Краткий курс теплотехники

Размещено на http://www.allbest.ru/

КРАТКИЙ КУРС ТЕПЛОТЕХНИКИ

Термодинамика и теплопередача

Н. Г. Фаталиев

А. Я. Алиев

М.М. Аливагабов

Махачкала 2010г

УДК 621.184.64.

ББК 31.36.

Фаталиев Н.Г., Алиев А.Я., Аливагабов М.М.

Краткий курс теплотехники: Термодинамика и теплопередача. Учебное пособие.: - Махачкала, 2009. - 133 с.

В учебном пособии рассмотрены основные положения технической термодинамики и теплопередачи, энергетические и экологические проблемы использования теплоты в автотранспортном комплексе:

- термодинамика (идеальный газ и уравнение состояния, внутренняя энергия, теплоемкость, энтальпия, энтропия, термодинамические процессы, основные законы термодинамики, термодинамические циклы автомобильных двигателей, прямые и обратные циклы, паросиловые установки и компрессоры, истечение газов и паров);

- теплопередача и теплопроводность (конвективный и лучистый теплообмен и др.).

В учебном пособии нашли широкое освящение: уравнения Клапейрона-Менделеева, Ван-дер-Вальса; законы Бойля-Мариотта, Шарля, Гей-Люссака; первый, второй и третий законы термодинамики; циклы Сади Карно, Н. Отто, Р. Дизеля, Сабатэ-Тринклера, Р. Стирлинга; дросселирование и эжектирование; теплопроводность при стационарном и не стационарном потоке теплоты; теплообмен излучением; тепловой и гидравлический расчет теплообменников. и другие положения.

Учебное пособие также может быть использовано работниками, занятыми эксплуатацией автомобильного транспорта и автосервисом.

Печатается по решению Методического Совета Даггоссельхозакадемии (протокол № 8 от 21.04.2010 г.) Для внутривузовского пользования.

Фаталиев и др., 2010

ФГОУ ВПО Даггоссельхозакадемия

Введение

Теплотехника - наука, изучающая процессы получения, переноса и использования тепла. Тепло в настоящее время используется практически во всех технических устройствах, технологических процессах и энергетических установках. Теплотехника как наука сформировалась в начале XIX века, в период промышленной и технической революции, когда был изобретен и начал активно использоваться новый источник энергии - тепловой двигатель.

Термодинамика - наука, изучающая процессы преобразования энергии. Термодинамика опирается на фундаментальные законы природы, главным из которых являются закон сохранения и превращения энергии.

Термодинамика отрасль теплотехники, занимающаяся превращением теплоты в работу возникла на основе закона сохранения и превращения энергии и трудов Сади Карно, в которых еще в 1824г. раскрыты основные положения второго начала термодинамики. В своих трудах Карно:

- разработал теорию замкнутых круговых процессов;

- обосновал возможность непрерывно возобновляемого превращения тепловой энергии в механическую;

- определил необходимые условия для создания теплового двигателя; - доказал невозможность полного превращения тепла в работу;

- открыл цикл с максимальным превращением тепла в работу;

- установил, что превращение тепловой энергии в механическую работу должно осуществляться с помощью упругого промежуточного газообразного тела, в последствии названное рабочим телом.

Все материальные тела обладают запасом энергии и находятся во взаимодействии друг с другом, характерным взаимным обменом энергией. Тело, или совокупность тел, составляет термодинамическую систему. Все, что не входит в термодинамическую систему, называется окружающей средой. Термодинамическая система и окружающая среда могут взаимодействовать: закрытая - обменом энергии и открытая - массовым обменом. Причиной обмена энергией является наличие разности температуры окружающей среды и термодинамической системы. Этот процесс называется термообменом, а энергия, пересекающая границу системы, - теплотой.

При механическом взаимодействии системы с окружающей средой энергия, пересекающая границу системы, называется работой.

Тепловая энергия обусловлена беспорядочным движением молекул рабочего тела, а механическая энергия - перемещением и взаимодействием микроскопических тел в пространстве в определенном упорядоченном направлении - в этом состоит принципиальное отличие обоих форм энергии.

Преобразование хаотического движения молекул (теплоты) в направленное движение частиц (работу) можно осуществить только в процессе расширения рабочего тела. В процессе сжатия рабочего тела можно осуществить обратное преобразование энергии. Рабочее тело выступает в качестве посредника при преобразовании энергии. Из всех агрегатных состояний вещества свойством упругости и способностью существенно изменять объем обладает только газ и газовые смеси.

Изменение состояния рабочего тела, связанное с изменением хотя бы одного из его термодинамических параметров (температуры, давления и удельного объема), называется термодинамическим процессом. Термодинамический процесс называется обратным, если система и взаимодействующие с ней системы могут возвратиться в начальное состояние.

Термодинамический процесс, в результате которого рабочее тело возвращается в исходное состояние, называется термодинамическим циклом.

Все реальные процессы, вызывающие повышение температуры системы в целом, вследствие трения или имеющие теплообмен с окружающей средой через стенки и химические изменения в рабочем теле, являются необратимыми.

Основу автотранспортной энергетики составляют тепловые двигатели, преобразующие скрытую химическую энергию углеводородов моторных топлив в начале в тепловую энергию, а затем в механическую энергию привода ведущих колес автомобилей.

Тепловая энергия, преобразуемая в механическую для привода транспортных средств, в 5 раз превышает энергию, вырабатываемую всеми электростанциями. Поэтому решение проблемы рационального использования тепловой и технической энергии имеет огромное значение, может дать большой экономический эффект и позволит сэкономить природные топлива, запасы которых не беспредельны.

Отличие настоящего учебного пособия от существующих заключается в его полном соответствии Государственному образовательному Стандарту, учебному плану и программе дисциплины «Теплотехника» для специальностей 190601- «Автомобили и автомобильное хозяйство», 190603 - «Сервис на автомобильном транспорте», 240100 - «Автомобильные перевозки» и 240400 - «Организация и безопасность движения». Сравнительно узкая профессиональная направленность учебного пособия, его содержание и изложение, соответствующие уровню подготовки современного студента, позволили сделать его компактным и отвечающим задачам, поставленным высшим профессиональным образованием.

Раздел I. Основы термодинамики

Глава 1. Идеальный газ. Газовые смеси как рабочее тело. Параметры состояния рабочего тела. Уравнение состояния

1.1 Идеальный газ. Параметры состояния

В термодинамике при изучении общих законов, характеризующих эффективность использования теплоты, применительно к процессам, происходящим в автомобильных двигателях, в качестве рабочего тела рассматривается и идеальный газ, в котором отсутствуют силы межмолекулярного сцепления, а молекулы не имеют геометрических размеров. Такие допущения при изучении свойств газов, являющихся рабочим телом в автомобильных двигателях, не вносят заметных погрешностей в анализ изучаемых процессов, так как при их реализации, силы межмолекулярного сцепления действительно ничтожны и расстояния между молекулами значительно превышают их геометрические размеры.

Состояние газа характеризуется величинами, называемыми параметрами состояния. Основными параметрами состояния являются, абсолютная температура Т, К; удельный объем , м3/кг. и удельное давление Р, Па.

Температура характеризует тепловое состояние тела, обусловленное средней скоростью движения его молекул. Измерить среднюю скорость движения молекул не возможно и поэтому для определения степени нагретости тела пользуются косвенными методами: термометрами, термопарами и др. приборами для измерения температуры. Отчет температуры производят от выбранного теплового состояния вещества, условно принятого за нуль и поэтому цена одного градуса: 0С, 0F, К являются условной величиной.

Различают температуры в градусах: Цельсия (t,0С), Фаренгейта (tF,0F) и Кельвина (Т, К). Связь между температурными шкалами определяется следующими соотношениями:

Т = t+273,15; t = (tF - 32), 0С; tF = (1,8 t + 32), 0F.

Во всех термодинамических расчетах пользуются только абсолютной термодинамической температурой, а измерения производят в градусах Цельсия.

Объем, удельный объем и плотность.

Молекулярно-кинетическая теория устанавливает понятие занимаемого газом объема как пространства, в котором перемещаются его молекулы. Применительно к автомобильному двигателю, объем заключенного в его цилиндре газа:

- при положении поршня в Н.М.Т. - это объем данного газа равный полному объему цилиндра Vа;

- при положении поршня в В.М.Т. - это объём данного газа равный объему камеры сжатия Vс;

Объем заключений между мертвыми точками поршня - это объем данного газа равный рабочему объему цилиндра Vh.

Удельный объем газа х - физическая величина, определяемая отношением объема V газа к его массе m: х = V/m, м3/кг.

Плотность - величина, определяемая отношением массы к объему газа: = m/ V, кг/м3 или . Как плотность, так и удельный объем газа находятся в зависимости от температуры и давления. Поэтому следует всегда указывать температуру и давление, при которых определены плотность и удельный объём . Обычно ссылаются на нормальные условия под которыми подразумевают температура 273,15К или 00С и давление 1,013105Па.

Давление, удельное давление, разрежение.

Газ состоит из бесконечно большого количества молекул, которые находятся в хаотическом движении. В результате газ создает давление на стенки цилиндра, в котором он заключен. Давление газа прямо пропорционально средней кинетической энергии поступательного движения его молекул и числу молекул в единице объема.

Движение молекул в объеме не имеет преимущественного направления, и это приводит к тому, что газ создает равномерное давление на стенки цилиндра. Удельное давление газа измеряют силой давления газа на единицу поверхности. За единицу удельного давления (Па) принята сила в 1Н, равномерно распределенная и действующая по нормали на поверхность площадью 1м2, (Па = 104кг/м2 или дольные единицы).

Различают давление: абсолютное, избыточное, атмосферное, разреженное или вакуум. Давление, отсчитываемое от абсолютного вакуума, т.е. от нуля называется абсолютным, рабс.. Давление атмосферного воздуха действующая на каждое тело и любой предмет, находящийся на земной поверхности называется атмосферным, р0.

р0 = 1,013105Па = 1,033кг/см2 = 760мм.рт.ст. = 10,33 мм. вод. ст.

Давление, измеренное манометром рман., называется избыточным, так как отсчитывается от атмосферного давления р0, т.е. рабс.= р0+ рман. или рман.= рабс- р0 . Давление ниже атмосферного, измеренный вакуумметром называется разрежением или вакуумом, рвак.. Вакуум - это сильно разряженный газ. Это можно выразить как:

рабс.= р0+ рвак., или рвак.= р0 - рабс,. или р0 = рвак.+ рабс..

Атмосферное давление измеряют барометром металлическим - анероидом со шкалой градуированной в сантиметрах ртутного столба.

1.2 Газовые смеси как рабочее тело

Наиболее распространенным рабочим телом в автотранспортной энергетике являются смеси различных газов. Так, при реализации первой половины термодинамического цикла в автомобильном двигателе теплоносителем служат свежая топливовоздушная смесь и остаточные газы от предыдущего цикла, а во второй половине - продукты химической реакции топлива с кислородом воздуха, образующие при сгорании смеси газов: углекислого СО2, угарного СО, водяного пара Н2О, водорода Н2, кислорода О2, азота N2 и др.

Все виды природного топлива в газовой фазе является смесью нескольких газов, не вступающих между собой в химическое взаимодействие. Атмосферный воздух основной компонент рабочего тела является газовой смесью кислорода и азота, а также сухого влажного пара.

Состав газовой смеси можно задать: в долях по массе (q) и в долях по объему (r), в долях единицы или в процентах; концентрациями массовой в кг/м3 и молярной в кг/моль. Последнее, введено химиками в качестве индивидуальной единицы массы для отнесения результатов измерений к равному числу молекул. Пригодная только для отдельных веществ индивидуальная единица массы киломоль несколько раз больше узаконенной в физике единицы массы, кг.

Киломоль - это количество вещества в кг равное его молекулярной массе или мольному числу. Молекулярная масса или мольное число - отвлеченные числа равные отношению массы молекул вещества к одной 12-й части массы атома углерода, мольное число которого принято равным 12. Сначала для этих целей исходили из массы атома водорода, затем из массы атома кислорода - 116, а в настоящее время исходят из массы атома углерода - 12.

Замечательными свойствами киломоля являются:

1. При одинаковых температуре и давлении объем киломоля является постоянной для всех газов и при нормальных условиях (Т = 273,15 К и Р =1, 013105 Па) равна 22,4 м3;

2. При одинаковых температуре и давлении в равных объемах любых газов содержится одинаковое число молекул (закон Авогадро). В одном киломоле любых газов, занимающих объем 22,4 м3, содержится 6,0231026 молекул (число Авогадро).

Массовой долей i называют отношение массы данного газа - компонента газовой смеси Gi к массе смеси Gсм

qi = Gi/Gсм , (1)

где Gi - масса данного газа - компонента в смеси, в кг;

Gсм = G1 + G2 + …+ Gn = Gi - масса газовой смеси в кг.

Тогда, удельная масса газовой смеси будет равна

q1+ q2+…+ qn = 1, (2)

где qn - удельная масса данного газа - компонента.

Объемной долей r называют отношение объема данного газа - компонента в смеси газа Vi к объему всей смеси газов Vсм:

r1+ r2+…+ rn =1= r i , (3) где ri = Vi / Vсм ;

Vсм = V1+ V2+…+ Vn = Vi.

Зависимость между параметрами отдельных газов - компонентов и их смеси вытекает из основных положений молекулярно-кинетической теории и самостоятельности и независимости поведения каждого газа - компонента от других. Молекулы всех компонентов смеси обладают усредненным запасом кинетической энергии 0,5mW2, поэтому имеют одинаковую температуру.

Давление смеси газов Р равно сумме давлений отдельных газов - компонентов Рi при тех же температуре и объеме, как и сама смесь газов (Закон Дальтона)

Объем, занимаемый газом, ограничивается тем пространством, в котором перемещаются его молекулы, а давление выражается силой ударов их о стенки ёмкости. Молекулы каждого газа - компонента в смеси будут занимать объем, равный объему самой смеси, и оказывать на стенки ёмкости свое парциальное давление, составляющее долю общего давления.

Удельный объем газовой смеси равен сумме произведений удельных объемов каждого компонента i газа на их массовые доли:

х = х1 q1+ х2 q2+…+ хn qn . (4)

Плотность газовой смеси представляет собой обратную величину удельного объема смеси. Масса каждого газа - компонента смеси есть произведение его плотности на объемную долю, а плотность газовой смеси составит

= 1 r 1+2 r 2+…+ n r n (5)

Молярная масса газовой смеси - это масса в кг. одного киломоля вещества смеси.

В формуле 5 произведем замену плотности на /22,4:

/22,4 = r 1 1/22,4 + r 2 2/22,4 +…+ r n n /22,4

После сокращения уравнение имеет вид

= r 1 1 + r 2 2 +…+ r n n ,

где ,1, 2, … n - мольные числа смеси и его компонентов.

Молярная масса смеси газов равна сумме произведений молекулярных масс каждого газа компонента на его объемную долю. Пользуясь характеристическим уравнением для Gке газовой смеси, можно определить газовую постоянную смеси Rсм, если известны массовые и объемные доли каждого газа - компонента:

Rсм = qi Ri = q1 R1+ q2 R2+…+ q n R n. или Rсм = 8314/ (6)

Рабочим телом в автомобильном двигателе, работающем на бензине в ходе реализации тактов впуска и сжатия, служит топливовоздушная смесь, состоящая из одной части паров бензина (6,25%) и 15 частей атмосферного воздуха (93,75%). Пары бензина состоят на 85% из углерода С (qс = 0,85) и на 15% из водорода Н2 (qН2 = 0,15), а атмосферный воздух по массе - на 23% из кислорода О2 (qО2 = 0,23) и на 77% из азота N2 (qN2 = 0,77).

В составе рабочего тела оказываются также от 2 до 5% остаточных газов от предыдущего цикла. Они имеют давление равное 1,05·103 Па и высокую температуру - 800-1000К, способствуют подогреву свежей порции смеси и поэтому в указанных пределах оказывается полезными. При большем их количестве необходимо улучшить функционирование системы очистки цилиндров от отработавших газов.

В конце такта сжатия в рабочем теле отмечаются физические и химические изменения, связанные с реализацией двух окислительных реакций сгорания углерода С и водорода Н2 с кислородом О2 в результате которых выделяются тепло и скрытая химическая энергия топлива преобразовывается в тепловую энергию.

При наличии достаточного количества кислорода О2 углерод С окисляется и образуется углекислый газ СО2, а водород Н2 - водяной пар. При полном сгорании углерода его молекула соединяется с одной молекулой кислорода и образуют одну молекулу углекислого газа СО2 , т.е. С+О2 = СО2.

При недостатке кислорода в смеси две молекулы углерода соединяются с одной молекулой кислорода и образуют две молекулы угарного газа СО, т.е. 2С+О2 = 2СО. При сгорании водорода Н2 две его молекулы соединяются с одной молекулой кислорода и образуют две молекулы водяного пара, т.е. 2Н2 + О2 = 2Н2О.

Так как мольные числа углерода С = 12, водородаН2 = 2 и кислорода

0 = 32, то уравнения можно написать в массовых единицах:

12кг(с)+32кг (О2) = 44кг(СО2); 4кг (Н2) +32кг(О2) = 36кг (Н2О)

Для 1кг: 1кг(С)+ кг (О2) = кг(СО2) и 1кг(Н2)+8кг(О2) = 9кг(Н2О)

При сгорании смеси из 1кг топлива и 13,5кг атмосферного воздуха образуются: 2,15кг, углекислого газа СО2; 0,6кг угарного газа СО; 1,35кг водяного пара Н2О и 10,4кг азота N2 и как видно состав рабочего тела изменяется. Масса продуктов сгорания Gп.с или рабочего тела СО2, совершающего рабочий ход и выпуск в цикле составит:

Gп.с. = 2,15+0,6+1,35+10,4 = 14,5кг.

Рабочим телом в автомобильном двигателе, работавшем на дизельном

топливе в ходе реализации тактов впуска и сжатия цикла служит атмосферный воздух состоящий на 23% из кислорода и на 77% по массе из азота, а также 2- 3% остаточных газов от предыдущего цикла, которые весьма нежелательны.

В конца такта сжатия рабочее тело дополняют мелко распыленным дизельным топливом состоящим на 87% из углерода С (qс= 0,87), на 12,6%

из водорода Н2 (qН2 = 0,126) и до о, 4% из кислорода О2 (qО2 = 0,004).

Мелко распыленное дизельное топливо при соприкосновении с нагретым воздухом самовоспламеняется, углерод окисляется образуя углекислый газ СО2, а при окислении водорода Н2 образуется водяной пар Н2О.

При сгорании 1кг топлива образуется 3,15 углекислого газа СО2; 1,17кг водяного пара Н2О; 1,68кг кислорода О2, и 16,7кг азота N2. Расходуется 21,7кг атмосферного воздуха, а масса продуктов сгорания или рабочего тела совершающего рабочий ход и выпуск составляет

Gп.с. = 3,15+1,17+1,68+16,7 = 22,7кг

Преобразование скрытой химической энергии в тепловую в цилиндре двигателя представляет собой весьма сложный процесс, в ходе реализации которого в рабочем теле происходят физические и химические изменения. Для их квалифицированного учета в тепловых расчетах весьма важно изучить закономерности существующие, как для идеальных и реальных газов, так и для многокомпонентных газовых смесей.

1.3 Уравнение состояния идеального газа

Уравнение Клапейрона-Менделеева. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Закон Бойля-Мариотта. Закон Шарля. Закон Гей-Люссака.

Молекулярно-кинетическая теория и экспериментальные исследования устанавливают определенную математическую связь между основными параметрами: Т, Р, любого газа, находящегося в равновесном состоянии, характеризуемом постоянством параметров во всех точках объема газа.

Указанная связь для идеального газа определяет уравнение Клапейрона для 1кг газа рх = RТ, где R - массовая газовая постоянная, в Дж/(кг. К). Заменив удельный объем х = V/m , можно получить уравнение для m кг массы газа: рV = mRТ.

Д.И. Менделеев заменив объем газа V объемом киломоля 22,4м3, а массу m-мольным числом м получил уравнение состояния для 1 киломоля газа: 22,4р = mRТ. (7)

При нормальных условиях р = р0 = 1,013105Па, а Т = Т0 = 273,15К, получим: R = 22,41,013105/273 = 8314 Дж/(к.мольК),

Для всех газов она имеет одинаковое значение и не зависит от состояния газа. С помощью универсальной газовой постоянной можно определить массовую газовую постоянную для любого газа.

R = 8314/i, Дж/(кгК).

Например, мольное число воздуха в соответствии с его объемным химическим составом: 79% азота и 21% кислорода

воз. = 0,79 мN2 +21О2 = 0,7928+0,2132 = 20,84.

Уравнение состояния для реальных газов предложенное Ван-дер-Ваальсом имеет вид.

(р + а/х2) (х - в) = RТ, (8)

где а - величина, учитывающая влияние сил сцепления между молекулами;

в - объем, занимаемый самими молекулами.

Точность, с которой уравнение состояния Клапейрона - Менделеева, описывает состояние реального газа, зависит от его состава, давления и температуры. Вместе с тем уравнение Клапейрона - Менделеева практически в любой термодинамической системе, реально встречающихся технических газовых процессах с достаточной степенью точности оценивает зависимость между основными параметрами состояния реальных газов. Объясняется это тем, что диапазон изменения давления и температуры весьма ограничен и в каждом процессе газовая постоянная R имеет свое значение и корректирует соотношение между давлением, температурой и удельным объемом, т.е. R выступает не как константа, а как некоторая функция давления и температуры газа R = f (Р, Т).

В связи с этим уравнение состояния идеального газа является универсальной и широко используется как при решении фундаментальных проблем термодинамики, так и при решении прикладных задач теплотехнического анализа.

Уравнение состояния Клапейрона - Менделеева устанавливает математическую связь между давлением, температурой и объемом. Однозначную зависимость между двумя переменными параметрами при третьем постоянном устанавливают законы Бойля-Мариотта (Т = const), Гей-Люссака (p = const), Шарля ( = const).

Закон Бойля-Мариотта.

При Т = const уравнение рх = RТ принимает вид рх = const или р1/р2 = х2/х1, т.е. при постоянной температуре давление газа данной массы изменяется обратно пропорционально его удельному объему. Малому давлению соответствует большой объем, а большому давлению - малый объем.

При постоянной температуре давление газа прямо пропорционально его плотности р1/р2 = 1/2.

Закон Гей-Люссака.

При постоянном давлении р = const уравнение р = RТ принимает вид х /Т = const или х 1/ х 2= Т1 / Т2 , т.е. при постоянном давлении удельный объем газа изменяется прямо пропорционально его температуре. Если заменим х на 1/, получим2 /1 = Т1 / Т2 , т.е. плотность газа обратно пропорциональна его температуре.

Закон Шарля.

При х = const уравнение рх = R Т принимает вид р/Т = const или

р1/р2 = Т1 / Т2 .

Давление данной массы газа, заключенной в постоянный объем, прямо пропорционально его температуре.

Как следует из приведенных газовых законов, объем газа зависит как от температуры, так и от давления.

Глава 2. Функции состояния рабочего тела. Внутренняя энергия. Теплоемкость. Энтальпия. Энтропия. Термодинамические процессы

2.1 Функции состояния рабочего тела

Для любого рабочего тела в любой момент можно определить три параметра состояния: удельный объем , м3/кг; удельное давление р, Па и абсолютная температура Т, К. Они определяют энергию рабочего тела, которое участвует в процессе совершения ими работы. Наряду с указанными параметрами состояния существуют еще три параметра, называемые функциями состояния. Это внутренняя энергия U, Дж/кг; Энтальпия j; Дж/кг и Энтропия S, Дж/(кг. К).

2.1.1 Внутренняя энергия

Теплота - это одна из форм движения, а тепловая энергия - это присущая каждому телу его внутренняя энергия. Она складывается из внутренней кинетической энергии U к и внутренней потенциальной энергии элементарных частиц U п.

Внутренняя кинетическая энергия зависит от средней скорости движения молекул, а внутренняя потенциальная энергия зависит от сил взаимодействия молекул между собой и их взаимного положения U = Uк + Uп.

Кинетическая энергия движения молекул зависит от температуры газа: при понижении температуры тела она убывает, при повышении - увеличивается. Если температура тела постоянна, изменение внутренней кинетической энергии в ней не происходит, т.е. U к = f (Т). Внутренняя потенциальная энергия U п. зависит от расстояния между молекулами, изменяющегося с изменением давления и объема газа, т.е. U п. = f (Р,V).

При рассмотрении газов принимают, что силы взаимодействия между молекулами отсутствуют, и объем их бесконечно мал по сравнению с объемом газа и такой подход оказывается приемлемым, а выводы корректными для использования при решении технических задач. В связи с этим в основном рассматриваем здесь и далее термодинамику идеального газа и не будем это специально отмечать, так как при этом погрешность составляет не более 5%.

Следовательно, при Uп. = 0 внутренняя энергия рабочего тела состоит только из внутренней кинематической энергии, являющейся функцией температуры U = U к. = f (Т).

Так, телу сообщается тепло и вследствие увеличения скорости движения его частиц твердое тело превращается в жидкость. При дальнейшем нагреве молекулы, отрываясь от поверхности жидкости, образуют пар, а при его перегреве - газ. Если газ подвергнуть еще более высокому нагреву происходит ионизация газа - отрыв внешних электронов от атомов, образование плазмы.

При еще большем нагреве газа дальнейшее увеличение скорости движения молекул и частоты колебательного движения атомов внутри молекулы вызывает такую высокую энергию взаимных столкновений молекул, что происходит диссоциация (распад) молекул газа. Чтобы осуществить распад атома и атомного ядра, энергия удара во много раз увеличивают в атомных реакторах на основе получения свободных нейтронов. При делении атомного ядра выделяется огромное количество тепла и подтверждается количественная связь между энергией и массой, установленная А. Эйнштейном: Е = тс2, где с = 300000 км/с - скорость света. На этом замыкается круг: закон сохранения массы и энергии объединяется с законом сохранения энергии и движения.

Для реальных процессов важно определить изменение внутренней энергии при изменении температуры от Т1 до Т2 , т.е. U = U 2 - U 1

Численно величину изменения внутренней энергии U можно определить, если рассматривать процесс происходящим при постоянном объеме, где газ работу не совершает и вся теплота идет только на изменение U.

При изменении температуры от Т1 до Т2 получим:

- для одного кг рабочего тела U = U2 - U1 = Сv (Т2 - Т1), Дж/кг;

- для 1 к.моль рабочего тела U = U2 - U1 = Сv (Т2 - Т1), Дж/к.моль,

где Сv - количество энергии необходимое для изменения температуры 1кг и 1 к.моль рабочего тела на 10, Дж/(кгК) и Дж/(к.мольК) соответственно.

Внутренняя энергия, отнесенная к 1кг массы газа, называют удельной внутренней энергией.

2.1.2 Теплоемкость газа и газовых смесей

Количество теплоты, которое необходимо для нагревания на 10 единицы количества рабочего тела, называется теплоемкостью и обозначается С, измеряют Джоулях. (1Дж. = 0,2388 кал.). Различают массовую теплоемкость С, Дж/(кгК), мольную теплоемкость с, Дж/(к.мольК) и объемную теплоемкость С` Дж/(м3 К). Связь между ними выражается соотношениями: С =с/; Дж/(кгК); С` =с/22,4 = с; Дж/(м3 К). Объёмная теплоёмкость С` определяется при нормальных условиях Р0 и Т0.

Теплоемкость может быть также истинной, характерной для определенной температуры, и средней в пределах заданного интервала температуры от Т1 и Т2.

В зависимости от характера протекания процесса, при котором происходит подвод или отвод теплоты, теплоемкость газа будет различной. Поэтому различают теплоемкость при постоянном объеме Сv, теплоемкость при постоянном давлении Ср, теплоемкость при постоянной температуре Ст = и теплоемкость при отсутствии теплообмена газа с внешней средой Сs = 0

Теплоемкость газа при постоянном давлении Ср больше теплоемкости при постоянном объеме Сv, где теплота расходуется только на повышение температуры рабочего тела. Для 1 к.моль рабочего тела

Ср - Сv = R = 8314 Дж/к.мольК (9)

При анализе отдельных процессов часто пользуются уравнением Майера Ср - Сv = R и отношением Ср/Сv = К. Для двухатомного газа, например атмосферного воздуха К = 1,41; для многоатомных газов К = 1,29.

Из уравнения Майера следует, что работа, совершаемая газом при расширении в результате нагревания на 10 , численно равна удельной массовой газовой постоянной R.

Для нагревания смеси различных газов на 10, следует нагреть на 10 каждый газ - компонент 1кг или 1м3 смеси. В связи с этим для массовой теплоемкости Ссм и объемной теплоемкости С`см можно написать:

Ссм = С1 q1 + С2 q2 +…+ Сn qn , (10)

С`см. = С`1 r1 + С`2 r2 +…+ С`n rn , (11)

где С1, С2 , … Сn ; С`1 , С`2 , …С`n ; q1 , q2 ,… qn ; r1 , r2 ,… rn - массовые и объемные теплоемкости и доли газов-компонентов смеси соответственно.

2.1.3 Энтальпия рабочего тела

Рабочее тело располагает, как внутренней энергией U, соответствующей его температуре Т, так и энергией упругой массы газа, сжатого в объеме V давлением Р. Энергия введения газа в объеме V под давлением Р равна произведению РV. Полная и удельная энергия неподвижного рабочего тела в виде суммы внутренней энергии и энергии массы газа называется энтальпией. Обозначаются соответственно через J и j , а размерность их Дж и Дж/кг.

J = U + Р V, Дж. и j = и + р , Дж/кг. (12)

Энтальпия зависит от параметров состояния рабочего тела, поэтому сама является одной из функций его состояния.

2.1.4 Энтропия рабочего тела. Энтропийная Т-s диаграммы

Прирост механической работы изменения объема (элементарная) dl в конкретный момент времени равна произведению давления на прирост объема , а конечную работу l можно определить из выражения , параметр, который изменяется от переданной теплоты, также как и объем при совершении работы был предложен немецким физиком Рудольфом Клазиусом и впоследствии назван энтропией S. Австрийский физик Людвиг Больцман предложил формулу, связывающую энтропию и вероятность состояния системы

S = S2 - S1 = К lnW, (13)

где: S - изменение энтропии; К = 1,3810-23 втс/К - постоянная Больцмана,

W = w1/ w2 - отношение двух вероятностей энтропии, означает переход к состоянию, имеющему большую вероятность.

Удельная Энтропия, s, (Дж/кг·К) - отношение энтропии рабочего тела к его массе. При подводе теплоты к рабочему телу его энтропия увеличивается, при отводе - уменьшается. Изменение энтропии свидетельствует о наличии теплообмена между рабочим телом и окружающей средой.

В изолированной системе в условиях отсутствия взаимодействия рабочего тела с окружающей средой по величине энтропии можно судить о степени приближения системы к равновесному состоянию и о возможности протекания в ней термодинамических процессов.

Энтропия рабочего тела, как температуру и давление измерить приборами не возможно, а её значение или изменение можно определить только расчетным путем. Если за начало отчета энтропии, когда начальное ее значение равно нулю, принять нормальные условия Р0 = 1,013105 Па и Т0 = 273,15К, то значение удельной энтропии при любых других значениях р и Т можно определить по формуле:

s = Ср ln (Т/Т0) - R ln (р/р0), Дж/кгК (14)

где Ср - теплоемкость рабочего тела при постоянном давлении, Дж/кг. К;

R - массовая газовая постоянная, Дж/кгК;

р и Т - текущие значения давления в Па и температуры в К.

Изменение энтропии в термодинамическом процессе можно определить по формуле:

S2 - S1 = Сv ln (Т2/Т1) + R ln (х 2/ х 1), (15)

где Т2 и Т1 - температуры в К; х2 и х1 - удельные объемы рабочего тела в конце и в начале анализируемого участка процесса, соответственно.

Из приведенных выражений следует, что энтропия определяется начальными и конечными параметрами процесса и сама является функцией состояния, а размерность ее одинакова с размерностью массовой теплоемкости. Энтропия очень удобна для термодинамических исследований и энергетическое состояние газа легко определить по температуре Т из Т-s диаграммы.

Энтропийная Т-s диаграмма. Термодинамический процесс, реализуемый в цилиндре автомобильного двигателя, принято изображать в координатах давления и объема цилиндра, называемой индикаторной диаграммой Р - V координатах. С ее помощью определяют индикаторную работу термодинамического цикла. Подобно индикаторной диаграмме с помощью Т-s диаграммы, называемой энтропийной или тепловой диаграммой, можно вычислить количество участвующей в цикле или в процессе теплоты.

При изображении процесса в координатах Т-s температуру откладывают по вертикальной оси координат, а удельную энтропию по горизонтальной оси координат (рис. 1). Если совершается круговой процесс, то из Т-s диаграммы легко определить количество тепла, подведенное к газу и отведенное от газа и их разность, использованная на полезную работу за цикл.

Рис. 1. Термодинамический процесс в Т-s координатах.

2.2 Основные процессы изменения состояния рабочего тела

Изменение состояния рабочего тела, связанное с изменением хотя бы одного из его параметров состояния: удельного объема , удельного давления р, температуры Т, называется термодинамическим процессом. Различают процессы равновесные и неравновесные, обратимые и необратимые.

Наиболее простыми термодинамическими процессами являются равновесные процессы, при которых температура и давление во всем объеме рабочего тела одинаковы. Это процессы, реализуемые при постоянной температуре или без теплообмена между рабочим телом и окружающей средой.

Все реальные процессы являются неравновесными, так как осуществляются в условиях, при которых температура и давление рабочего тела во всем объеме не одинаковы.

Термодинамический процесс, в результате которого рабочее тело возвращается в исходное состояние, называется циклом. Цикл может протекать, как в прямом, так и в обратном направлении. Рабочее же тело последовательно проходит через те же промежуточные состояния, как в прямом, так и в обратном порядке.

Если промежуточные состояния рабочего тела в цикле являются равновесными, термодинамический процесс называется квазистатическим. Все квазистатические процессы обратимые. Поглощение тепла при испарении, выделение и конденсации происходят как квазистатические и обратимые. Для обратимых процессов можно выделить три признака:

1. обратимые процессы допускают обратный ход путем изменения направления пути;

2. восстановление исходного состояния не требует подвода энергии;

3. обратный процесс не оставляет в рабочем теле или в термодинамической системе изменение состояния.

Противоположностью обратимых процессов являются процессы необратимые. К ним относятся диффузия, дросселирование, внешнее и внутреннее трение, химические реакции и их характеризуют следующие два признака:

1. Все необратимые процессы сами по себе протекают только в одном направлении. Молекулы духов никогда не возвращаются добровольно назад в открытый флакон, из которого они продиффундировали в комнатный воздух. Поднятый камень падает на землю и остается лежать, растратив свою кинетическую энергию на нагревание земли.

2. При всех необратимых процессах работа растрачивается, т.е. упускается представившийся повод совершить работу и вместо работы отмечается только возбуждение теплоты. Так, комнатный воздух, заключенный в цилиндр компрессора нагревается и затем при неподвижном поршне остывает до комнатной температуры, вследствие теплопроводности. В результате упускается возможность передвинуть поршень пока, вследствие расширения не охладится воздух до комнатной температуры.

Полностью необратимые процессы встречаются часто, а полностью обратимые процессы, напротив, весьма редко. Все действительные процессы только частично обратимы и содержат всегда необратимую часть. Вследствие этого возникает необходимость измерять или определять величину необратимости.

Рассмотрим простой необратимый процесс расширения газа в результате дросселирования (рис. 2).



Рис. 2. Необратимый процесс расширения газа

Объем V1 разделим с помощью перегородки на объем V2, в котором заключено определенное количество газа с температурой Т и объем (V1 - V2) в котором пусто. Если удалить перегородку и объединить объемы V2 и (V1 - V2) молекулы заполнят пустое пространство (V1 - V2). При этом первоначально совершается работа расширения из-за увеличения скорости молекулы, образования течений и вихрей, возникновения разности температур. Теплообмен и внутреннее трение способствуют выравниванию параметров состояния. Молекулы носятся теперь в большем объеме V1, в котором температура такая же, как и ранее была в объеме V2. Газ снова целиком приходит в состояние покоя. Поэтому новая единица кроме величины необратимости должна характеризовать степень порядка. Механическое движение упорядочено, а тепловое беспорядочно, поэтому механическое движение переходит в тепловое. Переход от порядка к беспорядку повышает число способов создания состояния.

В автомобильных двигателях реализуются различные термодинамические процессы, во время которых подводится и отводится теплота, увеличивается и уменьшается внутренняя энергия, совершается или не совершается работа, увеличиваются или уменьшаются значения параметров и функций состояния рабочего тела и, наконец, возможны процессы с теплообменом и без теплообмена между рабочим телом и окружающей средой.

К ним относятся процессы называемые: изохорными, изобарными, изотермическими, адиабатными и политропными.

Изохорный процесс - это равновесный процесс, реализуемый при постоянном объеме, например, сгорание топлива с целью подвода теплоты к рабочему телу в автомобильном двигателе с искровым зажиганием осуществляется вблизи верхней мертвой точки, так быстро, что объем камеры сгорания не успевает измениться. Линия изохоры в координатах р - представляет вертикальную линию в виде = const (рис. 3.а), а в координатах Т-s логарифмическую кривую (рис. 3.б).

а б

Рис. 3. Изохорный процесс.

а - в р- х координатах; б - в Т- s координатах.

Теплота, подведенная или отведенная к 1кг рабочего тела в изохорном процессе, идет только на изменение внутренней энергии и определяется как

q = U2 - U1 = Сv (Т2 - Т1) (16)

В ходе подвода и отвода теплоты объем газа не изменяется и никакой работы в изохорном процессе газ не совершает и поэтому площади изображающие работу под изохорой отсутствует.

Уравнение изохоры в координатах Т-s можно найти из выражения эн-

тропии в пределах температур от Т1 до Т2:

s2 - s1 = Сv n (Т2/Т1) (17)

А площадь под изохорой определяет теплоту, участвующую в процессе. Про-

цесс 1-2 реализуется при подводе теплоты, и энтропия увеличивается, а процесс 1-2` с отводом теплоты - энтропия снижается.

Изобарный процесс - это равновесный процесс, реализуемый при постоянном давлении рабочего тела. Так, к 1кг газа помещенного в объем цилиндра, подводится qр единиц теплоты. Поршень может в цилиндре свободно перемещаться и теплота должна подводиться так, чтобы процесс расширения газа протекал при постоянном давлении.

Уравнение линии изобары в системе координат р - представлено в виде р = const и графически изображается горизонтальной прямой. Изобара в Т-s координатах изображается логарифмической кривой.

Часть теплоты qр расходуется на увеличение внутренней энергии, а остальное на выполнение работы расширения. Увеличение энтропии в изобарном процессе происходит быстрее, чем в изохорном, так как Ср > Сv.

Удельную работу расширения (заштрихованную часть на рис. 3) можно определить по изменению удельного объема от 1 до 2

= р( 2 - 1), (18)

Изменение удельной внутренней энергии и энтропии выразится так же, как в изохорном процессе

U2 - U1 = Сv(Т2 - Т1); S2 - S1 = Сv n(Т2/Т1), (19)



а б

Рис. 4. Изобарный процесс.

а - в р- х координатах; б - в Т-s координатах.

Изотермический процесс является равновесным процессом протекающим при постоянной температуре рабочего тела. Уравнение линий изотермы Т = const в координатах р - выражается гиперболой, а в координатах Т-s горизонтальной прямой.

Подвод и отвод теплоты q в изотермическом процессе не вызывает изменение температуры рабочего тела, что возможно осуществить путем бесконечно медленного подвода или отвода теплоты, вызывающего сжатие или расширение газа, находящегося над поршнем в цилиндре с идеально теплопроводными стенками.

Удельная внутренняя энергия не изменяется, так как не изменяется температура, вся подведенная теплота превращается в теплоту расширения

, т.е. Т = const ; U = const ; = q = R Т n ( 2/ 1) = RТ n (р1/р2) (20)

Адиабатный процесс - это процесс, реализуемый без теплообмена рабочего тела с внешней средой. Практическое осуществление процесса в автомобильных двигателя возможно путем разработки «керамического» двигателя без системы охлаждения или увеличения средней скорости поршня c целью сокращения продолжительности процессов сжатия и расширения. Следовательно, и времени контакта рабочего тела с окружающей средой для исключения теплообмена между ними.

Характеристикой адиабатного процесса является отношение теплоемкостей Ср и Сv названное показателем адиабаты

К = Ср / Сv и р к = const.

Зависимость между переменными параметрами состояния Т, Р, , в адиабатном процессе устанавливают уравнения

Т2/Т1 = (1 /2)к-1, Т2/Т1 = (р2/р1) (21)

Работа расширения в адиабатном процессе совершается за счет внутренней энергии. При сжатии внутренняя энергия рабочего тела увеличивается, а при расширении уменьшается.

= (р11 - р2 2) /(к-1) (22)

Политропные процессы - это процессы, реализуемые в автомобильных двигателях, в ходе которых все параметры и функции состояния рабочего тела: р, Т, , и, j, S являются переменными, одновременно происходит теплообмен между рабочим телом и внешней средой.

Постоянство теплоемкости является основной характеристикой политропного процесса, из которого можно выделить, как его частные случаи все четыре рассмотренные процессы: изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный. Различия их состоят в показателе степени при удельном объеме . Так, в изохорном процессе при = const показатель степени n = ; в изобарном процессе при Р = const, n = 0; в изотермическом процессе при Т = const, n = 1; в адиабатном процессе при р к = const, n = к ; в политропном процессе, очевидно уравнение линии политропы имеет р n = const, где n - показатель политропы. Для автомобильных двигателей показатель политропы сжатия n1 = 1,23…1,36, а политропы расширения n2 = 1,23…1,26.

Зависимость между параметрами состояния в политропном процессе аналогичны зависимостям адиабатного процесса:

р2/р1 = (1 /2) n ; Т2/Т1 = (1 /2) n-1; Т2/Т1 = (р2/р1) ; (23)

= (р11 - р2 2) /( n -1) ; С = Сv ; n = , (24)

где: С - теплоемкость газа в политропном процессе,

- удельная работа в политропном процессе.

Глава 3. Основные законы термодинамики

Первый закон. Принцип невозможности вечного двигателя первого рода.

Второй закон. Принцип невозможности вечного двигателя второго рода.

Третий закон. Принцип невозможности вечного двигателя третьего рода.

3.1 Первый закон термодинамики. Принцип невозможности вечного двигателя первого рода

Появление паровой машины и ткацкого станка во второй половине XVIII века вызвали переворот в технике. Однако законы преобразования тепловой энергии в механическую энергию, на основании которых можно было бы судить о качестве созданных машин, не были открыты. Этому препятствовала господствовавшая в то время ложная теория о тепловоде - невесомой, всепроникающей жидкости, по отношению к которой каждое тело играло лишь роль сосуда, способного вмещать различные ее количества.

Первым кто отверг «теорию тепловода» был В.М.Ломоносов. Он еще в 1760г. писал: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что, сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупиться к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножиться в другом месте. Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Однако прошло почти 100 лет напряженных исследований, прежде чем физики в 1850г. сделали общепризнанным закон сохранения энергии, как универсальный фундаментальный закон природы.

Первым законом термодинамики называется закон сохранения энергии и движения применительно к термодинамической системе. Энергия из нечего не возникает и никуда не исчезает, она только преобразовывается из одного вида энергии в другой. Например, в автомобильных двигателях скрытая химическая энергия углеводородных топлив преобразовывается в тепловую энергию, а затем тепловая энергия эквивалентно преобразовывается в механическую работу. При этом подведенная к рабочему телу энергия расходуется на изменение его внутренней энергии и производство внешней работы расширения объема. Поэтому первый закон термодинамики математически можно представить в виде балансового уравнения.

q = U2 - U1 + или q = Сv (Т2 - Т1) + р (2 -1), (25)

где q - теплота, подведенная к рабочему телу;

- удельная работа, связанная с изменением объема.

Теплота, подведенная к рабочему телу и отведенная от него, принято считать соответственно положительной и отрицательной, а положительное и отрицательное изменение внутренней энергии характеризует соответственно увеличение или уменьшение ее.

Вечным двигателем первого рода называют виртуальный двигатель, функционирующий без подвода к рабочему телу теплоты для производства работы против внешних сил. В соответствии с первым законом термодинамики невозможно построить тепловой двигатель, производящий работу против внешних сил без затраты топлива (теплоты), так как энергия из ничего не возникает и работу из ничего получить нельзя. В связи с этим первый закон термодинамики нередко называют принципом невозможности вечного двигателя первого рода.

3.2 Второй закон термодинамики. Круговые процессы. Цикл Сади Карно. Принцип невозможности вечного двигателя первого рода

Изменение состояния тел имеет односторонний естественный ход: тепло переходит от горячего тела к холодному, но не может самопроизвольно перейти от холодного тела к горячему. Когда теплопередача прекратится, состояния тел перестанут изменяться и установится тепловое равновесие, из которого самопроизвольно выйти не могут. Система тел, находящихся в равновесии друг другом, энергетически бесплодна.

Для получения работы необходимо прежде всего найти тела не находящиеся в равновесии со своими соседями. Только тогда удается осуществить процесс перехода теплоты от одного тела к другому, т.е. превращения теплоты в механическую энергию.

Первый закон термодинамики раскрывает взаимосвязь теплоты и работы, устанавливает принцип их эквивалентности. Однако не раскрывает условия и пути преобразования тепловой энергии, в механическую, что является сущностью любого теплового двигателя. Их установление является содержанием второго закона термодинамики, сформулированного в 1850г., на основе работ французского физика Сади Карно, немецким физиком-теоретиком Р. Клаузиусом в виде положения о невозможности самопроизвольной передачи теплоты от более холодного тела к более теплому и с помощью введенного им понятия энтропии.

Имеется несколько равноценных формулировок второго закона термодинамики в виде постулатов, т.е. положений, принимаемых без доказательств. Приведем формулировки, относящие к тепловым двигателям.

1. Для совершения полного термодинамического цикла теплового двигателя к рабочему телу нужно не только подводить теплоту от теплоисточника, но и с такой же непреложностью отводить теплоту в теплоприемник для возвращения рабочего тела в исходное состояние.

2. Теплота самопроизвольно может передаваться лишь от более нагретого рабочего тела к менее нагретому рабочему телу. Для передачи тепла в противоположном направлении необходимо затратить работу.

3. Всякий самопроизвольный процесс в изолированной термодинамической системе переводит ее из менее вероятного состояния в более вероятное состояние.

4. В тепловом двигателе только часть теплоты теплоисточника может перейти в работу, а остальная часть должна перейти в теплоприемник.

Работа теплового двигателя важно только при наличии перепада температур Т1 и Т2, притом циклично, т.е. по принципу непрерывно повторяющихся циклов, возвращающих рабочее тело в исходное состояние в каждом цикле. Для реализации замкнутого кругового процесса цикл включает несколько прямых и обратных процессов. На проведение обратных процессов приходиться использовать некоторую долю работы расширения цикла.

На рис. 4 изображен круговой цикл С. Карно в координатах р-х и Т-s.



а б

Рис. 5. Цикл Сади Карно

а - в р - х координатах; б - в Т-s координатах

Цикл составлен из двух изотермических и двух адиабатных процессов и занимает особое место в теории тепловых двигателей. Объясняется это, тем, что в ряду всевозможных циклов тепловых двигателей при равных условиях цикл Карно имеет максимальный КПД, зависящий исключительно от отношения максимальной и минимальной температуры рабочего тела в цикле.

В цикле С. Карно при максимальной температуре Т1 теплота подводится к рабочему телу при Т = const на участке 1-2 процесса расширения и целиком превращается в работу, так как Т = const внутренняя энергия рабочего тела не изменяется.

На участке 2 - 3 процесса расширения по адиабате тепло не подводится, а работа совершается за счет уменьшения внутренней энергии. Поэтому в точке 3 температура рабочего тела Т2 < Т1 , а внутренняя энергия изменяется на Сv (Т2 - Т1).

Для совершения последующих циклов рабочее тело необходимо каждый раз вернуть в исходное положение, характеризуемое параметрами в точке 1. Это достигается изотермическим сжатием на участке 3 - 4 и адиабатическим сжатием на участке 4 - 1. На участке 3 - 4 рабочее тело сохраняет температуру Т2 и затраченная на сжатие механическая энергия переходит в отданную холодному источнику теплоту q2; на участке адиабаты 4 - 1 за счет механической энергии повышается внутренняя энергия на величину Сv (Т2 - Т1) и температура рабочего тела до Т1.

КПД цикла Карно з определяется из соотношения

(26)

Получить значение равное единице, невозможно, так как для этого требуется, чтобы Т1= или Т2= 0. Такие значения Т1 и Т2 недостижимы. Для повышения з необходимо увеличить перепад температур рабочего тела Т1 и Т2.

Реально осуществить цикл Сади Карно в тепловых двигателях невозможно, так как давление цикла Р и степень сжатия должны достигать значений 500 МПа, а затраты на трение поглашают большую часть работы цикла. Для современных двигателей Р = 5,0 15 МПа; = 1018; з = 0,8. Актуальной задачей была и остается приближение КПД реально существующих тепловых двигателей к значениям (0,750,88), характерных для теоретических циклов Сади Карно. Вечный двигатель второго рода в отличие от первого допускает подвод внешней энергии к рабочему телу, однако требует реализации стопроцентного превращения теплоты в работу. Воображаемый тепловой двигатель с коэффициентом полезного действия равным единице создать невозможно и это наглядно видно в цикле С. Карно.