіка.

2. Тэрмічны каэфіцыент карыснага дзеяння цеплавога рухавіка η_t = 20 %. Вызначце колькасць цеплаты, якая перададзена рабочаму целу ад награвальніка, калі за цыкл рабочым целам выканана работа А_ц = 300 Дж.

3. Матацыкл на працягу пэўнага прамежку часу рухаецца са скорасцю, модуль якой . Пры гэтым расход бензіну на шляху s = 100 км складае V₀ = 4,0 л. Вызначце сярэднюю магутнасць рухавіка матацыкла, калі эфектыўны каэфіцыент карыснага дзеяння рухавіка η_э = 25 %. Шчыльнасць і ўдзельная цеплата згарання бензіну і .

4. Для работы рухавіка электрагенератара, эфектыўны каэфіцыент карыснага дзеяння якога η_э = 20,0 %, падрыхтавана цыстэрна дызельнага паліва аб’ёмам V = 62,0 м³. Вызначце, на колькі рабочых дзён хопіць гэтага паліва, калі сярэдняя магутнасць рухавіка падчас работы і працягласць рабочага дня рухавіка t = 7,00 г. Шчыльнасць і ўдзельная цеплата згарання дызельнага паліва і адпаведна.

5. У табліцы паказаны змяненні тэрмічнага каэфіцыента карыснага дзеяння η_К ідэальнага цеплавога рухавіка пры памяншэнні тэмпературы Т_х халадзільніка.

Вызначце першапачатковую тэмпературу Т_х халадзільніка, тэмпературу награвальніка, калі яна заставалася нязменнай, і каэфіцыент карыснага дзеяння ідэальнага цеплавога рухавіка пры Т_х1 – 20 К.

6. Ідэальны цеплавы рухавік за кошт кожнага кіладжоўля энергіі, атрыманай ад награвальніка, за цыкл выконвае работу А_ц = 250 Дж. Тэмпература халадзільніка Т₂ = 300 К. Вызначце тэрмічны каэфіцыент карыснага дзеяння ідэальнага цеплавога рухавіка і тэмпературу яго награвальніка.

7. Тэрмічны каэфіцыент карыснага дзеяння ідэальнага цеплавога рухавіка η_t1 = 30 %. Вызначце, на колькі павялічыцца тэрмічны каэфіцыент карыснага дзеяння, калі, не змяняючы тэмпературу награвальніка, абсалютную тэмпературу халадзільніка зменшыць на 25 %.