|
|
Немного о тепловых машинах.
Есть существенная разница между энергией, так сказать, вполне упорядоченной (механическая энергия - кинетическая, энергия тела, поднятого над землей, энергия деформации - у сжатой пружины и т.п., энергия электрического или магнитного поля и многое другое) и энергией хаотического движения молекул - последнее имеет прямое отношение к "теплу". Электрическую энергию можно перевести в механическую практически полностью - достаточно снизить трение, убрать другие источники потерь, во всяком случае, принципиальных ограничений тут нет. Механическую (электрическую и т.д.) энергию можно практически полностью перевести в тепло (тут даже и трудиться особенно не надо). Принципиальная разница заключается в том, что полный обратный переход сделать невозможно. Немного уточним последнее утверждение: в таком виде, как оно написано, оно неверно (!). На вопрос: " Существует ли такой процесс с идеальным газом, при котором все тепло, получаемое газом извне, переходит в механическую работу ?" большинство обученных ребят (и студентов тоже, и не только студентов - тоже..) радостно отвечает: " Не существует, потому, что второе начало термодинамики...". Такой процесс существует, все про него знают - он называется изотермическим и в этом процессе как раз совершаемая газом работа... . Как же нужно задавать вопрос, чтобы данный ранее ответ "НЕ БЫВАЕТ!" оказался верным? Нужно спросить про ЦИКЛИЧЕСКИЙ процесс, а не просто про процесс. В самом деле, невозможно сделать именно такое устройство, которое работая циклически, может получать энергию от нагретого тела, совершая при этом механическую работу и не нагревая при этом никаких других тел. Именно такого устройства (т.н. вечного двигателя второго рода) нам всем очень не хватает, чтобы обустроить Россию. Кстати, среди физиков есть противники справедливости второго начала термодинамики, считающие, что такого закона природы нет, и изобретающие устройства для "концентрации рассеянной энергии", некоторые из них имеют ученые степени и звания, а журнал "Техника молодежи" неоднократно себя позорил публикациями на эту тему (я имею в виду грубые ошибки в изобретенных и описанных устройствах, а не сугубо научные принципы вообще). Есть и учебники для университетов, напрочь отрицающие второе начало термодинамики (см., например, А.Вейник "Термодинамика", Минск - потрясающая книга, между прочим). В общем, не простое дело - это второе начало.
Практический интерес придает тепловым машинам то, что там мы имеем дело с огромными энергиями - грамм нефти при сгорании выделяет примерно 40 кДж тепла - если преобразовать эту энергию в механическую работу даже с плохим коэффициентом полезного действия, и то получится полезная вещь. Поэтому нахождение разумных способов такого преобразования оказывается весьма важной задачей.
Итак, сформулируем задачу: имея два «тепловых резервуара» - нагретое тело (нагреватель) и холодное (холодильник) мы будем участвовать в процессе перекачки тепла от горячего к холодному, и часть перетекающей энергии постараемся перевести в механическую работу, причем попробуем максимально эту часть увеличить (тут напрашиваются аналогии из области экономики- посреднические услуги щедро оплачиваются не только там). Итак, как же построить оптимальный цикл? Нас совершенно не устраивает прямая теплопередача - при ней тепло перетекает от горячего тела к холодному без совершения механической работы. Рассуждаем просто - эту просто так перетекшую энергию мы могли перенести порциями, при помощи рабочего тела - и часть этой энергии перевести в работу. Прямую теплопередачу можно исключить только одним способом - если в тепловой контакт приводить только тела с одинаковой температурой! Но как в этом случае можно заставить тепло перетекать, причем именно туда, куда нам нужно? Или - как получить тепло в изотермическом процессе и как в таком процессе тепло отдать?
Пусть в сосуде под поршнем находится порция газа. На поршне лежат маленькие гирьки - чтобы можно было плавно менять давление в сосуде, а сосуд сделан так, чтобы легко можно было передавать тепло наружу или получать его (тонкие металлические стенки, если надо - с металлическими ребрами для улучшения теплопередачи). Пусть газ находится в равновесии с окружающей средой - равны наружная и внутренняя температуры, поршень находится в механическом равновесии. Снимем маленькую гирьку. Теперь поршень начнет сдвигаться вверх, увеличивая объем сосуда с газом. Газ сразу начнет охлаждаться, а теперь, когда его температура немного меньше, чем снаружи, тепло потечет именно снаружи внутрь. Если поршень едет совсем медленно, а теплопроводность стенок велика, то температурный баланс нарушится совсем немного - а мы еще снимем гирьку, и т.д. Газ при этом будет расширяться почти по изотермическому закону, полученное снаружи тепло полностью переходит в работу. Ясно, как заставить газ отдавать тепло изотермически (ну, почти изотермически) - нужно добавлять гирьки.
Но из одних изотерм тепловой цикл не построить. Между изотермами газ нужно переводить без теплообмена с окружающей средой - такой процесс называют адиабатическим. Его можно проводить практически так же, но сделав сосуд теплоизолированным - опять снимаем маленькие гирьки, но теперь газ при расширении будет охлаждаться - он совершает работу за счет своей внутренней энергии. Вот так и получается известный цикл Карно, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Никакого другого обратимого цикла нельзя придумать, если в Вашем распоряжении только два тепловых резервуара - нагреватель и холодильник. Вот если есть множество таких тел-резервуаров, с различными температурами - тогда можно провести практически любой цикл и сделать его обратимым.
Почему же такой хороший цикл, у которого максимально возможный к.п.д. никто на практике не использует (циклы Отто, Дизеля и другие очень далеки от цикла Карно)? Дело в том, что на практике нужно в первую очередь решать не задачу повышения к.п.д. (тоже очень важную, конечно), а повышать мощность двигателя, уменьшать его размеры и вес и т.п. А цикл Карно в этом деле совсем плох - тепло при малых разностях температур перетекает медленно, если с этим смириться, то получится маленькая мощность (работа за единицу времени), а если улучшать тепловой контакт, то нужно увеличивать размеры цилиндра - тоже плохо, да и вес при этом растет. В общем, на практике важны не совсем те свойства двигателя, которые изучает школьная термодинамика.
И немного об обращенном (его еще называют "холодильным") тепловом цикле. Если тепловой двигатель использует обратимые процессы, составляющие цикл его работы, то можно пустить все в обратном направлении - там, где в прямом процессе газ получал тепло и совершал работу, теперь все наоборот - работу совершают над ним, а тепло он отдает. Если процесс обратимый, то все количественные соотношения между энергиями остаются в силе, меняются только знаки. Зачем может понадобиться обращенный цикл? Ответ известен - его используют для того, чтобы передать тепло от холодного тела к горячему (само оно не переходит - только в обратном направлении), для этого нужно производить работу. Кроме того, интересна возможность "динамического отопления", предложенного знаменитым Томсоном примерно 100 лет тому назад (см. задачу 5).
Все же остается не совсем понятным, как именно тепло от холодного тела переходит к горячему - конечно, второе начало термодинамики и все такое, но все же - как именно совершенно неграмотный и не знающий этого второго начала пельмень охлаждается в бытовом холодильнике? Конечно же, он отдает тепло, как и полагается - более холодному телу, в холодильнике должно быть такое тело, температура которого ниже, чем у любого из пельменей. А для того, чтобы отдавать тепло в комнату, у холодильника непременно должна быть часть, температура которой выше, чем температура комнаты. Где находятся эти холодные и горячие части? Горячая - сзади, называется она "радиатор", холодная - конечно же, внутри, это морозильный отсек. И роль электродвигателя, клапанов, трубочек и сосудов с фреоном и прочими веществами как раз в том и состоит, чтобы наличие холодных и горячих частей обеспечить. А.Р.Зильберман
Источник: http://www.propaganda.sch2.net/10fm-term2.htm |
Категория: Cтатьи | Добавил: ololiv (08.11.2007)
| Автор: Зильберман Александр Рафаилович 
|
| Просмотров: 829
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
| Статистика |
Онлайн всего: 3 Гостей: 3 Пользователей: 0 |
|
