Termodinamika asoslari. Termodinamikaning birinchi qonuni. Issiqlik miqdori. Issiqlik dvigatellari. Reja

2. Izobarik jarayonda.
(P=const) sistemaga berilgan issiqlik miqdori sistemaning ichki energiyasining o’zgarishiga va Sistema ish bajarishiga sarflanadi:
Q=∆U+A΄; A΄=Q-∆U; A΄=P∆V=m/MR∆T;
∆U=i/2m/MR∆T; Q=(i+2)m/2MR∆T
Izobarik jarayonda bir atomli gazga berilgan issiqlik miqdorining 0,4 qismiga (40%) ish bajarishga va 0,6 qismi (60%) ichku energiyaning o’zgarishiga sarflanadi.
Termodinamikaning birinchi qonuni - bu fanning asosiy qonunlaridan biri bo'lib, u issiqlik, massa almashinuvi va kimyoviy jarayonlarni amalga oshirishi kerak bo'lgan termodinamik tizimlar uchun energiya saqlanishning umumiy fizik qonunini ifoda qiladi. Saqlanish qonuni (energiya balansi tenglamasi) shaklida birinchi qonun oqim termodinamikasida va muvozanatsiz termodinamikada qo'llaniladi. Muvozanat termodinamikasida termodinamikaning birinchi qonuni odatda energiyaning saqlanish qonunining oqibatlaridan biri sifatida tushuniladi, buning natijasida o'quv va ilmiy adabiyotlarda qo'llaniladigan birinchi qonun formulalarining bir xilligi yo'q. Termodinamikaning birinchi qonuni 19-asr oʻrtalarida nemis olimi J. R. Mayerning mexanik energiyaning saqlanish qonunini dastlab issiqlikka (1842), keyin esa (1845) va undan keyin kengaytirilgan faoliyati natijasida shakllantirildi. Barcha mexanik bo'lmagan hodisalar, yangi qonunni eksperimental asoslab bergan ingliz fizigi J. P. Joul (1843) va nemis fizigi X. Helmgolts (1847), Mayerning ishlarini bilmagan holda, energiyaning saqlanish qonunini kengaytirdilar. uning barcha turlariga to'g'ri keldi va ushbu qonunning umume'tirof etilishida hal qiluvchi rol o'ynadi. Termodinamikaning birinchi qonuni ko'pincha hech qanday manbadan energiya olmasdan ishlaydigan birinchi turdagi doimiy harakatlanuvchi mashinaning (abadiy mobil) mavjudligining mumkin emasligi sifatida ifodalanadi . Bu bayonotning energiyaning saqlanish qonuni bilan bog'liqligi o'z-o'zidan ma'lum.
Tizimning mikroskopik tavsifidan makroskopik tavsifga o'tish tizimni tavsiflash uchun zarur bo'lgan fizik miqdorlar sonining tubdan kamayishiga olib keladi. Shuning uchun termodinamikada tizim ichida mikrodarajada sodir bo'ladigan energiya o'zgarishlari - ba'zan juda murakkab bo'lganlar - batafsil emas, balki bu maqsad uchun maxsus kiritilgan makroskopik miqdor - umumiy energiyaning tarkibiy qismi bo'lgan ichki energiya orqali birgalikda tavsiflanadi. mikroskopik nuqtai nazardan tizimga kiritilgan barcha zarrachalar energiyalarining yig'indisi bo'lgan tizim. Shu sababli, oqim termodinamigi va muvozanatsiz termodinamika masalalari ko'rib chiqilmaydigan darsliklarda birinchi qonun ko'pincha makroskopik tizimlar fizikasiga qo'shimcha miqdor sifatida ichki energiya g'oyasini kiritadigan postulat sifatida shakllantiriladi. termodinamik tizim holatining bir qiymatli, uzluksiz va chekli skalyar funksiyasi. Boshqa har qanday davlat funktsiyasiga kelsak, ichki energiyaning o'zgarishi 𝑈 cheksiz kichik jarayonda to'liq differentsial mavjud 𝑑𝑈 va doiraviy jarayonda ichki energiyaning o'zgarishi nolga teng. Termodinamik tizimning ichki energiyasi ikki xil yo'l bilan o'zgarishi mumkin: tizimda ishlash va atrof-muhit bilan bo'ladigan issiqlik almashinuvi . Atrof-muhit bilan issiqlik almashinuvi jarayonida tizim (tana) oladigan yoki yo'qotadigan energiya issiqlik miqdori yoki oddiygina issiqlik deb ataladi . Issiqlik klassik fenomenologik termodinamikada asosiy termodinamik kattaliklardan biridir.
Issiqlik uzatish orqali tizimning ichki energiyasini o'zgartirish uchun ham ish bajarish kerak. Biroq, bu makroskopik tizim chegarasining siljishi bilan bog'liq bo'lgan mexanik ish emas. Mikroskopik darajada bu ish issiqroq jismning kamroq qizigan bilan aloqa chegarasida molekulalar o'rtasida ta'sir qiluvchi kuchlar tomonidan amalga oshiriladi. Aslida, issiqlik uzatish jarayonida energiya molekulalarning to'qnashuvi paytida elektromagnit o'zaro ta'sir orqali uzatiladi. Shuning uchun molekulyar-kinetik nazariya nuqtai-nazaridan, ish va issiqlik o'rtasidagi farq faqat mexanik ishning bajarilishi molekulalarning makroskopik masshtabda tartibli harakatini talab qilishida, issiqroq jismdan energiya uzatilishida namoyon bo'ladi, kamroq isitiladiganga bu talab qilinmaydi. Energiya nurlanish orqali bir jismdan ikkinchisiga va ularning bevosita aloqasisiz ham uzatilishi mumkin.
Issiqlik miqdori uning boshlang'ich holatidan oxirgi holatga o'tish usuliga bog'liq.
Xalqaro birliklar tizimida (SI) o'lchov birligi Joule hisoblanadi. Kaloriya issiqlik o'lchov birligi sifatida ham ishlatiladi. Rossiya Federatsiyasida kaloriya "sanoat" doirasi bilan vaqt cheklovisiz tizimdan tashqari birlik sifatida foydalanish uchun tasdiqlangan.
Issiqlik miqdori termodinamikaning I - qonunining matematik formulasiga kiritilgan bo'lib, uni quyidagicha yozish mumkin.
�=Δ�+�
Bu yerda
�  - tizimga uzatiladigan issiqlik miqdori,
Δ�  - sistemaning ichki energiyasining o'zgarishi
�  - tizim tomonidan bajariladigan ishi hisoblanadi.
Biroq, issiqlikning to'g'ri ta'rifi I - qonundan qat'i nazar, uni eksperimental o'lchash usulini ko'rsatishi kerak. Issiqlik issiqlik almashinuvi paytida uzatiladigan energiya bo'lgani uchun issiqlik miqdorini o'lchash uchun sinov kalorimetrik tanasi kerak. Sinov organining ichki energiyasini o'zgartirib, tizimdan sinov tanasiga o'tkaziladigan issiqlik miqdorini baholash mumkin va shu bilan I - qonunning to'g'riligini unga kiritilgan barcha uchta miqdorni mustaqil ravishda o'lchash orqali eksperimental tekshirish mumkin: ish, ichki energiya va issiqlik. Agar fenomenologik termodinamikada issiqlik miqdorini kalorimetrik jism yordamida mustaqil o'lchash usuli ko'rsatilmagan bo'lsa, unda I - qonun mazmunli fizik qonun ma'nosini yo'qotadi va issiqlik miqdorining tavtologik ta'rifiga aylanadi.
Bunday o'lchov quyidagicha amalga oshirish mumkin. Ikki jismdan tashkil topgan tizimda bo'lsin � �va adiabatik qobiq bilan o'ralgan, tanasi �  (sinov) tanadan ajratilgan �qattiq, lekin issiqlik o'tkazuvchan qobiq. Keyin u makroskopik ishlarni bajarishga qodir emas, lekin tana bilan issiqlik almashinuvi orqali energiya almashinuvi mumkin �. Tana deb faraz qilaylik �mexanik ishlarni bajarishi mumkin, lekin butun tizim adiabatik tarzda izolyatsiya qilinganligi sababli, u faqat tana bilan issiqlik almashishi mumkin �..Tanaga uzatiladigan issiqlik miqdori �…..ba'zi bir jarayonda miqdor deyiladi. ��=−Δ��,.
Bu yerda
Δ��  - tananing ichki energiyasining o'zgarishi
�  - Energiyaning saqlanish qonuniga ko'ra, tizim tomonidan bajarilgan umumiy ish ikki jism tizimining umumiy ichki energiyasining kamayishiga teng bo'ladi. �=−Δ��−Δ��Bu yerda � organizm tomonidan bajariladigan makroskopik ish �, bu bizga termodinamikaning birinchi qonunining ifodasi sifatida ushbu munosabatni yozishga imkon beradi. Issiqlik dvigateli - issiklik energiyasi mexanik energiyaga aylantiriladigan qurilma. Birlamchi dvigatellar ichida I. d. eng katta guruhni tashkil etadi. I. d. da kimyoviy yoki yadro yoqilgʻisi koʻrinishidagi tabiiy energetik resursdan foydalaniladi. I. d. ning porshenli (qarang Porshenli mashina), rotorli (qarang Vankel dvigateli) va reaktiv (qarang Reaktiv dvigatel) xillari bor. Ular ichki yonuv dvigatellariga va tashki yonuv dvigatellari (qarang Bugʻ mashinasi, Yadro kuch qurilmasi) ga ham boʻlinadi. Issiqlik dvigateli - Issiqlik dvigateli - bu yoqilg'ining ichki energiyasi mexanik energiyaga aylanadigan qurilma.
Keling, eng oddiy ichki yonish dvigatelining tuzilishini eslaylik. Ichki yonish dvigateli silindrdan iborat bo'lib, uning ichida piston harakatlanadi. Porshen krank mili bilan bog'lovchi novda orqali ulanadi. Har bir silindrning tepasida ikkita valf mavjud. Vanalardan biri kirish, ikkinchisi esa chiqish deb ataladi. Pistonning silliq zarbasini ta'minlash uchun krank miliga og'ir volan biriktirilgan.
Ichki yonish dvigatelining ish aylanishi to'rtta zarbadan iborat: qabul qilish, siqish, ish zarbasi, egzoz.
Birinchi zarba paytida kirish valfi ochiladi va egzoz valfi yopiq qoladi. Pastga qarab harakatlanuvchi piston yonuvchi aralashmani silindrga so'rib oladi.
Ikkinchi zarbada ikkala valf ham yopiladi. Yuqoriga qarab harakatlanuvchi piston yonuvchi aralashmani siqadi, bu esa siqilganda qizib ketadi.
Uchinchi zarbada, piston yuqori holatda bo'lganda, aralashma shamning elektr uchquni bilan yonadi. Yonayotgan aralash issiq gazlarni hosil qiladi, ularning bosimi 3-6 MPa, harorati esa 1600-2200 darajaga etadi. Bosim kuchi pistonni pastga suradi, uning harakati volan bilan krank miliga uzatiladi. Kuchli surishni olgandan so'ng, volan keyingi zarbalar paytida pistonning harakatlanishini ta'minlab, inertsiya bilan aylanishni davom ettiradi. Ushbu zarba paytida ikkala valf ham yopiq qoladi.
To'rtinchi zarbada egzoz valfi ochiladi va chiqindi gazlar harakatlanuvchi piston tomonidan susturucu (ko'rsatilmagan) orqali atmosferaga chiqariladi.
Har qanday issiqlik dvigateli uchta asosiy elementni o'z ichiga oladi: isitgich, ishlaydigan suyuqlik, muzlatgich. Issiqlik dvigatelining samaradorligini aniqlash uchun samaradorlik tushunchasi kiritiladi.
Samaradorlik - ma'lum bir dvigatel tomonidan bajarilgan foydali ishning isitgichdan olingan issiqlik miqdoriga nisbati.
Q 1 - isitishdan olingan issiqlik miqdori
Q 2 - muzlatgichga berilgan issiqlik miqdori
- dvigatelning bir tsiklda bajargan ishi.
Bu samaradorlik haqiqiydir, ya'ni. haqiqiy issiqlik dvigatellarini tavsiflash uchun bu formuladan foydalaniladi. Dvigatelning N quvvatini va ish vaqtini t bilgan holda, bir tsiklda bajarilgan ishni formula bo'yicha topish mumkin

Foydalanilmayotgan energiyani muzlatgichga o'tkazish.

19-asrda issiqlik texnikasi bo'yicha ishlar natijasida frantsuz muhandisi Sadi Karno samaradorlikni aniqlashning yana bir usulini taklif qildi (termodinamik harorat orqali).
Bu formulaning asosiy ma'nosi shundan iboratki, harorat T 1 bo'lgan isitgich va T 2 haroratli muzlatgich bilan ishlaydigan har qanday haqiqiy issiqlik dvigateli ideal issiqlik dvigatelining samaradorligidan oshib ketadigan samaradorlikka ega bo'lolmaydi. Sadi Karno issiqlik dvigatelining qaysi yopiq jarayonda maksimal samaradorlikka ega bo'lishini aniqlab, 2 adiabatik va ikkita izotermik jarayondan iborat tsikldan foydalanishni taklif qildi.
Carnot tsikli eng yuqori samaradorlikka ega bo'lgan eng samarali tsikldir.
100% yoki 1 samaradorlikka ega issiqlik dvigateli yo'q. Formula issiqlik dvigatellarining maksimal samaradorligining nazariy chegarasini beradi. Bu shuni ko'rsatadiki, isitgichning harorati qanchalik baland bo'lsa va muzlatgichning harorati past bo'lsa, issiqlik dvigatelining samaradorligi shunchalik yuqori bo'ladi. Faqat mutlaq nolga teng bo'lgan muzlatgich haroratida, ē = 1.
Ammo muzlatgichning harorati deyarli atrof-muhit haroratidan past bo'lishi mumkin emas. Isitgichning haroratini oshirishingiz mumkin. Biroq, har qanday material (qattiq) cheklangan issiqlik qarshiligiga ega, yoki issiqlikka chidamli. Qizdirilganda, u asta-sekin elastik xususiyatlarini yo'qotadi va etarlicha yuqori haroratda eriydi.
Hozir muhandislarning asosiy sa'y-harakatlari dvigatellarning ish samaradorligini oshirishga qaratilgan bo'lib, ular qismlarining ishqalanishini, uning to'liq yonmasligi tufayli yonilg'i yo'qotishlarini va hokazolarni kamaytirishga qaratilgan. Bu erda samaradorlikni oshirishning haqiqiy imkoniyatlari hali ham katta.
Issiqlik dvigatellarining samaradorligini oshirish va uni maksimal darajada yaqinlashtirish eng muhim texnik muammodir. Issiqlik dvigatellari - bug 'turbinalari yuqori haroratli bug' ishlab chiqarish uchun barcha atom elektr stantsiyalarida ham o'rnatiladi. Zamonaviy transportning barcha asosiy turlarida issiqlik dvigatellari asosan qo'llaniladi: avtomobillarda - pistonli ichki yonish dvigatellari; suvda - ichki yonuv dvigatellari va bug 'turbinalari; temir yo'lda - dizel moslamalari bo'lgan teplovozlar; aviatsiyada - pistonli, turbojetli va reaktiv dvigatellar.
Issiqlik dvigatellarining ishlash ko'rsatkichlarini solishtiramiz.
Bug 'dvigateli - 8%.
Bug 'turbinasi - 40%.
Gaz turbinasi - 25-30%.
Ichki yonish dvigateli - 18-24%.
Dizel dvigatel - 40-44%.
Reaktiv dvigatel - 25%
Issiqlik mashinalarining keng qo'llanilishi atrof-muhit uchun iz qoldirmasdan o'tmaydi: atmosferada kislorod miqdori asta-sekin kamayib, karbonat angidrid miqdori ortib bormoqda, havo inson salomatligi uchun zararli kimyoviy birikmalar bilan ifloslanmoqda. Iqlim o'zgarishi xavfi mavjud. Shuning uchun atrof-muhit ifloslanishini kamaytirish yo'llarini izlash bugungi kunda eng dolzarb ilmiy-texnikaviy muammolardan biridir. Har qanday issiqlik dvigatellari tarkibiy qismlarga ega:

•