Дніпропетровський Державний Технічний Університет Залізничного Транспорту.
На тему: «Прямий цикл Карно»,
«Теплова ізоляція»
Виконав:
студент 427 групи
Астраханцев ДмитроПрийняв:
Доц. Арестов А.П.
Дніпропетровськ 1998Прямий цикл Карно.
Як відомо, всі теплові двигуни, що перетворюють теплову енергію в механічну, працюють по кругових циклами або термодинамічним циклів - ідеальний цикл теплового двигуна (прямий цикл Карно) і цикл холодильної машини (зворотний цикл Карно).
Розглянемо прямий цикл Карно. Для цієї мети візьмемо ідеальну систему, що складається з гарячого джерела тепла, робочого тіла і навколишнього середовища. Параметри джерела тепла Тг, Sr, температура навколишнього середовища Т0. Робоче тіло в кінцевому підсумку не робить роботи за рахунок своєї власної енергії. До початку роботи і після її завершення всі параметри робочого тіла і його повна енергія залишаються в точності тими ж самими. Інакше кажучи, робоче тіло змінює свої параметри по якомусь циклу, повертаючись кожен раз в первинний стан. Сумарна робота навколишнього середовища над тілом дорівнює нулю; ніяких втрат роботи немає; ентропія системи залишається незмінною (DSc = 0); всі процеси оборотні.
При віддачі гарячим джерелом робочому тілу тепла dQ1 тіло зробить сумарну роботу dL і, для того, щоб повернуться в початковий стан, віддасть навколишньому середовищу тепло dQ2. При цьому ентропія гарячого джерела зменшиться на величину dSг = dQ1/T1, а ентропія холодного джерела зросте на dSx = dQ2/T0.
Оскільки згідно з другим законом термодинаміки ентропія розглянутої ізольованої системи зменшуватися не може, то за dSг <0 завжди буде dSx> 0, а отже, і dQ2> 0. Значить, здійснюючи роботу з допомогою циклів, тепло має не тільки підводиться, а й обов'язково відводитися.
В ідеальному випадку, коли досягається максимальна робота, dSг + dSx = 0 і величина dQ2 є мінімальною. Таким чином,
-dQ1/Tг = dQ2min/T0,
або
dQ2min = T0dSг,
де dSг береться за абсолютною величиною (без негативного знаку), тобто dSг = dQ1/Tг.
Відповідно до першого закону термодинаміки, завжди
dL = dQ1 - dQ2,
dLmax = dQ1 - dQ2min,
або
dLmax = dQ1 - T0dSг,
тобто максимальна робота циклу за рахунок тепла Q
Lmax = Q1 - T0 (Sг2 - Sг1),
де (Sг2 - Sг1) - абсолютна величина зменшення ентропії гарячого джерела, викликана віддачею тепла Q1.
Очевидно, що ця формула буде справедлива незалежно від того, змінюється чи не змінюється температура Тг гарячого джерела. Обов'язковими умовами її справедливості є тільки сталість температури навколишнього середовища і оборотність всіх процесів циклу. Максимальна корисна робота, яка може бути здійснена в ідеальному (оборотному) тепловому двигуні, виявляється абсолютно однаковою, чи буде цей двигун працювати з будь-якого оборотного циклу або в ньому будуть відбуватися будь-які розімкнуті процеси.
Максимальна частка тепла, яка може бути перетворена в роботу, зазвичай виражається через відношення Lmax/Q1, зване термічним к. п. д. теплового двигуна:
ht = Lmax/Q1 = (Q1 - Q2min) / Q1.
При постійних температурах гарячого Тг і холодного Т0 джерел, враховуючи попередні формули максимальний термічний к. п. д. теплового двигуна:
ht = 1 - Т0/Тг.
Можна довести, що значення максимальної роботи, а отже, і максимальний термічний к. п. д. для випадку джерел тепла постійної температури досягається в оборотному прямому циклі Карно, що складається з двох ізотерм і двох адіабати:
Умови побудови прямого циклу Карно наступні:
1) Оскільки підвід тепла оборотний, то при Тг = const температура тіла Т1 протягом всього процесу підведення тепла повинна бути рівною Тг і залишатися сталою: Т1 = Тг = const;
2) Так як і відведення тепла повинен бути обов'язково оборотним, то і температура Т2 тіла в процесі відведення тепла також повинна бути рівна Т0 і залишатися сталою: Т2 = Т0 = const;
3) Оскільки в інших процесах тепло не має підводитися і відводитися, то замикання циклу може здійснюватися тільки процесами з постійною ентропією (S = const), отже, має бути: Sa = Sb і Sc = Sd.
У зображеному на малюнку циклі ізоентропа ab - процес адіабатичного стиснення робочого тіла; ізотерма bc - процес підведення тепла Q1; ізоентропа cd - процес адіабатичного розширення робочого тіла; ізотерма da - процес відведення тепла Q2 до холодного джерела (навколишнього середовища). Одночасно ізотерми bc і da - відповідно процеси відведення тепла від гарячого джерела і підведення тепла до холодного джерела. У цьому, як і в будь-якому іншому, оборотному циклі значення зміни ентропії гарячого і холодного джерел рівні між собою за абсолютною величиною і мають зворотні знаки, тобто
- DSг = DSx
Кінцеве зміна ентропії DSт робочого тіла, що здійснює замкнутий процес, буде дорівнює нулю. Приріст ентропії системи, рівне алгебраїчній сумі ентропії всіх тіл розглянутої системи (обох джерел тепла і робочого тіла), також дорівнює нулю:DSc = åDSi = DSг + DSx + DSт = 0.
Цим підтверджується, що цикл Карно дійсно дає максимальну роботу.
З малюнка знаходимо:
Q1 = TгDSг = Т1DSг;
Q2 = T0DSx = T2DSг,
ЗвідсиLц = Q1 - Q2 = (T1 - T2) DSг.
З урахуванням того, що Sг = Q1/T1, отримаємо
Lц = Q [(T1-T2) / T1].
Термічний к. п. д. цього циклу
ht = Lц / Q1 = 1 - T2/T1 = ht мах
За допомогою прямого циклу Карно можна довести, що відводиться до холодного джерела тепло Q2min не є втратою енергії, а являє собою той «баласт», ту непревратімую частина енергії, яка в будь-який момент, без витрати будь-якої додаткової роботи, може бути відібрана від холодного джерела і повернена гарячого.
Тут слід зауважити, що здійснюючи зворотний цикл Карно, можна, витративши роботу Lц, отримати і віддати гарячого джерела тепла Q1 рівно стільки, скільки було від нього отримано в прямому циклі, а від холодного джерела буде відібрано в точності такий же кількості тепла Q2min, скільки йому було віддано в прямому циклі.
ТЕПЛОВА ІЗОЛЯЦІЯ.
Теплоізоляція - це захист будівель, промислових установок (або окремих їх вузлів) від небажаного теплового обміну з навколишнім середовищем. Так, наприклад, у будівництві та теплоенергетиці теплоізоляція необхідна для зменшення теплових втрат у навколишнє середовище, в холодильній і кріогенної техніки - для захисту апаратури від припливу тепла ззовні.
Теплоізоляція забезпечується пристроєм спеціальних загороджень, виконуваних з теплоізоляційних матеріалів (у вигляді оболонок, покриттів тощо), і утрудняють теплопередачу; самі ці теплозахисні кошти також називаються теплоізоляцією.
При переважно конвективному теплообміні для теплоізоляції використовуються огорожі, що містять шари матеріалу, непроникного для повітря; при променистому теплообміні - конструкції з матеріалів, що відображають теплове випромінювання (наприклад з фольги, металізованої лавсановій плівки); при теплопровідності (основний механізм переносу тепла) - матеріали з розвиненою пористою структурою.
Ефективність теплоізоляції при перенесенні тепла теплопровідністю визначається термічним опором (R) ізолюючої конструкції R = d / l, де d - товщина шару ізолюючого матеріалу, l - його коефіцієнт теплопровідності.
Підвищення ефективності теплопровідності досягається застосуванням високопористих матеріалів і пристроєм багатошарових конструкцій з повітряними прошарками.
У теплових промислових установках теплоізоляція забезпечує значну економію палива, сприяє збільшенню потужності теплових агрегатів і підвищення їх ККД, інтенсифікації технологічних процесів, зниження витрат основних матеріалів. Економічна ефективність теплоізоляції в промисловості часто
оцінюється коефіцієнтом заощадження тепла
Де Q1 - втрати тепла без теплоізоляції, а Q2 - з теплоізоляцією.
Завдання теплоізоляції будівель - знизити втрати тепла в холодний період року і забезпечити сталість температури в приміщеннях протягом доби при коливаннях температури зовнішнього повітря. Застосовуючи для теплоізоляції ефективні теплоізоляційні матеріали, можна істотно зменшити товщину і знизити масу огороджувальних конструкцій і, таким чином скоротити витрату основних будматеріалів.Теплоізоляція - необхідний елемент конструкції транспортних засобів (суден, залізничних вагонів, літаків і т.д.), у яких роль теплозахисту визначається їх призначенням: для засобів пасажирського транспорту - вимогою підтримки комфортних мікрокліматичних умов у салонах; для вантажного - забезпечення заданої температури при мінімальних енергетичних витратах. До ефективності теплоізоляції на транспорті пред'являються підвищені вимоги у зв'язку з обмеженням маси й обсягу огороджувальних конструкцій транспортних засобів.
Матеріали та вироби, що застосовуються для теплоізоляції називаються теплоізоляційними. Теплоізоляційні матеріали характеризуються низькою теплопровідністю (коефіцієнт теплопровідності не більше 0.2 Вт / м * К), високою пористістю, незначною об'ємною масою і міцністю (межа міцності при стисненні 0.05-2.5 МН/м2).
Основний показник якості теплоізоляторів - коефіцієнт теплопровідності. Він є фізичним параметром речовини і в загальному випадку залежить від температури, тиску і роду речовини. У більшості випадків коефіцієнт теплопровідності визначається експериментально за допомогою різних методів. На малюнку показані приблизні значення коефіцієнта теплопровідності для
різних речовин:
Так як тіла можуть мати різну температуру, а при наявності теплообміну і справді температура буде розподілена нерівномірно, то в першу чергу важливо знати залежність коефіцієнта теплопровідності від температури. Досліди показують, що для багатьох матеріалів з достатньою для практики точністю залежність коефіцієнта теплопровідності від температури можна прийняти лінійною:
l = l0 [1 + b (t-t0)],
де l0 - значення коефіцієнта теплопровідності при температурі t0; b - постійна, що визначається досвідченим шляхом.
Коефіцієнт теплопровідності газів. Згідно кінетичної теорії перенесення тепла в газах при звичайних тиску і температурі визначається перенесенням кінетичної енергії молекулярного руху в результаті хаотичного руху і зіткнення окремих молекул газу. При цьому коефіцієнт теплопровідності визначається співвідношенням:
l = wlCvr / 3,
де w - середня швидкість переміщення молекул газу, l - середня довжина вільного пробігу молекул при зіткненні, r - щільність газу.
Зі збільшенням тиску в рівній мірі збільшується щільність, зменшується довжина пробігу і твір rl зберігається постійним. Тому коефіцієнт теплопровідності газів мало змінюється із зміною тиску. Винятки становлять дуже малі (менше 2,66 * 103 Па) і дуже великі (2 * 109 Па) тиску. Коефіцієнт теплопровідності газів лежить в межах від 0,0006 до 0,6 Вт / (м * К). Тому повітря володіє властивостями хорошого теплоізолятора.
Коефіцієнт теплопровідності рідин описується рівнянням:де Ср - теплоємність рідини при постійному тиску, r - щільність рідини, m - її молекулярна маса. Коефіцієнт А пропорційний швидкості поширення пружних хвиль у рідині, не залежить від природи рідини, але при цьому А * Ср = const. Механізм розповсюдження теплоти в крапельних рідинах можна представити як перенесення енергії шляхом неструнких пружних коливань. Коефіцієта теплопровідності рідин лежить в межах від 0,07 до 0,7 Вт / (м * К). Але рідини, як правило, не використовуються в теплозахисної техніці.
Коефіцієнт теплопровідності твердих тіл. Визначається дослідним шляхом або на основі емпіричних формул. У металах основним передавачем є вільні електрони, які можна уподібнити ідеального одноатомного газу. Передача теплоти за допомогою коливальних рухів або у вигляді пружних звукових хвиль не виключається, але її частка незначна порівняно з перенесенням енергії електронним газом. При наявності різного роду домішок коефіцієнт теплопровідності металів різко зменшується. Це можна пояснити збільшенням структурних неоднорідностей, що призводить до розсіювання електронів. Так, наприклад, для чистої міді l = 396 Вт / (м * К), для тієї ж міді зі слідами миш'яку l = 142 Вт / (м * К). Як видно метали не можуть бути хорошими теплоізоляторами від звичайної теплопровідності, хоча вони добре справляються з відображенням ІК-та інших випромінювань в променистому перенесення енергії.
У діелектриках з підвищенням температури коефіцієнт теплопровідності збільшується. Як правило, для матеріалів з більшою щільністю коефіцієнт теплопровідності має більш високе значення.
Теплопровідність залежить від структури матеріалу, його пористості і вологості. Залежність теплопровідності матеріалу від об'ємної вологості може бути виражена емпіричної формулою:
l = lс.м + Dlw,
де lс.м - коефіцієнт теплопровідності матеріалу в повітряно-сухому стані; Dl - приріст коефіцієнта теплопровідності на кожен відсоток збільшення об'ємної вологості; w - об'ємна вологість,%. Величину Dl органічних матеріалів при позитивних температурах приймають рівною 3.5 * 10-3, а при негативних температурах 4 * 10-3 Вт / (м * К); неорганічних матеріалів - відповідно 2,3 * 10-3 і 3,5 * 10 - 3 Вт / (м * К).
Теплоізоляційні матеріали повинні відповідати наступним нормам: вони повинні бути температуро-і морозостійкими, негорючими або мати можливо меншою горючістю, хімічно інертними. Вони неповинні мати запаху або сприймати запахи, володіти достатньою механічною міцністю, вібростійкі, повинні легко оброблятися і різатися, повинні відповідати певним економічним показникам.
Матеріалів, які мають в рівній і повною мірою всіма перерахованими властивостями, поки не існує. З усіх існуючих теплоізоляторів можна виділити високоефективні матеріали (з l = 0,045 Вт / (м * К) в сухому стані і з об'ємною масою до 100 кг/м3):
1) Органічні природні матеріали. До них відносяться різні породи рослинних волосків або рослинного пуху, які знаходили раніше застосування, але тепер рідко використовуються.
2) Органічні штучні матеріали. Дуже перспективними матеріалами цієї підгрупи є пінопласти, одержувані шляхом спінювання синтетичних смол. Пінопласти мають дрібні замкнуті пори і цим відрізняються від поропластов - теж спінених пластмас, але мають з'єднуються пори і тому не використовуються в якості теплоізоляційних матеріалів. Залежно від рецептури і характеру технологічного процесу виготовлення пінопласти можуть бути жорсткими, напівжорсткими і еластичними з порами необхідного розміру; виробам можуть бути додані бажані властивості (наприклад, зменшена горючість).
Пінопласти діляться на термопластичні, або термообратімие, що розм'якшуються при повторному нагріванні, і термонепластічние (термонеобратімие), які твердіють при першому циклі нагрівання і не розм'якшуються при повторному нагріванні; до перших відносяться пенополістіроли (ПС) і пенополівінілхлоріди (ПВХ), до других - пінополіуретани (ПУ ), а також матеріали на основі фенолоформальдегідних (ФФ), епоксидних (Е), кремнійорганічних (К) смол.
Коефіцієнт теплопровідності в пінопластів коливається в межах 0,03 - 0,045 Вт / (м * К).
3) Неорганічні матеріали. Представником цієї підгрупи є алюмінієва фольга (альфоль). Вона застосовується у вигляді гофрованих листів, укладених з утворенням повітряних прошарків. Перевагою цього матеріалу є висока відбивна здатність, що зменшує променистий теплообмін, що особливо помітно при високих температурах. Іншими представниками підгрупи неорганічних матеріалів є штучні волокна: мінеральна, шлаковая і скляна вата. Середня товщина мінеральної вати 6-7 мкм, середній коефіцієнт теплопровідності l = 0,045 Вт / (м * К). Ці матеріали не горючі, не прохідні для гризунів. Вони мають малу гігроскопічність (не більше 2%), але велике водопоглинання (до 600%).
Таким чином, є велика кількість теплоізоляційних матеріалів, з яких може здійснюватись вибір залежно від параметрів і умов експлуатації різних установок, які потребують теплозахисту.
Список літератури:
А.І. Андрющенко «Основи технічної термодинаміки реальних процесів» М., «Вищ. школа », 1975.
І.В. Савельєв «Курс загальної фізики» Видавництво «Наука», М., 1973.
«Теплопередача» В.П. Ісаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. Москва Енергоіздат, 1981.
Р.П. Грушман «Що потрібно знати теплоізоліровщіку». Ленінград Стройиздат, 1987.
Велика сов. енциклопедія. Москва «сов. енциклопедії. », 1976.
Довідник з виробництва теплоізоляційних та акустичних матеріалів. Китайців В.А., М., 1964.
Холодильні установки. Є.С. Курильов, Н. А. Герасимов. Ленінград Машинобудування, 1980.
09.11.1998