Работа газа в тепловые машины — понимание принципов и решение главных задач

Тепловые машины широко используются в промышленности и быту и выполняют ряд важных функций. Одной из ключевых задач таких машин является превращение теплоты, получаемой от источника, в работу. Работа газа внутри машины имеет свои принципы и особенности, которые определяют эффективность и энергетическую потребность таких устройств. В этой статье мы рассмотрим основные аспекты работы газа в тепловых машинах и важные вопросы, связанные с этим процессом.

Ключевым понятием при рассмотрении работы газа в тепловых машинах является получение работы газом при изменении его объема и давления. Закон сохранения энергии позволяет нам определить количество работы, которую может выполнить газ. Согласно этому закону, работа, совершаемая газом, равна разности между начальной и конечной энергией газа.

Если рассматривать работу газа на примере двигателя Холодильника-Карно, то работа, которую газ получает при сжатии, является положительной и равна разности начальной и конечной энергии газа. Работа газа на этапе расширения, когда происходит охлаждение, является отрицательной, так как газ отдает свою энергию в виде работы, генерируемой машиной.

Влияние газа на работу тепловых машин

В коодинатах рисунка рассмотрим процесс, осуществляемый рабочей средой внутри тепловой машины. Допустим, что исследуемое вещество находится в состоянии 1 и 2 в условии, что внутри машины цикл совершается газом, работающим по уравнениям изобары. Таким образом, исходное и конечное состояния тела можно обозначить соответственно точками 1 и 2.

Рассмотрим процесс протекания работы, совершаемый газом, внутри машины. Площадь участка графика, обозначенного штриховкой, показывает работу, совершаемую газом в процессе действия. Видно, что площадь этого участка графика меньше, чем участок, обозначенный закрашиванием, что говорит в пользу того, что газ в этот момент времени совершает работу. Обычно газ в тепловых машинах совершает работу в процессе нагревания и расширения.

Работа газа, получаемая тепловой машиной, может быть найдена с использованием формулы:

$$Р_{раб} = \int_{V_1}^{V_2} PdV$$

где $$Р_{раб}$$ — работа, совершаемая газом в процессе нагревания и расширения, $V_1$ и $V_2$ — объемы газа в начальном и конечном состояниях соответственно, а $P$ — давление газа.

Тепловая машина обычно является движущейся частью, поэтому ее работа в процессе совершается за счет получения тепла от нагревателя и его передачи охлаждаемому телу. Давайте найдем количество работы, которое совершает тепловая машина, охлаждаемая газом, исходя из условия, что она работает как холодильник.

Работа холодильника, равная работе, совершаемой в процессе нагревания и расширения, может быть найдена с помощью формулы:

$$Р_{раб} = \int_{V_2}^{V_1} PdV$$

где $V_2$ и $V_1$ — объемы газа в конечном и начальном состояниях соответственно, а $P$ — давление газа.

Таким образом, работающая тепловая машина, движущаяся часть которой охлаждается газом, может быть найдена как разность работ, совершаемых газом при нагревании и расширении. Величина работы, совершаемая газом, также зависит от вида процесса, который происходит внутри машины. Работа газа в этом случае является совершенно аналогичной работе, совершаемой газом в процессе нагревания и расширения.

Итак, в данной статье мы рассмотрели влияние газа на работу тепловых машин. Работа, получаемая машиной, зависит от процесса работы и может быть найдена с использованием уравнений изобары. Работа газа в тепловых машинах совершается в процессе нагревания и расширения, и может быть использована как для выполнения работы, так и для охлаждения.

Роль газа в тепловом процессе

В тепловых машинах газ выполняет ключевую роль, обеспечивая совершение работы и преобразование энергии. Рассмотрим роль газа в тепловом процессе более подробно.

Работа газа в системе из двух состояний

Под газом здесь понимается вещество, состоящее из атомов или молекул и находящееся в газообразном состоянии. Тепловой процесс в тепловых машинах состоит из двух основных этапов: изохорного нагрева и изобарного расширения.

На рисунке видно, что в начальном состоянии газ находится в сосуде под поршнем, разделенным на две части границей. В процессе изохорного нагрева газ нагревается с помощью нагревателя, в результате чего его температура изменяется без изменения объема. Далее, при изобарном расширении, газ совершает работу, расширяясь и сдвигая поршень, а теплота отдается окружающей среде. Эти два этапа составляют один цикл теплового процесса.

Работа газа в тепловой машине

Работа газа в тепловой машине будет равна изменению его внутренней энергии. Поэтому, с помощью формулы найдем количество работы, которое совершает газ в тепловой машине.

Работа газа (W) равна произведению изменения его внутренней энергии (ΔU) на коэффициент (K), который зависит от условий процесса.

W = ΔU * K

Возьмем, например, карноцикл, который состоит из двух идеальных процессов: изохории и изобары. Если обозначим объем газа в начальном состоянии через V1, а в конечном состоянии — через V2, то изменение внутренней энергии газа можно выразить следующим соотношением:

ΔU = C * (T2 — T1)

Здесь C — удельная теплоемкость газа при постоянном объеме. В идеальном процессе ΔU равна работе газа, то есть:

ΔU = W = C * (T2 — T1)

Таким образом, можно сказать, что работа газа в тепловой машине равна изменению его внутренней энергии и может быть найдена с помощью соответствующих формул.

Задачи газа в тепловых машинах

Если газ подчиняется уравнению состояния вещества, то его объем изменяется линейно с изменением давления. Поэтому, если известна площадь, которую газ занимает на графике процесса, то можно найти объем газа, зная коэффициент пропорциональности, который зависит от характера вещества и условий процесса.

Для газа, работающего в цикле, обычно характерно то, что объем газа получает и теряет энергию в разных участках цикла. Количество теплоты, полученное газом, соответствует площади, заключенной под графиком процесса на PV-диаграмме. Поэтому, зная площади под графиком на разных участках цикла, можно найти количество энергии, которую получает или отдает газ.

Для работы тепловой машины необходимо, чтобы газ был заключен внутри объемом, ограниченным поршнеобразным сосудом, который обозначим как двух-тактный двигатель-цикл. Если газ охлаждается до определенной температуры, то его объем изменяется в соответствии с уравнением состояния вещества. Значит, газ работает внутри сосуда, выполняя механическую работу. Найдем эту работу, зная изменение объема и переменные давления.

Машина, которая работает в качестве холодильника, характеризуется тем, что процесс происходит в обратном направлении. Тепло отдается газу от холодильника и при этом газ выполняет работу. Количество энергии, которое получает газ, равно площади, заключенной под графиком процесса на PV-диаграмме. Поэтому, зная площади под графиком на разных участках цикла, можно найти количество энергии, которую получает газ, работающий в качестве холодильника.

Также газ выполняет работу в виде совершенной газообразной машины Карно. Совершенная газообразная машина Карно представляет собой цикл, состоящий из двух изохор и двух изобар. В такой машине процесс идет при постоянном объеме и постоянном давлении.

Согласно первому закону термодинамики о сохранении энергии, работа, совершаемая газом в течение цикла, равна изменению его внутренней энергии. Найдем эту работу, зная изменение объема и переменные давления.

Из рисунка видно, что при движении поршня от точки 1 к точке 2 газ сжимается, а его объем уменьшается. Таким образом, газ совершает работу на участке 1-2. Обозначим эту работу через W₁₂.

На участке 2-3 газ нагревается при постоянном давлении, что соответствует изобарному процессу. Площадь, заключенная под графиком процесса на этом участке, будет равна изменению теплоты газа (Q₂₃).

На участке 3-4 газ расширяется, а его объем увеличивается. Газ совершает работу на этом участке, которую обозначим как W₃₄.

На участке 4-1 газ охлаждается при постоянном давлении (изобарный процесс) и снова занимает начальный объем. Это соответствует изменению теплоты газа (Q₄₁).

Из совместного использования уравнений состояния вещества и энергии можно найти работу газа в каждом цикле, подставляя соответствующие значения и решая полученные уравнения.

Таким образом, задачи газа в тепловых машинах включают нахождение работы, которую газ совершает, и изменения объема, которые происходят в процессе работы машины. Зная эти значения, можно оценить эффективность работы машины.

Передача тепла от газа к рабочему телу

Пусть газ в холодильнике работает по циклу Карно, который состоит из двух изобарных и двух изохорных процессов. На рисунке этот цикл обозначен графиком, где горизонтальная ось — объем, вертикальная ось — давление.

Изначально в холодильнике газ находится в состоянии А. Объем газа, занимаемый им, обозначим VА, а давление газа в этом состоянии — РА.

На первой стадии цикла газ нагревается при постоянном объеме В1 до состояния В. В этом процессе газ поглощает количество теплоты Q1 от нагревателя.

На втором этапе происходит расширение газа при постоянном давлении PВ до состояния С. В этом процессе газ совершает работу W12 и отдает тепло рабочему телу (воде). Объем газа на этом этапе обозначим VС.

На третьем этапе газ охлаждается при постоянном объеме V2 до состояния D. При этом газ отдает количество теплоты Q2 холодильнику.

Наконец, на последнем этапе газ сжимается при постоянном давлении РВ до начального состояния А. В этом процессе газ совершает работу W34 и поглощает количество теплоты Q3 от рабочего тела (воды). Этот этап завершает цикл Карно.

Теплота, переданная от горячего нагревателя к газу, равна Q1 — Q2, а работа, совершенная газом, равна W12 — W34. Согласно принципу сохранения энергии, это количество теплоты и работа должны быть равными. Тогда, подставляя найденные величины, можно установить соотношения между ними.

Исходя из условия изобарности первого и третьего процессов, можно представить полезную работу газа, совершаемую в цикле Карно, в виде разности количества теплоты, которое газ получает и отдает на протяжении цикла:

Количество теплоты (кДж/кг)	Работа газа (кДж/кг)
Q1 — Q2	W12 — W34

Зная, что работа газа равна разности количеств теплоты, можно записать:

Q1 — Q2 = Q3 — Q4

Следовательно, количество теплоты, получаемое рабочим телом (водой) в процессе охлаждения, равно Q3 — Q4.

Для определения количества теплоты используется формула:

Q = m * c * ΔT

где Q — количество теплоты (кДж), m — масса вещества (кг), c — удельная теплоемкость вещества (кДж/кг·°С), ΔT — изменение температуры (°С).

Таким образом, тепло, получаемое рабочим телом (водой) при охлаждении, можно определить, зная массу и удельную теплоемкость воды, а также разницу температур во время процесса охлаждения.

Преобразование энергии газа в механическую работу

1. Расширение газа внутри рабочей машины. При этом происходит совершение работы газом за счет его расширения и смещения поршня в определенном направлении. На рисунке показано расширение газа в поршневом цилиндре, где газ охлаждается и занимает больший объем. Работа газа на этом этапе процесса связана с изменением его внутренней энергии и может быть найдена по следующему соотношению:

Работа = -Постоянная × Изменение объема газа

где постоянная равна давлению газа и изменение объема газа связано с перемещением поршня.

2. Сжатие газа. После завершения работы на первом этапе процесса газ снова сжимается и возвращается в исходное состояние. Работа газа при сжатии может быть найдена по тому же соотношению, но с обратным знаком.

Тепловая машина работает в цикле, что означает, что после совершения работы газ возвращается в исходное состояние и цикл повторяется снова. В зависимости от процесса цикла, машина может работать по разным принципам, таким как цикл Карно, изобарный цикл или цикл изменения объема газа.

Энергия, получаемая на каждом этапе цикла, связана с избыточной теплотой, которая поступает в машину от нагревателя, и потерями тепла, которые происходят во время охлаждения газа, например, в холодильнике. Разница между полученной энергией и потерями тепла равна совершаемой машиной работе.

Таким образом, чтобы эффективно преобразовать энергию газа в механическую работу, тепловая машина должна работать по определенным условиям и следовать правилу сохранения энергии.

Понижение температуры газа с целью повторного использования

Для достижения этой цели используется принцип совершения работы газом. Работа газа является совершенной, если на каждом этапе процесса газовое вещество работает и находится в состоянии, подставляя в уравнения соответствующие условия.

Для понижения температуры газа при использовании тепловых машин часто используется холодильник. На этапе нагревателя газ под действием тепла, получаемого от другого сосуда, охлаждаемого газом, совершает работу. При этом площадь, заключенная под графиком изменения давления газа, равна работе, совершаемой газом в этом процессе.

Если тепловая машина работает в цикле, то энергия, получаемая от газа на нагревателе, равна энергии, поглощаемой газом в холодильной машине.

Для совершения работы газом на нагревателе, его температуру нужно поднять, а на холодильнике газ охладить.

В связи с этим есть несколько ключевых задач при понижении температуры газа с целью повторного использования:

1. Сохранение работы газа на нагревателе.

Температура газа на нагревателе должна быть выше температуры газа на холодильнике, чтобы работа газа на нагревателе была больше работы газа на холодильнике.

2. Совершение совершенного цикла.

Цикл работы тепловой машины должен быть совершенным, чтобы количество работы, совершаемой газом, было максимальным.

3. Соблюдение условий теплового равновесия.

Чтобы газ совершал работу на нагревателе и холодильнике, необходимо соблюдать условия теплового равновесия между газом и сосудом.

Таким образом, понижение температуры газа с целью повторного использования связано с действиями по сохранению работы газа, совершению совершенного цикла и соблюдению условий теплового равновесия. При этом количество работы, совершаемой газом, зависит от графика изменения давления газа, который можно найти, подставив соответствующие условия в уравнения состояния газа.

Основные принципы работы газа в тепловых машинах

Одной из задач при исследовании работы газа является нахождение работы, совершаемой газом в тепловой машине. Для этого применяют различные методы, одним из которых является графический метод, основанный на штриховкой процесса.

Для получения работы газа в условиях изобарного процесса, необходимо найти площадь под графиком на рисунке изобарного процесса. Эта площадь является объемом, который совершенная газом работа равна получила в процессе нагревателя, выраженного в кДж/кг и обозначим его как А. Таким образом, разность теплоты, полученной газом в нагревателе, и работы газа равно подставляя себя давлением рамки газа в единичном объеме, обозначим ее как Н.

Если задать количество теплоты, получаемое в виде уравнения состояния газа, то изобарный процесс будет идти вдоль горизонтальной линии, а площадь под этим процессом будет равна полученной теплоте.

Другим принципом работы газа в тепловых машинах является применение циклов Карно. Цикл Карно — это такой тепловой цикл, при котором работа, совершаемая газом, максимальна, а выделяемое в процессе работы тепло минимально в условиях заданного набора рабочих веществ. Работа газа в цикле Карно зависит от изменения объема газа на каждом этапе цикла и площади, которую занимает процесс на рисунке работая. Давление газа также меняется от определенного значения на каждом этапе цикла.

Тепловые машины могут быть совершенными, если они работают по циклу Карно. В таких машинах работа газа совершается без потери энергии, поэтому она достигает максимальной энергии на каждом этапе цикла.

Таким образом, основные принципы работы газа в тепловых машинах включают в себя нахождение работы, совершаемой газом, и применение циклов Карно. Нахождение работы зависит от площади, которую занимает график на рисунке работая, а применение циклов Карно позволяет достичь максимальной энергии на каждом этапе цикла.

Принцип работы двигателей внутреннего сгорания

Цикл работы двигателей внутреннего сгорания

Цикл работы двигателей внутреннего сгорания обычно состоит из двух основных этапов — сжатия и расширения газа.

На первом этапе газ, находящийся в цилиндре двигателя, сжимается поршнем в состояние максимального сжатия. В этот момент топливо впрыскивается в сосуд, затем происходит воспламенение и сгорание топлива, при этом газ расширяется и поршень двигается вниз, совершая полезную работу.

Для охлаждения двигателя используется система охлаждения с водой или воздухом, поэтому вторым этапом является отвод тепла от нагревателя, чтобы газ снова переходил во впускной составляющий движущейся перед поршнем.

Работа двигателя внутреннего сгорания

Работа, совершенная двигателем внутреннего сгорания, может быть найдена с помощью графика давления в цилиндре двигателя.

Площадь, ограниченная графиком давления внутри цилиндра и осью давления (p-V), обозначим как А. Давление в цилиндре зависит от объема газа внутри сосуда и увеличивается при сжатии и уменьшается при расширении газа. Поэтому работа двигателя внутреннего сгорания можно выразить как совершенную изменением давления и объема газа в цилиндре.

Таким образом, работа равна площади, заключенной между графиком давления и осью объема, обозначенной как W:

W = площадь графика p-V

Цикл Карно

Также существует цикл Карно, который является идеальным тепловым циклом. Он состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов.

В цикле Карно рабочая среда получает тепло от горячего нагревателя во время изотермического расширения, а затем отдает тепло холодильнику во время изотермического сжатия. В результате такого цикла получается максимальная работа и высокая эффективность.

Цикл Карно можно представить в виде графика давления и объема (p-V), где площадь, ограниченная графиком, соответствует совершенной работе цикла.

Согласно правилу сохранения энергии, количество работы, совершенной тепловой машиной, равно теплоте, полученной машиной минус теплоте, переданной машине:

работа = полученная теплота — отданная теплота

Поэтому работа двигателя внутреннего сгорания или цикла Карно может быть найдена путем вычисления разности теплоты, полученной и переданной машине.

Вообще, работа двигателя внутреннего сгорания зависит от многих факторов, включая давление, объем, состав газа и условия работы.

Таким образом, принцип работы двигателей внутреннего сгорания заключается в преобразовании энергии горения в механическую работу. Это осуществляется за счет циклического процесса, который состоит из сжатия и расширения газа с совершением полезной работы.

Принцип работы паровых машин

Первый этап — это процесс нагрева рабочего вещества. В паровой машине в котле подводится тепло, которое приводит к повышению температуры и давления воды. В результате этого происходит изменение объема и температуры рабочего вещества.

На следующем этапе, под действием высокого давления, водяной пар расширяется, совершая работу. Расширение пара происходит в цилиндре, где находится поршень. При расширении пара, поршень совершает механическую работу и движется вниз.

Дальше следует этап выхода отработанного рабочего вещества. На этом этапе пар отводится из цилиндра в конденсатор, где происходит его охлаждение и конденсация обратно в воду.

И, наконец, последний этап — этап подачи рабочего вещества обратно в котел, где оно снова нагревается.

На рисунке представлен график, иллюстрирующий изменение давления и объема рабочего вещества в ходе работы паровой машины. Площадь под этим графиком соответствует работе, совершенной паром.

Важно отметить, что паровая машина не является совершенной, и ее эффективность ограничена. Поэтому был предложен идеальный тепловой двигатель — машина Карно, которая работает по особому циклу и является максимально эффективной при заданных условиях.

Итак, принцип работы паровой машины заключается в преобразовании теплоты в механическую работу с помощью рабочего вещества — пара. Различные этапы работы машины связаны с изменением объема, давления и температуры рабочего вещества. Изменение объема сопровождается совершением работы, которая выражается площадью под соответствующим графиком.

Видео:

Как опознать правильный котел.Техникум Марка Солонина

Как опознать правильный котел.Техникум Марка Солонина by Mark Solonin 155,512 views 1 year ago 50 minutes