Реферат: Роль термодинамики в современной физике

Таким образом, концепции классической Термодинамики описывают состояния теплового равновесия и равновесные (протекающие бесконечно медленно, поэтому время в основные уравнения не входит) процессы. Термодинамика неравновесных процессов возникает позднее - в 30-х гг. ХХ века. В ней состояние системы определяется через плотность, давление, температуру и другие локальные термодинамические параметры, которые рассматриваются как функции координат и времени. Уравнения неравновесной термодинамики описывают состояние системы во времени.

ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ

Паровая машина. Первые практически действующие универсальные паровые машины были созданы русским изобретателем Иваном Ивановичем Ползуновым и англичанином Джемсом Уаттом.

В машине Ползунова из котла по трубам пар с давлением, немного превышающим атмосферное, поступал поочередно в два цилиндра с поршнями. Для улучшения уплотнения поршни заливались водой. Посредством тяг с цепями движение поршней передавалось мехам для трех ме­деплавильных печей.

Постройка машины Ползунова была закончена в августе 1766 г. Она имела высоту 11 м, емкость котла 7 м³ , высоту цилиндров 2,8 м, мощность 29 кВт.

Машина Ползунова создавала непрерывное усилие и была первой универсальной машиной, кото­рую можно было применять для приведения в движение любых заводских механизмов.

В паровой машине Д. Уатта два цилиндра были заменены од­ним закрытым. Пар поступал по­переменно по обе стороны порш­ня, толкая его то в одну, то в дру­гую сторону. В такой машине двойного действия отработавший пар конденсировался не в цилин­дре, а в отдельном от него сосу­де — конденсаторе. Постоянство числа оборотов маховика поддер­живалось центробежным регуля­тором. Разработка парового двигателя была завершена Д. Уаттом в 1784 г.

Главным недостатком первых паровых машин был низкий КПД. У паровозов КПД не превы­шал 9%.

Паровая турбина и ТЭЦ. Зна­чительного повышения КПД уда­лось достигнуть в результате изобретения паровой турбины.

Первая паровая турбина, на­шедшая практическое примене­ние, была изготовлена шведским инженером Густавом Лавалем в 1889 г. Для работы паровой турбины за счет энергии, осво­бождаемой при сжигании камен­ного угля или мазута, вода в кот­ле нагревается и превращается в пар. Пар нагревается до темпе­ратуры более 500 °С и при вы­соком давлении выпускается из котла через сопло. При выхо­де пара внутренняя энергия нагретого пара преобразуется в кинетическую энергию струи па­ра. Скорость струи пара может достигнуть 1000 м/с. Струя пара направляется на лопатки турби­ны и приводит турбину во вра­щение. На одном валу с турбиной находится ротор электрического генератора. Таким образом энер­гия топлива в конечном счете преобразуется в электрическую энергию.

Современные паровые турби­ны обладают высоким КПД пре­образования кинетической энер­гии струи пара в механическую энергию, превышающим 90%. Поэтому электрические генерато­ры практически всех тепловых и атомных электростанций мира, дающие более 80% всей выра­батываемой электроэнергии, при­водятся в действие паровыми турбинами.

Температура пара, применяе­мого в современных паротурбин­ных установках, не превышает 580 °С (температура нагревателя Т1=853 К), а температура пара на выходе из турбины обычно не ниже 30 °С (температура холо­дильника Т2=303 К); поэтому максимальное значение КПД па­ротурбинной установки как теп­ловой машины равно:

а реальные значения КПД паро­турбинных конденсационных электростанций составляют лишь око­ло 40%.

Мощность современных энер­гоблоков котел — турбина — ге­нератор достигает 1,2*10⁶ кВт.

Для повышения КПД на мно­гих электростанциях тепло, от­бираемое от паровой турбины, используется для нагревания во­ды. Горячая вода поступает в систему бытового и промышлен­ного теплоснабжения.

Коэффициент полезного ис­пользования топлива в такой теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) повы­шается до 60—70%.

Тепловые машины и транс­порт. Различные виды тепловых машин являются основой совре­менного транспорта. Тепловые машины приводят в движение ав­томобили и тепловозы, речные и морские корабли, самолеты и кос­мические ракеты. Одной из наи­более распространенных тепло­вых машин, используемых в раз­личных транспортных средст­вах, является двигатель внут­реннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгора­ния. Среди способов увеличения КПД тепловых двигателей один оказался особенно эффективным. Сущность его состояла в устране­нии части потерь теплоты пере­несением места сжигания топлива и нагревания рабочего тела внутрь цилиндра.

Отсюда и происхождение на­звания — «двигатель внутренне­го сгорания».

Первый двигатель внутрен­него сгорания был создан в 1860 г. Французским инженером Этье-ном Ленуаром, но эта машина была еще весьма несовершенной.

В 1862 г. французский изобретатель Бо де Роша предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл: 1) всасывание; 2) сжа­тие; 3) горение и расширение; 4) выхлоп. Эта идея была исполь­зована немецким изобретателей Н. Отто, построившим в 1878 г. первый четырехтактный газовый двигатель внутреннего сгорания. КПД этого двигателя достигал 22%, что превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех предшествующих типов.

Развитие нефтяной промыш­ленности в конце XIX в. дало новые виды топлива — керосин и бензин. В бензиновом двигателе для более полного сгорания топлива перед впуском в цилиндр его смешивают с воздухом в специальных смесителях, называемых карбюраторами. Воздушно- бензиновую смесь называют горючей смесью.

Для полного сгорания в составе смеси на один килограмм бензина должно приходиться не менее пятнадцати килограммов воздуха. Это означает, что рабочим телом в двигателях внутреннего сгорания фактически является воздух, а не пары бензина. В отличие от паровых машин здесь топливо сжигается для нагревания газа, а не для превращения жидкости в пар. Правда, наряду с нагреванием воздуха происходит и частичное изменение его состава: вместо молекул кислорода появляется несколько большее количество молекул углекислого газа и водяного пара. Азот, составляющий более ¾ воздуха, испытывает лишь нагревание.

Впуск Сжатие Рабочий ход Выхлоп

Рис. 1

При движении поршня от верхнего положения до нижнего через выпускной клапан происходит засасывание горучей смеси в цилиндр (рис.1). Этот процесс происходит при постоянном давлении. При обратном ходе поршня начинается сжатие горю­чей смеси. Сжатие происходит быстро, и поэтому процесс близок к адиабатическому.

В конце такта сжатия проис­ходит воспламенение горючей смеси электрической искрой. Быс­трое сгорание паров бензина со­провождается передачей рабо­чему телу — воздуху — количе­ства тепла, резким возраста­нием температуры, давления воз­духа и продуктов сгорания. За короткое время горения смеси поршень практически не изменяет своего положения в цилиндре, поэтому процесс нагревания газа в цилиндре можно считать изохорическим.