Теоретический цикл двигателей с подводом тепла при постоянном объеме и постоянном давлении (смешанный цикл)

Тракторные и автомобильные двигатели работают по смешанному циклу на дизельном топливе. Для самовоспламенения впрыскиваемого топлива степень сжатия должна быть не ниже 14.

Индикаторная диаграмма теоретического цикла представлена на рис. 2.3.

В теоретическом цикле кривая ас диаграммы изображает адиабатическое сжатие рабочего тела, заключенного в цилиндре, сz и zz' – сообщение теплоты, z'b – адиабатическое расширение и ba – отдачу части сообщенной теплоты холодному источнику в соответствии со вторым законом термодинамики.

18 Дайте полный анализ цикла ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении.

По этому циклу работают стационарные и судовые компрессорные двигатели с воспламенением от сжатия или компрессорные дизели.

В дизели в процессе впуска поступает воздух, давление и температура которого повышаются в процессе сжатия. Вследствие применения в дизелях высоких степеней сжатия (от 14 до 20) давление конца сжатия приближается к 3–4 МПа и соответствующая температура значительно превышает температуру самовоспламенения топлива. Топливо впрыскивается в конце сжатия через форсунку, мелко распыляется и, приходя в соприкосновение с сильно нагретым воздухом, начинает гореть.

В этих двигателях для обеспечения хорошего распыливания топлива используют сжатый воздух с давлением около 6 МПа, получаемый в специальных компрессорах, включенных в конструктивную схему двигателя. Насос подает топливо в форсунку, в которую из компрессора подводится сжатый воздух, и в нужный момент внутренняя полость форсунки сообщается с цилиндром, куда поступает смесь распыляющего воздуха и топлива.

Ввиду постепенной подачи топлива через форсунку нельзя получить резкого повышения давления при сгорании, как в цикле с сообщением теплоты при V = const, где все топливо перед сгоранием находится в цилиндре. В двигателях, работающих по циклу с подводом теплоты при P = const, топливо горит постепенно по мере его поступления в цилиндр, в результате чего процесс сгорания происходит при перемещающемся поршне, при почти постоянном давлении.

20 Дайте полный анализ цикла ДВС с максимальным подводом теплоты.

Автомобильные карбюраторные двигатели, а также двигатели газогенераторные, газобаллонные и с впрыском легкого топлива работают по циклу, в котором горючая смесь, вошедшая в цилиндр во время впуска, сжимается, поджигается искрой и быстро сгорает в момент нахождения поршня около ВМТ, т. е. при почти неизменяемом объеме.

Рис. 2.1. Индикаторная диаграмма теоретического цикла с подводом теплоты при постоянном объеме

Теоретический цикл с сообщением тепла при постоянном объеме осуществляется следующим образом. При движении поршня от НМТ (точка а диаграммы теоретического цикла) газ, заполняющий цилиндр, начинает сжиматься. Чтобы довести потери тепла до минимума, стенки цилиндра должны быть абсолютно нетеплопроводными, т. е. покрытыми идеальной тепловой изоляцией. В этом случае процесс сжатия (линия ас индикаторной диаграммы) будет адиабатическим, а внешняя механическая работа, затрачиваемая на сжатие, полностью пойдет на увеличение внутренней энергии сжимаемого газа.

21 Что такое термодинамический процесс? Классификация процессов и изображение их в диаграмме P,V –

Тепловой процесс (термодинамический процесс) — изменение макроскопического состояния термодинамической системы.

Система, в которой идёт тепловой процесс, называется 0%A0%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%87%D0%B5%D0%B5_%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%BE"рабочим телом.

Тепловые процессы можно разделить на 0%A0%D0%B0%D0%B2%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%81%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%86%D0%B5%D1%81%D1%81"равновесные и 0%9D%D0%B5%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%81%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%86%D0%B5%D1%81%D1%81&action=edit&redlink=1"неравновесные. Равновесным называется процесс, при котором все состояния, через которые проходит система, являются 0%A2%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B5_%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%81%D0%B8%D0%B5"равновесными состояниями.

Тепловые процессы можно разделить на 0%9E%D0%B1%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%B8%D0%BC%D1%8B%D0%B9_%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%86%D0%B5%D1%81%D1%81"обратимые и 0%9D%D0%B5%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%B8%D0%BC%D1%8B%D0%B9_%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%86%D0%B5%D1%81%D1%81"необратимые. Обратимым называется процесс, который можно провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния.

22 Дайте определение компрессора, приведите диаграмму P,V – и объясните работу одноступенчатого компрессора.

Компрессор — устройство промышленного применения для сжатия и подачи воздуха и других газов под давлением^[1].

Общепринятая классификация механических компрессоров по принципу действия, под принципом действия понимают основную особенность процесса повышения давления, зависящую от конструкции компрессора. По принципу действия все компрессоры можно разделить на две большие группы: динамические и объёмные.

Поршневой компрессор засасывает пары хладагента со стороны низкого давления и сжимает их до давления конденсации, при котором они могут отдать окружающей среде тепло, воспринятое в испарителе и компрессоре.
Рабочее пространство компрессора со сторонами всасывания и нагнетания сообщается через всасывающие и нагнетательные клапаны. Они открываются и закрываются вследствие перепада давления между рабочей полостью компрессора и пространством за клапаном.
Для открытия всасывающего клапана давление в цилиндре должно быть меньше давления на стороне испарения, откуда в цилиндр поступают новые порции паров хладагента.
Нагнетательный клапан сообщает полость цилиндра со стороной нагнетания лишь тогда, когда давление в цилиндре превысит давление в конденсаторе.
Для отвода тепла от цилиндров, которые сильно разогреваются при сжатии паров, поршневые компрессоры снабжают рубашками охлаждения или ребрами (при охлаждении воздухом). Через рубашки охлаждения пропускают холодную воду, а ребра охлаждения отдают тепло окружающему воздуху.

23 В чем суть внутренней энергии системы? Из каких видов движений микрочастиц она состоит?

Вну́тренняя эне́ргия термодинамической системы (обозначается как E или U) — это сумма энергий теплового движения молекул и межмолекулярных взаимодействий. В аксиоматической термодинамике движение молекул не рассматривается, и внутренняя энергия термодинамической системы определяется как функция состояния системы, приращение которой в любом процессе для адиабатически изолированной системы равно работе внешних сил при переходе системы из начального состояния в конечное0^%92%D0^%BD%D1^%83%D1^%82%D1^%80%D0^%B5^%D0^%BD%D0^%BD%D1^%8^F%D1^%8^F_%D1^%8^D%D0^%BD%D0^%B5^%D1^%80%D0^%B3^%D0^%B8^%D1^%8^F"[1].

Будучи функцией состояния, внутренняя энергия однозначно определяется состоянием системы. Изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равно разности между её значениями в конечном и начальном состояниях, независимо от предыстории системы и от пути, по которому совершался переход.

Внутренняя энергия определяется с точностью до произвольной аддитивной постоянной, и её нельзя измерить напрямую. Можно определить только изменение внутренней энергии, то есть разность внутренней энергии в различных состояниях, которая не зависит от выбора произвольной постоянной.

24 Объясните и покажите на диаграмме P,V – необходимость многоступенчатых компрессоров для получения высоких давлений.

Особенностью работы многоступенчатого компрессора является то, что здесь сжатие чередуется с так называемым промежуточным охлаждением воздуха. Сжатие газовой среды происходит значительно быстрее, чем в однопоршневых машинах. Расход топлива или электроэнергии у такого оборудования немного выше, но любые связанные с этим затраты компенсирует сполна его высокая эффективность.

26 Вывод и характеристика критерия Рейнольдса.

Критерий Рейнольдса является важнейшей характеристикой исследуемого явления, т.к. от соотношения между силами инерции и вязкости зависят основные свойства движущейся жидкости. При соблюдении критерия Рейнольдса критерий Эйлера выполняется автоматически. Если жидкости на модели и в натуре одинаковы (), то при равенстве

или .

Вывод: При моделировании по Рейнальдсу уменьшение размеров модели в раз требует увеличения скорости движения жидкости на модели в такое же количество раз.

Моделирование со строгим соблюдением подобия сил вязкости встречается редко. Для многих изучаемых явлений при больших числах характер движения потока не зависит от изменения числа . Например, величина сопротивления трубы в квадратичной области сопротивления не зависит от числа . Этот и другие примеры доказывают, что для больших чисел для ряда явлений изменение числа Рейнольдса не влияет на характер явления. Это свойство называется автомодельностью и значительно облегчает исследование. Условие автомодельности по Рейнольдсу эквивалентно соблюдению критерия Эйлера. Исходя из вышеизложенного, моделирование по критерию Рейнольдса очень часто проводится при изучении напорных потоков.

26 Вывод и характеристика критерия Рейнольдса.

Критерий Рейнольдса является важнейшей характеристикой исследуемого явления, т.к. от соотношения между силами инерции и вязкости зависят основные свойства движущейся жидкости. При соблюдении критерия Рейнольдса критерий Эйлера выполняется автоматически. Если жидкости на модели и в натуре одинаковы (), то при равенстве

или .

Вывод: При моделировании по Рейнальдсу уменьшение размеров модели в раз требует увеличения скорости движения жидкости на модели в такое же количество раз.

Моделирование со строгим соблюдением подобия сил вязкости встречается редко. Для многих изучаемых явлений при больших числах характер движения потока не зависит от изменения числа . Например, величина сопротивления трубы в квадратичной области сопротивления не зависит от числа . Этот и другие примеры доказывают, что для больших чисел для ряда явлений изменение числа Рейнольдса не влияет на характер явления. Это свойство называется автомодельностью и значительно облегчает исследование. Условие автомодельности по Рейнольдсу эквивалентно соблюдению критерия Эйлера. Исходя из вышеизложенного, моделирование по критерию Рейнольдса очень часто проводится при изучении напорных потоков.

27 Получите выражение для работы расширения. Покажите, что площадь под кривой процесса в P,V – диаграмме численно равна работе

Тепловое расширение – изменение размеров тела при нагревании. Количественной

характеристикой теплового расширения является изобарный коэффициент объемного расширения

(1)

численно равный приращению объема тела, взятого в качестве 1 м³, при его изобарном нагревании на 1 К. На опыте значение определяется по формуле

(2)

где - объем тела при температурах соответственно Для твердых тел, наряду с, вводят коэффициент линейного теплового расширения

(3)

численно равный приращению длины тела, имеющего в начальный момент длину 1 м, при его нагревании на 1 К при постоянном давлении. Для различных твердых тел принимает значения 10^-5 10^-6 К^-1, хотя известны аномалии.

.

.

29.Получите уравнение первого закона термодинамике. Дайте формулировку этого закона

Первый закон термодинамики представляет собой приложение к термодинамической системе общего закона сохранения энергии, согласно которому в замкнутой изолированной системе возможны взаимопревращения форм энергии, но сумма всех видов энергии является величиной постоянной. Аналитическое выражение этой формулировки будет соответствовать равенству энергии такой термодинамической системы в начале и конце процесса:

где Е- энергия термодинамической системы.

Для неизолированной термодинамической системы изменению энергии будет соответствовать сумма работ, произведенных в этой системе, поскольку работа есть мера энергетического взаимодействия. Для такой системы закон сохранения энергии будет представлен выражением:

где А₁ - А_n - работы данной термодинамической системы.

Для получения выражения первого закона термодинамики необходимо установить взаимосвязь различных форм преобразования энергии с полученными в результате этих преобразований работами в теле или системе.

30 что такое температурное поле, изотермическое поверхность и градиент температуры.

ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ совокупность значений температуры во всех точках какой-либо пространственной области в данный момент времени. Различают нестационарное температурное поле (изменяется во времени) и стационарное.

Изотермическая поверхность — поверхность, линии кривизны которой образуют изотермическую сеть.

Градиентом температуры называют предел отношения изменения температуры ∆tк расстоянию между изотермами по нормали ∆n, когда стремится к нулю

31Что такое энтальпия и ее размерность. Приведите формулу энтальпии и ее физический смысл.

Энтальпия — это свойство вещества, указывающее количество энергии, которую можно преобразовать в теплоту.

Энтальпия имеет размерность энергии (кДж). Ее величина пропорциональна количеству вещества; энтальпия единицы количества вещества (моль) измеряется в кДж∙моль–1.

Энтальпия или энергия расширенной системы Е равна сумме внутренней энергии газа U и потенциальной энергии поршня с грузом Eпот = Pfx = pV
H = Е = U + pV

Физический смысыл Энтропия - стремление любого вещества прийти к равновесному состоянию. Пример - конечная точка энтропии человеческого организма - смерть, то есть полное разрушение, следовательно максимально равновесное состоляние.

32Дайте определения вектора плотности теплового потока, приведите и обьесните формулу закона Фурье. Каков физический смысл коэффициента λ?

Уравнение позволяет определить физический смысл и единицы измерения λ

34.Как выражается теплоемкость смеси газов через массовую объемную и мольную доли.

Объемная теплоемкость — теплоемкость, отнесенная к единице объема рабочего тела,

,

где и — объем и плотность тела при нормальных физических условиях.

Объемная теплоемкость измеряется в Дж/(м3 • К).

Мольная теплоемкость — теплоемкость, отнесенная к количеству рабочего тела (газа) в молях,

,

(2.3)

где — количество газа в молях.

Мольную теплоемкость измеряют в Дж/(моль • К).

Массовая и мольная теплоемкости связаны следующим соотношением:

или

,

(2.4)

где - молекулярная масса.

Объемная теплоемкость газов выражается через мольную как

или

,

(2.5)

где м3/моль — мольный объем газа при нормальных условиях.

35. Приведите формулы для определения КПД цикла Карно и изобразите его в диаграмме Р, V.

Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно

.

Аналогично, при изотермическом сжатии рабочее тело отдаёт холодильнику

.

Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен

.

36Получите формулу Майера и выражение теплоемкости через К и R.

Для идеального газа справедливо соотношение Майера:

,

где — универсальная газовая постоянная, — молярная теплоёмкость при постоянном давлении, — молярная теплоёмкость при постоянном объёме.

Уравнение Майера вытекает из первого начала термодинамики, примененного к изобарному процессу в идеальном газе:

,

в рассматриваемом случае:

.

Очевидно, уравнение Майера показывает, что различие теплоёмкостей газа равно работе, совершаемой одним молем идеального газа при изменении его температуры на 1 K, и разъясняет смысл универсальной газовой постоянной — механический эквивалент теплоты.

37Дайте определения теплопередачи. Напишите уравнении теплопередачи. Раскройте физический смысл коэффициента теплопередачи и приведите формулы для его расчета.

Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что является следствием второго закона термодинамики (однако возможно передать тепло от холодного тела с помощью вспомогательных устройств, таких как холодильник). Теплопередачу невозможно остановить, возможно только замедлить её.

Коэффициент теплопередачи k характеризует процесс передачи тепла между двумя теплоносителями через разделяющую их твердую стенку. Определяется коэффициентами теплоотдачи обоих теплоносителей и параметрами теплопередающей стенки (ее толщина и теплопроводность).

38.Перечислите различные виды теплоемкости, укажите на их размерность и запишите связь между ними.

Удельной теплоёмкостью называется теплоёмкость, отнесённая к единичному количеству вещества. Количество вещества может быть измерено в килограммах, кубических метрах и молях. В зависимости от того, к какой количественной единице относится теплоёмкость, различают массовую, объёмную и молярную теплоёмкость.

Массовая теплоёмкость (С) — это количество теплоты, которое необходимо подвести к единице массы вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. В СИ измеряется в джоулях на килограмм на кельвин (Дж·кг⁻¹·К⁻¹).

Объёмная теплоёмкость (С′) — это количество теплоты, которое необходимо подвести к единице объёма вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. В СИ измеряется в джоулях на кубический метр на кельвин (Дж·м⁻³·К⁻¹).

Молярная теплоёмкость (С _μ) — это количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 молю вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. В СИ измеряется в джоулях на моль на кельвин (Дж/(моль·К)).

39.Выведите формулы, для расчета плоской стенки (одно -и многослойной).

Расчет теплопередачи через плоскую стенку удобно выполнять, используя поверхностную плотность теплового потока

q = Q/F,

где Q – тепловой поток, Вт; F – площадь стенки, м²

40Дайте полный анализ изохорного процесса термодинамической системы?

Изохорный процесс (v=const)

Такой процесс может совершаться рабочим телом, находящимся в цилиндре при неподвижном поршне, если к рабочему телу подводится теплота от источника теплоты (см. рис. 4.1) или отводится теплота от рабочего тела к холодильнику. При изохорном процессе выполняется условие dv=0 или v=const. Уравнение изохорного процесса получим из уравнения состояния идеального газа (см. &1.6) при v=const. В pv -координатах график процесса представляет собой прямую линию, параллельную оси p. Изохорный процесс может протекать с повышением давления (процесс 1-2) и с понижением (процесс 1-2’).

Рис. 4.1. График изохорного процесса в p-v координатах

Запишем для точек 1 и 2 уравнения состояния: p₁·v=R·T₁; p₂·v=R·T₂. Следовательно, для изохорного процесса

Приращение внутренней энергии газа

Работ а газа

так как dv=0.

Энтальпия газа i_v=u+p·v, а di_v=du+d(p·v)=du+p·dv+v·dp=du+v·dp. Поэтому

(4.8)

Энтропия

То есть

• 41Выведите формулу адиабатного процесса термодинамической системы?

Изобарный процесс (p=const)

В p-v координатах график процесса представляет собой прямую линию параллельную оси v (рис. 4.2). Изобарный процесс может протекать с увеличением объёма (процесс 1-2) и с уменьшением (процесс 1-2’). Запишем для точек 1 и 2 уравнения состояния: p·v₁=R·T₁; p·v₂=R·T₂.

Рис. 4.2. График изобарного процессав p-v координатах

Следовательно, для изобарного процесса

Приращение внутренней энергии газа Работа газа Так как p·v₂=R·T₂, а p·v₁=R·T₁, то l=R·(T₂-T₁). Следовательно, газовая постоянная имеет определённый физический смысл: это работа 1 кг газа в изобарном процессе при изменении температуры на один градус. Из выражения (4.3) следует, что в изобарном процессе q=c_p·(T₂-T₁). В соответствии с первым законом термодинамики для изобарного процесса можно записать dq=du+p·dv= du+d(p·v)=di. Поэтому в изобарном процессе di=q=c_p·(T₂-T₁). Из соотношений, характеризующих изобарный процесс, вытекает известное уравнение Майера. Так как dq=c_p·dT=c_v·dT+dl=c_v·dT+R·dT, то R=c_p-c_v.

Используя выражение (4.5), можно показать, что в изобарном процессе энтропия газа

44. Вывод и характеристика критерия Пекле.

Число Пекле – безразмерное число, являющееся критерием подобия для процессов конвективного теплообмена. Число Пекле выражается формулой:

или

где l – характерный линейный размер поверхности теплообмена, ν – скорость потока жидкости относительно поверхности теплообмена, а – коэффициент температуропроводности, χ - коэффициент теплопроводности.
c_p – теплоёмкость при постоянном давлении, ρ - плотность и коэффициент теплопроводности жидкости или газа.

Выражая размерность всех величин, входящих в критерий Ре в технической системе единиц получим:

Поэтому критерий Ре зачастую представляют в таком виде:

Число Pe характеризует отношение между конвективным и молекулярным процессами переноса тепла в потоке жидкости или газа. При малых значениях Pe преобладает процесс молекулярной проводимости, при больших – конвективный перенос теплоты. Число Пекле связано с числом Рейнольдса Re и числом Прандтля Pr соотношением:

46. Обьесните физический смысл энтропии и получите формулы для определения энтропии.

ЭНТРОПИЯ - (от греч. entropia - поворот - превращение) (обычно обозначаетсяS), функция состояния термодинамической системы, изменение которой dS в равновесном процессе равно отношению количества теплоты dQ, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре Т системы. Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии, они приближают систему к состоянию равновесия, в котором S максимальна. Понятие "энтропия" введено в 1865 Р. Клаузиусом. Статистическая физика рассматривает энтропию как меру вероятности пребывания системы в данном состоянии (Больцмана принцип). Понятием энтропии широко пользуются в физике, химии, биологии и теории информации.

48. Дайте полный анализ смешанного цикла двигателя внутреннего сгорания.