Теоретический тепловой двигатель Карно

Введение

Теоретический двигатель

Тепловой двигатель Карно – это теоретический тепловой двигатель, работающий по циклу Карно. Базовая модель этого двигателя была разработана Николасом Леонардом Сади Карно в 1824 году. Модель двигателя Карно была графически расширена Бенуа Полем Эмилем Клэпероном в 1834 году и математически исследована Рудольфом Клаузиусом в 1857 году, что привело к фундаментальной термодинамической концепции энтропии. Двигатель Карно является наиболее эффективным тепловым двигателем, который теоретически возможен. Его эффективность зависит только от абсолютных температур горячего и холодного тепловых резервуаров, между которыми он работает. Тепловой двигатель действует, передавая энергию из теплой области в холодную область пространства и, в процессе, преобразуя часть этой энергии в механическую работу. Цикл может быть и обращен. Система может подвергаться воздействию внешней силы, и в этом случае она может передавать тепловую энергию из более холодной системы в более теплую, тем самым функционируя как холодильник или тепловой насос, а не как тепловой двигатель. Каждая термодинамическая система находится в определенном состоянии. Термодинамический цикл происходит, когда система последовательно проходит через ряд различных состояний и, в конечном итоге, возвращается в исходное состояние. В процессе прохождения этого цикла система может совершать работу над окружающей средой, тем самым действуя как тепловой двигатель. Двигатель Карно – это теоретическая конструкция, полезная для изучения пределов эффективности других тепловых двигателей. Однако создание реального двигателя Карно было бы совершенно непрактичным.

Диаграмма Карно

На прилегающей диаграмме, из работы Карно 1824 года "Размышления о движущей силе огня", представлены "два тела A и B, каждое из которых поддерживается при постоянной температуре, причем температура A выше, чем температура B. Эти два тела, которым мы можем передавать или отнимать тепло, не изменяя их температуры, выполняют функции двух неограниченных резервуаров тепла. Мы назовем первое – нагревателем, а второе – холодильником". Затем Карно объясняет, как можно получить движущую силу, то есть "работу", перенося определенное количество тепла от тела A к телу B. Оно также служит охладителем и, следовательно, может выступать в роли холодильника.

Современная диаграмма

На предыдущем изображении показана оригинальная схема поршня и цилиндра, использовавшаяся Карно при обсуждении его идеального двигателя. На рисунке справа представлена блок-схема обобщенного теплового двигателя, например, двигателя Карно. На диаграмме "рабочее тело" (система), термин, введенный Клаузиусом в 1850 году, может быть любой жидкостью или паром, через который тепло Q может быть подведено или передано для совершения работы. Карно предполагал, что рабочим телом может быть любое вещество, способное к расширению, такое как водяной пар, пары спирта, пары ртути, постоянный газ, воздух и т.д. Хотя в те ранние годы двигатели имели различные конструкции, как правило, QH подводилось котлом, в котором вода нагревалась над топкой, а QC отводилось потоком холодной воды в виде конденсатора, расположенного на отдельной части двигателя. Полезная работа, W, передается движением поршня, который используется для вращения кривошипа, который, в свою очередь, обычно приводил в действие шкив для подъема воды из затопленных соляных шахт. Карно определял работу как "вес, поднятый на определенную высоту".

Теорема Карно

Теорема Карно — это формальное утверждение следующего факта: ни одна тепловая машина, работающая между двумя тепловыми резервуарами, не может иметь КПД выше, чем у машины Карно, работающей между теми же резервуарами.

Двигатель Карно и Рудольф Дизель

В 1892 году Рудольф Дизель запатентовал двигатель внутреннего сгорания, вдохновленный двигателем Карно. Дизель знал, что двигатель Карно – это идеал, который невозможно построить, но он полагал, что изобрел рабочую аппроксимацию. Его принцип был ошибочным, но в стремлении к его реализации он разработал практичный дизельный двигатель. Концептуальная проблема заключалась в том, как достичь изотермического расширения в двигателе внутреннего сгорания, поскольку сжигание топлива при самой высокой температуре цикла лишь повысило бы температуру. Патентованное Дизелем решение заключалось в следующем: достигнув максимальной температуры исключительно за счет сжатия воздуха, добавлять небольшое количество топлива с регулируемой скоростью, так, чтобы нагрев от сгорания топлива компенсировался охлаждением, вызванным расширением воздуха при движении поршня. Таким образом, все тепло от топлива преобразовывалось бы в работу во время изотермического расширения, как того требует теорема Карно. Для реализации этой идеи небольшая масса топлива должна была сгорать в огромном объеме воздуха. Дизель первоначально предложил рабочий двигатель, который сжимал бы воздух до 250 атмосфер при , а затем расширял до одной атмосферы при . Однако это значительно превосходило технологические возможности того времени, поскольку подразумевало степень сжатия 60:1. Такой двигатель, если бы его удалось построить, имел бы эффективность 73% (в то время как лучшие паровые двигатели того времени достигали 7%). Соответственно, Дизель попытался найти компромисс. Он рассчитал, что снижение максимального давления до менее амбициозных 90 атмосфер приведет к потере лишь 5% тепловой эффективности. В поисках финансовой поддержки он опубликовал труд «Теория и конструкция рациональной тепловой машины, призванной заменить паровую машину и все известные в настоящее время двигатели внутреннего сгорания» (1893). Получив поддержку научного сообщества, включая лорда Кельвина, он заручился поддержкой Круппа. Он продолжал рассматривать цикл Карно как символ. Однако годы практической работы не позволили создать изотермический двигатель внутреннего сгорания, что было невозможно из-за необходимости огромного количества воздуха, которое не позволяло бы двигателю развить достаточную мощность для его сжатия. Кроме того, регулируемый впрыск топлива оказался непростой задачей. Тем не менее, дизельный двигатель медленно эволюционировал в течение 25 лет, превратившись в практичный двигатель с высокой степенью сжатия воздуха, в котором топливо впрыскивается в конце такта сжатия и воспламеняется от тепла сжатия, достигнув к 1969 году эффективности 40%.

In 1892 Rudolf Diesel patented an internal combustion engine inspired by the Carnot engine. Diesel knew a Carnot engine is an ideal that cannot be built, but he thought he had invented a working approximation. His principle was unsound, but in his struggle to implement it he developed a practical Diesel engine. The conceptual problem was how to achieve isothermal expansion in an internal combustion engine, since burning fuel at the highest temperature of the cycle would only raise the temperature further. Diesel's patented solution was: having achieved the highest temperature just by compressing the air, to add a small amount of fuel at a controlled rate, such that heating caused by burning the fuel would be counteracted by cooling caused by air expansion as the piston moved. Hence all the heat from the fuel would be transformed into work during the isothermal expansion, as required by Carnot's theorem. For the idea to work a small mass of fuel would have to be burnt in a huge mass of air. Diesel first proposed a working engine that would compress air to 250 atmospheres at , then cycle to one atmosphere at However, this was well beyond the technological capabilities of the day, since it implied a compression ratio of 60:1. Such an engine, if it could have been built, would have had an efficiency of 73%. (In contrast, the best steam engines of his day achieved 7%.) Accordingly, Diesel sought to compromise. He calculated that, were he to reduce the peak pressure to a less ambitious 90 atmospheres, he would sacrifice only 5% of the thermal efficiency. Seeking financial support, he published the "Theory and Construction of a Rational Heat Engine to Take the Place of the Steam Engine and All Presently Known Combustion Engines" (1893). Endorsed by scientific opinion, including Lord Kelvin, he won the backing of Krupp and italic=no. He clung to the Carnot cycle as a symbol. But years of practical work failed to achieve an isothermal combustion engine, nor could have done, since it requires such an enormous quantity of air that it cannot develop enough power to compress it. Furthermore, controlled fuel injection turned out to be no easy matter. Even so, the Diesel engine slowly evolved over 25 years to become a practical high compression air engine, its fuel injected near the end of the compression stroke and ignited by the heat of compression, capable by 1969 of 40% efficiency.