ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА Лекция 1 Кафедра Электроэнергетические системы Факультет

ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА Лекция 1 Кафедра Электроэнергетические системы Факультет Энергетики и систем коммуникаций Донского государственного технического университета

ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОВЫХ МАШИН Элементы термодинамики. Основы тепловых машин

Основы термодина́мики Термодинамика — раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. Термодинамика это наука о тепловых процессах, в которой не учитывается атомарно-молекулярное строение тел. В термодинамике изучаются взаимосвязи между макрохарактеристиками системы (например, давление и температура). Основой термодинамики являются так называемые «начала», то есть опытные законы, которые справедливы для всех систем независимо от их строения и агрегатного состояния. Исторически термодинамика стала наукой ещё до того, как более или менее точно узнали о внутреннем строении вещества.

Основы термодина́мики Одно из основных понятий термодинамики – внутренняя энергия тела (системы). Внутренняя энергия тела складывается из кинетической энергии поступательного, вращательного и колебательного движений атомов и молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. Кинетическая энергия и потенциальная энергия тела во внешнем поле (например, в поле тяготения) в состав внутренней энергии не входят. Внутренняя энергия зависит только от параметров состояния.

Основы термодина́мики Внутреннюю энергию системы (газа) можно изменить за счёт работы. Работой расширения идеального газа является работа, которую газ совершает над внешними телами. При расширении газ совершает положительную работу. При сжатии газ совершает отрицательную работу, а работа внешних сил является положительной.

Основы термодина́мики Изменить внутреннюю энергию системы (газа) можно также за счёт нагревания или охлаждения. Процесс передачи энергии от одного тела другому без совершения работы называется теплообменом (теплопередачей). Энергия, передаваемая телу окружающей средой или другим телом без совершения работы на макроуровне, называется теплотой .

Основы термодина́мики Термодинамика базируется на опытных законах, носящих всеобщий характер. Прежде всего, это закон сохранения энергии. Закон сохранения и превращения энергии, распространённый на тепловые явления, называется первым законом (началом) термодинамики.

Закон сохранения и превращения энергии Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил (А) и количества теплоты (Q), переданного системе:

Основы термодина́мики Взаимные превращения теплоты и работы неравноценны; работа может быть полностью превращена в теплоту, а теплоту невозможно полностью превратить в работу. Машина, которая бы полностью превращала теплоту в работу, называется вечным двигателем второго рода. Вечный двигатель второго рода запрещается вторым законом термодинамики, хотя и не противоречит первому закону термодинамики.

Основы термодина́мики Формулировки второго закона термодинамики. «В природе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы механическая работа, полученная за счёт охлаждения теплового резервуара» (Уильям Томсон). «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к горячему» (Рудольф Клаузис). Второй закон термодинамики утверждает, что превратить тепло в работу при постоянной температуре нельзя. Второй закон был открыт французским военным инженером и учёным Сади Карно (1824 г.) исторически раньше открытия первого закона.

Основы термодина́мики При работе обратимых машин (равенство Р. Клаузиса)

Основы термодина́мики Отношение называется энтропией: За обратимый цикл изменение энтропии равно нулю. Единица измерения энтропии – джоуль на градус

Основы термодина́мики При обратимых изменениях полная энтропия всех участников не изменяется. При необратимых изменениях полная энтропия всегда возрастает. Абсолютно обратимых процессов не существует, поэтому энтропия всегда возрастает. Обратимые процессы – это идеализированные процессы с минимальным приростом энтропии. В силу второго начала термодинамики, энтропия замкнутой системы не может уменьшаться (закон неубывания энтропии).

Основы термодина́мики Два закона термодинамики ещё можно сформулировать так: Первый закон – энергия вселенной всегда постоянна, Второй закон – энтропия вселенной всегда возрастает.

Основы термодина́мики Энтропию ещё вводят как функцию, устанавливающую направление самопроизвольных процессов. Энтропия – мера беспорядка в системе: полная упорядоченность частиц в системе (например, в кристаллах), соответствует минимуму энтропии, полный беспорядок – максимуму. Например, энтропия водяного пара больше, чем энтропия воды; в свою очередь энтропия воды больше, чем энтропия льда.

Основы термодина́мики Энтальпия (от греч. enthalpo – нагреваю) – тепловая функция или теплосодержание – термодинамический потенциал, характеризующий состояние системы в термодинамическом равновесии при выборе в качестве независимых переменных давления, энтропии и числа частиц

Основы термодина́мики Энтальпия или энергия системы равна сумме внутренней энергии U и потенциальной энергии

Основы термодина́мики Энтальпией системы удобно пользоваться в тех случаях, когда в качестве независимых переменных, определяющих состояние системы, выбирают давление и температуру

Основы термодина́мики Зависимость температуры от давления для водяного пара

Основы тепловых машин Тепловыми машинами являются паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, различные тепловые турбины и т.д. Тепловые машины или тепловые двигатели предназначены для получения полезной работы за счёт теплоты, выделяемой вследствие химических реакций (сгорание топлива), ядерных превращений или по другим причинам (например, вследствие нагрева солнечными лучами).

Основы тепловых машин Для функционирования тепловой машины обязательно необходимы следующие составляющие: нагреватель, холодильник и рабочее тело. При этом, если необходимость в наличии нагревателя и рабочего тела обычно не вызывает сомнений, то холодильник как составная часть тепловой машины в её конструкции зачастую отсутствует. В качестве холодильника выступает окружающая среда.

Основы тепловых машин Принцип действия тепловых машин заключается в следующем. Нагреватель передаёт рабочему телу теплоту , вызывая повышение его температуры. Рабочее тело совершает работу над каким-либо механическим устройством, например, приводит во вращение турбину, и далее отдаёт холодильнику теплоту , возвращаясь в исходное состояние.

Основы тепловых машин Схема тепловой машины

Основы тепловых машин Термодинамический цикл тепловой машины

Основы тепловых машин Наличие холодильника и передача ему части полученной от нагревателя теплоты, является обязательным, так как иначе работа тепловой машины невозможна. Действительно, для получения механической работы необходимо наличие потока, в данном случае потока теплоты. Если же холодильник будет отсутствовать, то рабочее тело неизбежно придёт в тепловое равновесие с нагревателем, и поток теплоты прекратится.

Основы тепловых машин В соответствии с первым началом термодинамики при осуществлении кругового процесса, из-за возвращения рабочего тела в исходное состояние, его внутренняя энергия за цикл не изменяется. Поэтому совершённая рабочим телом механическая работа равна разности подведённой и отведённой теплоты

Основы тепловых машин Тепловой коэффициент полезного действия цикла любой тепловой машины можно рассчитать как отношение полезной работы к количеству теплоты , переданной от нагревателя: Из выражения следует, что КПД любой тепловой машины всегда меньше единицы, так как часть полученной от нагревателя теплоты должна передаваться холодильнику.

Холодильные машины Термодинамический цикл, осуществляемый в обратном направлении, может быть использован для работы холодильной машины.

Холодильные машины Схема холодильной машины

Холодильные машины Термодинамический цикл холодильной машины

Холодильные машины Холодильные машины, в отличие от тепловых двигателей, предназначены не для получения механической работы из теплоты, а позволяют осуществлять охлаждение различных тел за счёт совершения работы. В холодильной машине за счёт совершения внешними телами работы A´ над рабочим телом происходит отвод теплоты Q2 от охлаждаемого тела и передача теплоты Q´1 тепловому резервуару, в качестве которого обычно выступает окружающая среда.

Холодильные машины Коэффициент полезного действия или холодильный коэффициент холодильной машины можно определить как отношение отнятой от охлаждаемого тела теплоты Q2 к затраченной для этого механической работе A´ :

Холодильные машины Так как в зависимости от конкретной конструкции холодильной машины количество отводимой от охлаждаемого тела теплоты может, как превышать затраченную работу , так и быть меньше её, то КПД холодильной машины, в отличие от КПД тепловой машины, может быть как больше, так и меньше единицы.

Тепловые насосы Холодильная машина может быть использована не только для охлаждения различных тел, но и для отопления помещения. Действительно, даже обычный бытовой холодильник, охлаждая помещённые в нём продукты, одновременно нагревает воздух в комнате. Принцип динамического отопления предложил У. Томсон. Этот принцип положен в основу действия современных тепловых насосов (ТН); он заключается в использовании обращённого цикла тепловой машины для перекачки теплоты из окружающей среды в помещение.

Тепловые насосы Схема теплового насоса такая же, как и схема холодильной машины. Основное отличие заключается в том, что теплота Q´1 подводится к нагреваемому телу, например к воздуху в обогреваемом помещении, а теплота Q2 забирается из менее нагретой окружающей среды. Термодинамические циклы холодильной машины и теплового насоса совпадают.

Тепловые насосы КПД теплового насоса определяется как отношение полученной нагреваемым телом теплоты Q´1 к затраченной для этого механической работе A´ :

Тепловые насосы Учитывая то, что отводимая от окружающей среды теплота Q2 всегда отлична от нуля, то КПД теплового насоса, в соответствии с его определением, обязательно должен быть больше единицы. Из сравнения формул для КПД следует, что КПД теплового насоса является величиной, обратной КПД тепловой машины:

Тепловые насосы КПД теплового насоса тем выше, чем больше теплоты Q2 отводится от окружающей среды. Это не противоречит законам термодинамики, так как в данном случае для перекачки теплоты от менее нагретой окружающей среды к более нагретому воздуху в помещении используется работа внешних сил. При этом на каких-то участках цикла рабочее тело может совершать положительную работу, так как при тепловом контакте с окружающей средой его температура должна быть ниже температуры среды.

Тепловые насосы Преимущество теплового насоса по сравнению с электронагревателем заключается в том, что на нагрев помещений используется не только преобразованная в теплоту электроэнергия, но и теплота, отобранная от окружающей среды. По этой причине эффективность тепловых насосов может быть гораздо выше обычных электронагревателей, что определяет их потенциальные возможности для широкого использования. Наибольшее распространение получили парокомпрессионные и абсорбционные ТН, в которых в качестве теплопереносящих агентов используются галогенезированные углеводороды (фреоны) и аммиак, имеющие низкую температуру кипения.

Устройство теплового насоса Принцип действия теплового насоса аналогичен принципу работы холодильных машин. Рассмотрим схему действия на примере насоса непосредственного испарения — так называемого «земляного» или геотермального (англ. heothermal heat pump).

Устройство теплового насоса 1.Охлаждённый теплоноситель, проходя по внешнему трубопроводу, нагревается на несколько градусов. 2.Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем, отдаёт собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладоагентом. 3.Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где он сжимается до высокого давления и высокой температуры. Далее горячий газ поступает во второй теплообменник-конденсатор. В конденсаторе происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. 4.При прохождении хладагента через редукционный клапан давление понижается, хладагент попадает в испаритель, и цикл повторяется снова.

Тепловые насосы Теплоноситель течёт по коллектору — трубе, уложенной в грунт на глубине несколько метров. Теплоноситель нагревается от грунта на несколько градусов. Далее он течёт в теплообменник- испаритель. Испаритель — это камера, в которой происходит передача тепловой энергии от теплоносителя к специальной жидкости — хладагенту. Хладагент превращается в газообразное состояние (пар) при невысокой температуре. Слегка нагревшись от теплоносителя в теплообменнике, хладагент превращается в газ, и поступает компрессор насоса.

Тепловые насосы Компрессор сжимает хладагент, увеличивая его давление, за счёт этого происходит сильное увеличение температуры. После этого горячий хладагент поступает в другой теплообменник — конденсатор. В этом теплообменнике происходит передача тепловой энергии от хладагента к другому теплоносителю, протекающему в отопительных радиаторах. Одновременно с этим, хладагент охлаждается и конденсируется — переходит в жидкое состояние. Далее хладагент поступает в теплоноситель — испаритель, и цикл повторяется. Так, за счёт агрегатов теплового насоса — теплообменников, а также компрессора, энергия земли поступает в отопительные радиаторы.

Термодинамический цикл Карно Обратимый цикл Карно состоит из двух изотерм, описывающих процесс теплопередачи от нагревателя к рабочему телу и от рабочего тела к холодильнику, и двух адиабат, описывающих расширение и сжатие рабочего тела в тепловой машине. Температура нагревателя считается равной Т1, а температура холодильника Т2 - соответственно . При этом температуры нагревателя и холодильника постоянны, что должно обеспечиваться бесконечно большой теплоёмкостью используемых тепловых резервуаров.

Термодинамический цикл Карно В точке 1: давление – P1 , объём – V1 ; В точке 2: объём - V´1; В точке 3: давление – P2, объём – V2; В точке 4: объём – V´4

Термодинамический цикл Карно При первом изотермическом процессе (изотерма 1-2) происходит передача рабочему телу теплоты Q1, причём эта теплота передаётся бесконечно медленно, при практически нулевой разнице температуры между нагревателем и рабочим телом (температура остаётся равной ); при этом объём газа становится равным V1

Термодинамический цикл Карно Затем рабочее тело подвергается адиабатическому расширению без теплообмена с окружающей средой (адиабата 2-3), при этом газ охлаждается до температуры . В случае идеального газа кривая 2-3 описывается выражением PV²=const, где ² - постоянная, большая единицы; поэтому адиабатическая кривая падает круче изотермической.

Термодинамический цикл Карно Далее охлаждённый газ изотермически сжимается (изотерма 3-4) при температуре T2, холодильник забирает у рабочего тела теплоту Q2 . Однако в этом процессе газ не вернется в первоначальное состояние — температура его будет всё время ниже чем T1. Поэтому изотермическое сжатие доводят до некоторого промежуточного объёма . После этого газ сжимается адиабатически до объёма V1, при этом его температура повышается до T1 (адиабата 4-1). Теперь газ вернулся в первоначальное состояние, при котором объём его равен , температура — T1, давление — P1, и цикл можно повторить вновь.

Термодинамический цикл Карно Итак, на участке 1-2-3 газ совершает работу (A1 ), а на участке 3-4-1 работа совершается над газом (A2 ). На участках 2-3 и 4-1 работа совершается только за счёт изменения внутренней энергии газа. Поскольку изменение внутренней энергии , то и работы при адиабатных процессах равны: . Следовательно, полная работа, совершаемая за цикл, определяется разностью работ, совершаемых при изотермических процессах (участки 1-2 и 3-4). Численно эта работа равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла 1-2-3-4.

Термодинамический цикл Карно В полезную работу фактически преобразуется только часть количества теплоты , полученной от нагревателя, равная . Итак, в цикле Карно полезная работа . Максимальный коэффициент полезного действия идеального цикла, как показал С. Карно, может быть выражен через температуру нагревателя ( ) и холодильника ( ):

Основы тепловых машин Тепловой коэффициент полезного действия цикла любой тепловой машины можно рассчитать как отношение полезной работы к количеству теплоты , переданной от нагревателя: Откуда следует, что КПД любой тепловой машины всегда меньше единицы , так как часть полученной от нагревателя теплоты должна передаваться холодильнику.

Основы тепловых машин Максимальный коэффициент полезного действия идеального цикла, как показал С. Карно, может быть выражен через температуру нагревателя Т1 и холодильника Т2 (температура в градусах Кельвина): В реальных двигателях не удаётся осуществить цикл, состоящий из идеальных изотермических и адиабатных процессов. Поэтому КПД цикла, осуществляемого в реальных двигателях, всегда меньше, чем КПД цикла Карно.