Внутренняя энергия термодинамической системы состоящей из воздушного огнива: Внутренняя энергия термодинамической системы состоящей из воздушного огнива кусочка ваты и паров жидкост и увеличилась на 10мДж. Чему равна работа внешних сил, если термодинамическая система не получа…

3) Адиабатный процесс, процесс, происходящий в физической системе без теплообмена с окружающей средой.

Если термодинамический процесс в общем случае являет собой три процесса – теплообмен, совершение системой (или над системой) работы и изменение её внутренней энергии,то адиабатический процесс в силу отсутствия теплообмена (ΔQ = 0) системы со средой сводится только к последним двум процессам. Поэтому, первое начало термодинамики в этом случае приобретает вид

, где  — изменение внутренней энергии тела,  — работа, совершаемая системой,  — теплота, полученная системой.

Энтропия (S) системы в обратимом адиабатическом процессе не меняется

, где T – температура системы.

 

Примерами адиабатных процессов могут служить процессы сжатия воздуха в цилиндре воздушного огнива, в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.

В соответствии с первым законом термодинамики, при адиабатном сжатии изменение внутренней энергии газа равно работе внешних сил А:

Так как работа внешних сил при сжатии положительна, внутренняя энергия газа при адиабатном сжатии увеличивается, его температура повышается.

    При адиабатном расширении газ совершает работу A’ за счет уменьшения своей внутренней энергии:

Поскольку при адиабатном сжатии температура газа повышается, то давление газа с уменьшением объема растет быстрее, чем при изотермическом процессе. Понижение температуры газа при адиабатном расширении приводит к тому, что давление газа убывает быстрее, чем при изотермическом расширении.

4 ) Цикл Карно, обратимый круговой процесс, в котором совершается превращение теплоты в работу (или работы в теплоту). Цикл Карно состоит из последовательно чередующихся двух изотермических и двух адиабатных процессов.

П ри постоянной разности температур (T₁ — T₂) между нагревателем и холодильником рабочее тело совершает за один цикл Карно работу

Эта работа численно равна площади ABCD, ограниченной отрезками изотерм и адиабат, образующих цикла.

к оэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен

среди всех возможных циклов, осуществляемых в одном и том же температурном интервале (T1 — T2). В этом смысле кпд цикл Карно служит мерой эффективности др. рабочих циклов.

5) Неэквивалентность взаимных превращений теплота ↔ полезная работа. Доделать

Вечный двигатель второго рода — машина, которая, будучи пущена в ход, превращала бы в работу всё тепло, извлекаемое из окружающих тел. Невозможность осуществления вечного двигателя второго рода постулируется в термодинамике в качестве одной из эквивалентных формулировок второго начала термодинамики.

Д емон Максвелла — мысленный эксперимент 1867 года, а также его главный персонаж — гипотетическое разумное существо микроскопического размера, придуманное Джеймсом Максвеллом с целью проиллюстрировать кажущийся парадокс Второго начала термодинамики.

Таким образом, получается, что демон Максвелла позволяет нагреть правую часть сосуда и охладить левую без дополнительного подвода энергии к системе. Энтропия для системы, состоящей из правой и левой части сосуда, в начальном состоянии больше, чем в конечном, что противоречит термодинамическому принципу неубывания энтропии в замкнутых системах (см. Второе начало термодинамики)

Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами.

Второе начало термодинамики гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.

Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не должна равняться 0.

Энтропия — мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов.

Энтропия по Клаузиусу. . Он определил изменение энтропии термодинамической системы при обратимом процессе как отношение общего количества тепла ΔQ к величине абсолютной температуры T (то есть тепло, переданное системе, при постоянной температуре):

где

dS — приращение энтропии; δQ — минимальная теплота, подведенная к системе; T — абсолютная температура процесса.

Первый закон термодинамики. Тепловые двигатели и КПД тепловых двигателей

1. Первый закон термодинамики. Тепловые двигатели и КПД тепловых двигателей.

1
• Из механики известно, что в замкнутой
системе механическая энергия
сохраняется. Сумма кинетической и
потенциальной энергии постоянна.
Проделаем опыт: Резким ударом по рукоятке воздушного огнива
сожмем воздух в цилиндре. После прекращения действия внешней
силы, сжатый воздух расширится и выбросит поршень из
цилиндра.
Этот опыт показывает,
2
Анализ результатов опытов и наблюдений
природных явлений, выполненных к середине
XIX века, привел немецкого ученого Р.Майера,
английского ученого Д-Джоуля и немецкого
ученого Г.Гельмгольца к выводу о
При любых взаимодействиях тел энергия не
исчезает бесследно и не возникает из ничего.
Энергия только передается от одного тела к
другому или превращается из одной формы в
другую.
3
Способы изменения внутренней энергии
Теплопередача
Теплопроводность
Конвекция
Излучение
Механическая работа (деформация)
Изменение формы:
сгибание подковы
Изменение объема:
вспыхивание ваты при
сжатии воздуха
Трение: опыт Джоуля
Изменение Δ U внутренней энергии системы при
переходе ее из одного состояния в другое равно
сумме работы A внешних сил и количества
теплоты Q, переданного системе
ΔU = Q + A
Q = ΔU + A’
Количество теплоты, полученное системой,
идет на изменение ее внутренней энергии и
на совершение системой работы над
внешними телами.
Виды изопроцессов

8. ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

– процесс, при котором температура не
изменяется
∆Т = 0 ∆U = 1,5νR∆T
∆U = 0
Q =A
Если газ получает теплоту, то он
совершает положительную работу и
расширяется, если газ отдает теплоту,
то его объем уменьшается
Изотермическое расширение
T = const
m= const
V p
V10
p
p1
1
U = 0
A >0
A
Q>0
T1=T2
p2
2
V1
T1=T2 T=0
V2
V
Q = A
Изотермическое сжатие
T = const
m= const
V p
V2
p
p2
2
U = 0
A
A>0
Q
T1=T2
p1
1
V2
T1=T2 T=0
V1
V
Q =-A

11. ИЗОБАРНЫЙ ПРОЦЕСС

– процесс, проходящий при постоянном
давлении (обычно при атмосферном)
p = const
∆T≠ 0 ∆V≠ 0
Q = ∆U + A
Переданное газу количество теплоты
идет на изменение температуры и
объема газа
Изобарное нагревание (расширение)
p=const
m=const
T V
V2>V1 V>0
p
U>0
A >0
A
Q>0
p1=p2
1
2
T2›T1
V1
T2>T1 T>0
V2
V
Q = U +A
Изобарное охлаждение (сжатие)
p=const
m=const
T V
V2‹V1 V‹0
p
U‹0
A ‹0
A›0
Q‹0
p1=p2
2
1
T2‹T1
V2
T2‹T1 T‹0
V1
V
Q = – U-A

14.

ИЗОХОРНЫЙ ПРОЦЕСС – процесс при котором объём не изменяется
(например, закрытый сосуд с газом))
∆V = 0
A = p∆V
А=0
∆U = Q
Если газ получает теплоту, то его
внутренняя энергия увеличивается и
температура повышается. Если газ
отдает теплоту, то наоборот.
Изохорное нагревание
V=const
m=const
p
p2
p1
2
T p
V2=V1 V=0
Q>0
U>0

A =0
A=0
T2>T1
1
V1= V2
T2>T1 T>0
Q = U
V
Изохорное охлаждение
V=const
m=const
p
p1
p2
1
2
V1= V2
T p
T2‹T1 T‹0
V2=V1 V=0
Q‹0
U‹0
A =0
A=0
T2‹T1
Q = – U
V

17. АДИАБАТНЫЙ ПРОЦЕСС

– это модель термодинамического
процесса, происходящего в системе без
теплообмена с окружающей средой
Q=0
∆U = – A
Примеры: а) накачивание камеры
б) двигатель Дизеля
г) охлаждение атмосферного воздуха
Адиабатное расширение (охлаждение)
Q=0
m=const
p
V
p
T
1
p1
p2
V2>V1 V>0
U
A
A’>0
A’= – ∆U
2 T2
V1
T2
V2
V
Адиабатное сжатие (нагревание)
Q=0
m=const
p
V
p
T
2
p2
p1
V2‹V1 V‹0
U›0
A›0
A’‹0
A = ∆U
1 T2›T1
V2
T2›T1 T›0
V1
V

20.

Тепловые двигатели20

21. Основные вопросы:

• Физические основы работы двигателей.
КПД теплового двигателя.
• КПД мышц (сообщение студентов).
• Физические основы тепловой регуляции
организма (сообщение студентов).
• Тепловые двигатели и охрана природы.
21
22
Двигатели внутреннего
сгорания
Паровая
машина
Турбины
Паровая
Карбюраторный
Дизельный
Газовая
Реактивный
23
Механическая
работа в
двигателе
совершается
при
расширении
рабочего
вещества,
перемещающе
го поршень в
цилиндре.
24
Для
цикличной,
непрерывной
работы
двигателя
необходимо
возвращение
поршня в
первоначально
е положение,
т.е. сжатие
рабочего
вещества.
25
Легко сжимаемым является
вещество в газообразном
состоянии, поэтому в качестве
рабочего вещества в тепловых
двигателях используется
или
.
26
Нагреватель
Q1
Рабочее
тело
Aп
Ап Q1 Q2
Q2
Холодильник
27
двигателя
– это отношение работы,
совершаемой двигателем за цикл, к
количеству теплоты, полученному
от нагревателя
28
Так как у всех двигателей некоторое
количество теплоты передается
холодильнику, то
.
КПД теплового двигателя
пропорционален разности температур
нагревателя и холодильника, т.е.
при
.
29

30. Максимальное значение КПД теплового двигателя.

• Еще в 1824г. французский
ученый С.Карно показал,
что в любой тепловой
машине можно получить
полезную работу лишь в
том случае, если энергия
путем теплообмена
переходит от горячего тела
к холодному; при этом лишь
часть этой теплоты может
пойти на совершение
полезной работы.
30

31. Цикл Карно

Сади Карно, выясняя, при каком замкнутом процессе
тепловой двигатель будет иметь максимальный
КПД, предложил использовать цикл, состоящий из
и
Выбор именно этих процессов обусловлен тем, что
работа газа при изотермическом расширении
совершается за счет внутренней энергии
нагревателя, а при адиабатном процессе за счет
внутренней энергии расширяющегося газа.
В этом цикле исключен контакт тел с разной
температурой, а значит, исключена
теплопередача без совершения работы.
31
32
33
• Если абсолютная температура
горячего тела равна Т1, а
холодного – Т2, то максимальный
КПД машины равен:
ηмакс =
.
• Любая реальная тепловая машина, не
может иметь КПД, превышающий
КПД идеальной тепловой машины.
35
36
37
4 тонны
КИСЛОРОДА
800кг
ОКИСИ
УГЛЕРОДА
40кг
ОКИСИ
АЗОТА
200кг
УГЛЕВОДОРОДОВ
СВИНЕЦ
и др.
38

39. Воздействие тепловых двигателей на окружающую среду.

Отрицательное влияние тепловых машин
на окружающую среду связано с действием
различных факторов.
• Во-первых,
39

40. Воздействие тепловых двигателей на окружающую среду.

• Во-вторых,
• В-третьих,
40
41

42. Методы борьбы с вредными воздействиями тепловых двигателей на окружающую среду

Один из способов уменьшения путей загрязнения
окружающей среды связан с использованием в
автомобилях вместо карбюраторных бензиновых
двигателей дизелей, в топливо которых не
добавляют соединения свинца.
Перспективными являются разработки
автомобилей, в которых вместо бензиновых
двигателей применяются электродвигатели или
двигатели, использующие в качестве топлива
водород.
• Другой способ заключается в увеличении КПД
тепловых двигателей
42
43
44

Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия газа

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ ГАЗА  [c.22]

По первому закону термодинамики внутренняя энергия смеси газов будет равна сумме внутренних энергий газов, составляющих смесь  [c.229]

Смешение газов может произойти обратимо, если за счет уменьшения грузов понизится внешнее давление. Газы при этом расширяются до тех пор, пока внутреннее и внешнее давления опять не уравновесятся. Обратимость проявляется в том, что при наложении прежних грузов снова восстанавливается первоначальное состояние. Когда газы расширяются, стенки передвигаются, и грузы при этом поднимаются. Следовательно, система производит работу. При этом в соответствии с первым законом термодинамики внутренняя энергия уменьшается (понижается температура). Поэтому при изотермическом смешении, чтобы обеспечить обратимое протекание процесса, система должна иметь контакт с нагревателем. В этом случае внутренняя энергия остается постоянной и согласно первому закону термодинамики количество тепла, которое сообщает системе нагреватель, равно работе, произведенной системой dQ -dA.  [c.93]

Если первый закон термодинамики применяется к газу, на сжатие которого затрачивается работа, в процессе возрастет внутренняя энергия газа и происходит передача им тепла внешней среде, то уравнение (4. 5) будет иметь вид  [c.57]

Все эти вопросы выясняются с помощью первого закона термодинамики, уравнения, состояния газа и общих выражений для внешней работы, теплоты процесса и изменения внутренней энергии газа.  [c. 44]

ВЫЧИСЛЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА УРАВНЕНИЕ ПЕРВОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ ДЛЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА  [c.76]

Таким процессом является, например, изотермическое расширение идеального газа, находящегося в тепловом контакте с горячим источником. Так как в этом процессе изменение внутренней энергии равно нулю, то согласно первому закону термодинамики, работа, совершенная при расширении газа, равна количеству теплоты, переданной от горячего источника. Таким образом, имеет место полное превращение теплоты в работу. Но это не противоречит второму закону термодинамики, который утверждает, что невозможен процесс, единственным конечным результатом которого будет превращение в работу теплоты, извлеченной от горячего источника. Действительно, в конце изотермического процесса газ занимает объем больше, чем он занимал вначале. Изменение состояния газа и является компенсацией превращения теплоты в работу.  [c.209]

Первый закон термодинамики осуществляет взаимосвязь между количеством теплоты, внутренней энергией и внешней работой газа в процессе, причем было установлено, что количество теплоты, подводимое к телу или отводимое от него, зависит от характера процесса.  [c.88]

Рассмотрим вопрос, какую максимальную работу можно получить от рабочего тела (газа) при заданных условиях. Считаем источник работы и среду изолированной, адиабатной системой, к которой, теплота не подводится и не отводится, т. е. Q = О- Обозначим внутреннюю энергию системы в начальном состоянии (У и в конечном U”. Тогда на основании первого закона термодинамики имеем  [c.126]

В процессах изменения состояния движуш,егося с конечной скоростью газа теплота расходуется не только на изменение внутренней энергии и на совершение внешней работы (против внепших сил), но и на приращение внешней кинетической энергии газа при его перемещении по каналу. Поэтому уравнение первого закона термодинамики для 1 кг газа в дифференциальной форме получает следующий вид  [c.197]

Примерами адиабатных процессов могут служить процессы сжатия воздуха в цилиндре воздушного огнива, в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. В соответствии с первым законом термодинамики, при адиабатном сжатии изменение внутренней энергии газа Д1/ равно работе внешних сил А  [c.100]

Согласно первому закону термодинамики тепло, подводимое к газу, может расходоваться только на повышение внутренней энергии и работу расширения (деформации), т. е.  [c.27]

Уравнения первого закона термодинамики для закрытой термомеханической системы, полученные в 2 главы IV, характеризуют распределение подведенной к газу (или отведенной) теплоты между внутренней энергией его и совершенной им работой. В общем случае это распределение имеет незакономерный характер, т. е. доли теплоты, расходуемые на работу и внутреннюю энергию, при протекании процесса меняются в любых отношениях такие незакономерные процессы не поддаются изучению. В термодинамике изучаются процессы, подчиненные определенной закономерности.  [c.50]

Логично принять за условие протекания таких процессов постоянство распределения подводимой теплоты между внутренней энергией газа и работой, которую он совершает. Для получения наиболее ценных обобщений и простых формул изучение уравнений первого закона термодинамики проводится для 1 кг идеального газа, т. е. газа, внутренняя энергия которого является функцией только температуры, а теплоемкость не зависит от температуры и является постоянной. Пусть в изучаемом процессе на изменение внутренней энергии расходуется ф-я часть всей подводимой теплоты  [c.50]

Так как температура в процессе не меняется, то внутренняя энергия газа также остается постоянной и = 0. Следовательно, уравнение первого закона термодинамики для этого процесса имеет  [c.56]

Эквивалентность тепла и работы является частным результатом более обш,его первого закона термодинамики, который утверждает, что тепло, подводимое к покоящемуся газу, расходуется частично на повышение его температуры, т. е. на увеличение внутренней энергии газа W , и частично на совершение внешней работы L. Первый закон термодинамики можно записать в дифференциальном виде  [c. 127]

Смысл отрицательной теплоемкости можно объяснить, например, следующим образом работа, которую совершает газ при расширении, больше, чем подведенная теплота при этом нз уравнения первого закона термодинамики = + / следует, что часть работы I—q совершается за счет уменьшения внутренней энергии газа Аи = и —и , а уменьшение Aw приводит к снижению температуры. В рассмотренном случае теплоемкость отрицательна,  [c.52]

Просто вопрос решается для идеального газа. Опытами (Гей-Люссак, Джоуль) было установлено, что внутренняя энергия идеального газа не зависит от объема (закон Джоуля). Схема опыта изображена на рис. 2.2. Вначале в левом сосуде находится 1 кг газа при умеренном давлении (чтобы газ оставался идеальным) объем сосуда есть, таким образом, удельный объем. В правом сосуде ничего нет (вакуум). На трубке, соединяющей сосуды, открывают вентиль. Газ расширяется в пустоту (в вакуумированный правый сосуд), работа рди при этом равна нулю, ибо противодействующее давление равно нулю. Температура среды в теплоизолированной камере 1, как оказалось, имеет одно и то же значение до опыта и после него это показывает, что обмена теплотой с окружающей сосуды средой нет. Следовательно, по первому закону термодинамики имеем /=0 =0 Ди=0 2 = ь несмотря на то, что объем увеличился практически вдвое. На этом основании интеграл (2.11) для идеального газа равен нулю.  [c.22]

Определим работу изменения объема газа в цилиндре (см. рис. 2.1,в) в предположении, что теплообмен с окружающей средой отсутствует (стенки цилиндра, окружающие газ, и поршень представляют собой адиабатную оболочку). Потенциалом для определения работы в данном случае служит внутренняя энергия и. Действительно, при dq = Q, согласно первому закону термодинамики, по формуле (2.1,а) имеем  [c.28]

В результате анализа возникают по меньшей мере два вопроса. Во-первых, вопрос о физической сущности ограничения степени превращения внутренней энергии в кинетическую этот вопрос рассмотрим позднее. Во-вторых, вопрос о правильности формулировки задачи об истечении газа. Ведь формула (7.36) выражает первый закон термодинамики и вдруг оказывается, что применение этого закона — закона сохранения энергии — ограничено условием Сомнения, связанные со  [c.179]

Для использования первого закона термодинамики при исследовании процессов изменения состояния надо выразить его в математической форме. Пусть в цилиндре с подвижным поршнем находится 1 кг какого-либо газа. Если подвести к этому газу q единиц тепла, то в общем случае состояние газа изменится, а поршень перейдет в другое положение. Пусть внутренняя тепловая энергия вначале была а в конце Тогда изменение внутренней энергии в течение всего процесса составит  [c.62]

При таком смешении происходит изменение объемов газов и совершается работа против внешних сил, так что нельзя утверждать, как ранее, что внутренняя энергия газа после смешения останется без изменения. Для того чтобы исследовать процесс смешения в этом случае, к нему нужно применить уравнение первого закона термодинамики, которое одновременно учитывает и происходящие изменения внутренней энергии, и работу газа.  [c.147]

Связь между параметрами состояния, а также работа адиабатного процесса в идеальном газе находятся по соответствующим формулам для политропного процесса с заменой показателя политропы п на показатель адиабаты к. Отсутствие теплообмена при протекании адиабатного процесса указывает на то, что в соответствии с первым законом термодинамики работа в этом процессе совершается за счет внутренней энергии q = Аи + I = 0, т. е.  [c.27]

Первое начало термодинамики выражает закон сохранения энергии в применении к преобразованиям механической энергии в тепловую и обратно. Для квазистатических процессов его можно сформулировать следующим образом подведенное к единице массы газа элементарное количество теплоты dQ расходуется на повышение внутренней энергии газа dU и на выполнение работы расширения pdv  [c. 149]

Согласно первому закону термодинамики количество теплоты, сообщенное частице газа при бесконечно малом изменении ее состояния, идет на увеличение внутренней энергии и на совершение работы расширения газа  [c.19]

Рассмотрим термодинамический процесс с позиции первого закона термодинамики. Одна из математических форм записи этого закона термодинамики (8.7) для закрытой системы показывает, что теплота Q подведенная к системе (к объему газа), затрачивается на повышение внутренней энергии рабочего тела этой системы (газа) Ai/и совершение работы L. В общем случае при изучении реальных процессов не известны доли тепла, затраченные на изменение внутренней энергии А i/и совершение работы L. Это крайне затрудняет термодинамический анализ реальных процессов.  [c.97]

В соответствии с первым законом термодинамики тепло, подведенное к газу, расходуется на изменение внутренней энергии и совершение внешней ра-  [c.52]

Уравнение (136) представляет собой математическое выражение первого закона термодинамики количество теплоты йQ, подводимое к системе газа, затрачивается на изменение ее внутренней энергии йи и совершение внешней работы йЬ.  [c.100]

Если предположить, что в качестве рабочего тела взят идеальный газ, то он, расширяясь при неизменной температуре, может в соответствии с первым законом термодинамики преобразовать в работу все количество тепла, полученного от источника тепла, так как изменение внутренней энергии идеального газа при неизменной температуре равно нулю. Но такое расширение  [c.46]

Если обозначить через Q подведенное к газу в каком-либо процессе (фиг. 3.3) тепло, через и — изменение внутренней энергии газа, а через L — внешнюю работу, то основное уравнение, выражающее первый закон термодинамики, можно написать в следую-  [c.58]

Как видим, первый закон термодинамики можно сформулировать следующим образом тепло, подведенное к газу в каком-либо процессе, расходуется на увеличение внутренней энергии газа и на совершение внешней работы.  [c.59]

Согласно первому закону термодинамики изменение внутренней энергии газа определяется уравнением  [c. 62]

Изменение внутренней энергии реального газа при условиях, когда нельзя пренебречь потенциальной энергией молекул или энергией колебательного движения атомов, можно подсчитать по таблицам или специальным диаграммам. В любом случае при самых различных состояниях реального газа изменение внутренней его энергии можно определить по количеству тепла и работы, отданных газом внешней среде или воспринятых от нее, т. е. согласно основному уравнению, выражающему первый закон термодинамики (3.3).  [c.64]

Внутренняя энергия его изменится на величину 2— i- Допустим, что в этом процессе подводится к газу Qi калорий теплоты. Тогда согласно первому закону термодинамики  [c.142]

Это уравнение выражает содержание первого закона термодинамики, состоящего в том, что при указанных выше условиях теплота (dQ), воспринимаемая в процессе газом, идет на изменение (прира щение) его внутренней энергии (dU) и на совершение внешней работы (А dL), выраженной в тепловых единицах.  [c.56]

Так как газы при смешивании не совершают внешней работы, то внутренняя энергия смеси газов, согласно первому закону термодинамики, равна сумме внутренних энергий отдельных газов до смешения (при v = onst)  [c.227]

Необратимый теплообмен. Рассмотрим необратимый процесс нагревания газа в закрытом сосуде (К = onst). Из уравнения первого закона термодинамики (2.5) при 1 = onst следует dQ = dL/, т. е. вся подведенная теплота -затрачивается на изменение внутренней энергии газа. Путем подвода некоторого количества теплоты Q можно повысить температуру от Tj до Г,. Путем понижения температуры до Ту можно отвести теплоту Q.  [c.58]

Рассмотрим процесс перегрева пара (см. рис. 17, процесс с — d). Теплота, сообщаемая пару при р = onst для его перегрева, называется теплотой перегрева пара В T- s-диаграмме она определяется площадью под линией —d. В процессе перегрева пара происходит увеличение температуры и удельного объема газа, т. е. теплота q ep, сообщаемая в этом процессе, расходуется на изменение внутренней энергии Аи = и — ы” и на работу расширения пара /пер = Р (v — v”). В у-диаграмме эта работа определяется площадью под линией с—d. В соответствии с первым законом термодинамики  [c.59]

При адиабатном расширении (вертикальная штриховка) температура газа падает, так же как и давление, по мере движения поршня вправо. В конечной точке 2 давление снижается до атмосферного Ро.с, а температура—до Т , значительно более низкой, чем То.с- Отведенная в виде работы энергия Ьза соответствует вертикально заштрихованной плош,адке. По первому закону термодинамики она будет равна уменьшению внутренней энергии газа 1ад=АУ1 2.  [c.199]

Допустим, что одному К ило прамму газа мы сообщили, не изменяя его объема, ничтожно малое количество тепла Aq, и при этом температура газа изменилась на величину АТ, также ничтожно малую. Согласно первому закону термодинамики, это тепло расходуется на изменение (внутренней энергии газа Аи и на совершение газом внешней работы А/. По уравнению (68) мы Д0ЛЖНЫ1 записать  [c.64]

Если газ нагревается при постоянном объеме, то он работы не совершает, а потому, согласно первому закону термодинамики, iB e затраченное тепло расходуется на изменение внутренней энергии и, следовательно  [c.35]

Сущность вторго закона термодинамики. Первый закон термодинамики устанавливает связь между изменениями внутренней энергии H TeiVibi, количеством теплоты процесса и количеством работы, происходящими при взаимных превращениях различных форм энергии, но не позволяет решить вопрос о возможности и направлении протекания того или иного термодинамического процесса. Между тем этот вопрос имеет большое практическое значение. Обычно превращение работы в теплоту не встречает никаких затруднений и ограничений. Например, работа сил трения или работа по сжатию газа может полностью переходить Б теплоту. Иначе обстоит дело с превраще11ием теплоты в работу. В прямом цикле Карно не вся подведенная теплота превращается в работу часть ее не используется и передается холодильнику. Другой пример теплота от нагретого тела к более холодному переходит сама собой, тогда как обратный процесс невозможен без дополнительной затраты работы.  [c.118]

---

Первый закон термодинамики

Первый Закон

Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии системы равно чистой теплопередаче за вычетом чистой работы, выполненной системой.

Цели обучения

Объясните, как чистое переданное тепло и чистая работа, выполняемая в системе, соотносятся с первым законом термодинамики.

Основные выводы

Ключевые моменты

• Первый закон термодинамики – это версия закона сохранения энергии, специально предназначенная для термодинамических систем.
• В форме уравнения первый закон термодинамики выглядит так: [latex] \ Delta \ text {U} = \ text {Q} – \ text {W} [/ latex].
• Тепловые машины – хороший пример применения первого закона; в них происходит передача тепла, так что они могут выполнять работу.

Ключевые термины

• внутренняя энергия : сумма всей энергии, присутствующей в системе, включая кинетическую и потенциальную энергию; эквивалентно, энергия, необходимая для создания системы, за исключением энергии, необходимой для перемещения ее окружения.
• тепло : энергия, передаваемая от одного тела к другому за счет теплового взаимодействия
• Закон сохранения энергии : Закон, гласящий, что общее количество энергии в любой изолированной системе остается постоянным и не может быть создано или уничтожено, хотя оно может менять форму.

Первый закон термодинамики – это версия закона сохранения энергии, специально предназначенная для термодинамических систем. Обычно его формулируют, утверждая, что изменение внутренней энергии замкнутой системы равно количеству тепла, подаваемого в систему, за вычетом количества работы, выполняемой системой над ее окружением. Закон сохранения энергии можно сформулировать так: энергия изолированной системы постоянна.

Первый закон термодинамики : В этом видео я продолжаю серию обучающих видео по теплофизике и термодинамике. Он рассчитан на бакалавриат и, хотя он в основном нацелен на обучение по физике, должен быть полезен всем, кто изучает первый курс термодинамики, например инженерам и т. Д.

Если нас интересует, как теплопередача превращается в работу, важен принцип сохранения энергии.Первый закон термодинамики применяет принцип сохранения энергии к системам, в которых передача тепла и выполнение работы являются методами передачи энергии в систему и из нее. В форме уравнения первый закон термодинамики равен

.

Внутренняя энергия : Первый закон термодинамики – это принцип сохранения энергии, установленный для системы, в которой тепло и работа являются методами передачи энергии для системы, находящейся в тепловом равновесии. Q представляет собой чистую теплопередачу – это сумма всех теплопередач в систему и из нее.Q положительно для чистой передачи тепла в систему. W – это общая работа, проделанная системой и над ней. W положительно, когда система выполняет больше работы, чем над ней. Изменение внутренней энергии системы ΔU связано с теплом и работой в соответствии с первым законом термодинамики ΔU = Q − W.

[латекс] \ Delta \ text {U} = \ text {Q} – \ text {W} [/ latex].

Здесь ΔU – это изменение внутренней энергии U системы, Q – чистое тепло, переданное системе, а W – чистая работа, выполненная системой.Мы используем следующие соглашения о знаках: если Q положительно, то в системе имеется чистый теплообмен; если W положительно, то система выполняет чистую работу. Таким образом, положительный Q добавляет энергию в систему, а положительный W забирает энергию из системы. Таким образом, ΔU = Q − W. Также обратите внимание, что если в систему передается больше тепла, чем проделанной работы, разница сохраняется как внутренняя энергия. Тепловые двигатели – хороший тому пример – в них происходит передача тепла, чтобы они могли выполнять свою работу.

Постоянное давление и объем

Изобарический процесс – это процесс, в котором газ действительно работает при постоянном давлении, в то время как изохорный процесс – это процесс, в котором поддерживается постоянный объем.

Цели обучения

Контрастные изобарные и изохорные процессы

Основные выводы

Ключевые моменты

• Изобарный процесс происходит при постоянном давлении. Поскольку давление постоянно, прилагаемая сила постоянна, а выполненная работа выражается как PΔV.
• Изобарическое расширение газа требует теплопередачи для поддержания постоянного давления.
• Изохорный процесс – это процесс, в котором объем поддерживается постоянным, что означает, что работа, выполняемая системой, будет равна нулю.Единственное изменение будет заключаться в том, что газ приобретает внутреннюю энергию.

Ключевые термины

• внутренняя энергия : сумма всей энергии, присутствующей в системе, включая кинетическую и потенциальную энергию; эквивалентно, энергия, необходимая для создания системы, за исключением энергии, необходимой для перемещения ее окружения.

Согласно первому закону термодинамики, тепло, передаваемое системе, может быть преобразовано во внутреннюю энергию или использовано для работы с окружающей средой.Процесс, в котором газ воздействует на окружающую среду при постоянном давлении, называется изобарическим процессом, а процесс, в котором поддерживается постоянный объем, называется изохорическим процессом.

Изобарический процесс (постоянное давление)

Изобарный процесс происходит при постоянном давлении. Поскольку давление постоянно, прилагаемая сила постоянна, а выполненная работа выражается как PΔV. Примером может служить подвижный поршень в цилиндре, чтобы давление внутри цилиндра всегда было атмосферным, хотя он изолирован от атмосферы. Другими словами, система динамически связана подвижной границей с резервуаром постоянного давления. Если газ должен расширяться при постоянном давлении, тепло должно передаваться в систему с определенной скоростью. Этот процесс называется изобарическим расширением.

Рис. 1 : Изобарическое расширение газа требует теплопередачи во время расширения, чтобы поддерживать постоянное давление. Поскольку давление постоянно, проделанная работа равна PΔV.

Изохорный процесс (постоянный объем)

Изохорный процесс – это процесс, в котором объем поддерживается постоянным, что означает, что работа, выполняемая системой, будет равна нулю.Отсюда следует, что для простой двухмерной системы любая тепловая энергия, передаваемая системе извне, будет поглощена как внутренняя энергия. Изохорный процесс также известен как изометрический процесс или изоволюметрический процесс. Например, можно поместить в огонь закрытую жестяную банку, содержащую только воздух. В первом приближении баллончик не будет расширяться, и единственное изменение будет заключаться в том, что газ приобретает внутреннюю энергию, о чем свидетельствует повышение его температуры и давления. Математически

[латекс] \ Delta \ text {Q} = \ Delta \ text {U} [/ latex].

Можно сказать, что система динамически изолирована жесткой границей от окружающей среды.

Изотермические процессы

Изотермический процесс – это изменение термодинамической системы, в которой температура остается постоянной.

Цели обучения

Определите типичные системы, в которых происходит изотермический процесс

Основные выводы

Ключевые моменты

• Для идеального газа произведение давления на объем (PV) является постоянным, если газ находится в изотермических условиях.
• Для идеального газа работа, связанная с переходом газа из состояния A в состояние B в результате изотермического процесса, задается как [latex] \ text {W} _ {\ text {A} \ to \ text {B}} = \ text {nRT} \ ln {\ frac {\ text {V} _ \ text {B}} {\ text {V} _ \ text {A}}} [/ latex].
• Для многих систем, если температура поддерживается постоянной, внутренняя энергия системы также остается постоянной. Отсюда следует, что в этом случае Q = -W.

Ключевые термины

• обратимый : Возможность возврата в исходное состояние без потребления свободной энергии и увеличения энтропии.
• идеальный газ : гипотетический газ, молекулы которого не взаимодействуют друг с другом и подвергаются упругому столкновению друг с другом и со стенками контейнера.
• Закон Бойля : Наблюдение, согласно которому давление идеального газа обратно пропорционально его объему при постоянной температуре.

Изотермический процесс – это изменение системы, в которой температура остается постоянной: ΔT = 0. Обычно это происходит, когда система находится в контакте с внешним тепловым резервуаром (термостатом), и изменение происходит достаточно медленно, чтобы позволить система для постоянного регулирования температуры резервуара за счет теплообмена.Напротив, адиабатический процесс – это когда система не обменивается теплом с окружающей средой (Q = 0). (См. Наш атом в «Адиабатическом процессе».) Другими словами, в изотермическом процессе значение ΔT = 0, но Q 0, в то время как в адиабатическом процессе ΔT ≠ 0, но Q = 0.

Идеальный газ в изотермическом процессе

В идеале произведение давления на объем (PV) является постоянным, если газ находится в изотермических условиях. (Исторически это называется законом Бойля.) Однако случаи, когда PV продукта является экспоненциальным членом, не соблюдаются.Значение константы равно nRT, где n – количество моль присутствующего газа, а R – постоянная идеального газа. Другими словами, применяется закон идеального газа PV = nRT. Это означает, что

[латекс] \ text {P} = \ frac {\ text {nRT}} {\ text {V}} = \ frac {\ text {constant}} {\ text {V}} [/ latex]

трюмов.

Расчет работы

В термодинамике работа, связанная с переходом газа из состояния A в состояние B, просто равна

[латекс] \ text {W} _ {\ text {A} \ to \ text {B}} = \ int _ {\ text {V} _ \ text {A}} ^ {\ text {V} _ \ text {B}} \ text {P} \, \ text {dV} [/ latex]. {\ text { V} _ \ text {B}} \ frac {1} {\ text {V}} \ text {dV} = \ text {nRT} \ ln {\ frac {\ text {V} _ \ text {B}} {\ text {V} _ \ text {A}}} [/ latex].

Также стоит отметить, что для многих систем, если температура поддерживается постоянной, внутренняя энергия системы также остается постоянной, и поэтому [latex] \ Delta \ text {U} = 0 [/ latex]. Из первого закона термодинамики следует, что [latex] \ text {Q} = – \ text {W} [/ latex] для того же изотермического процесса.

Адиабатические процессы

Адиабатический процесс – это любой процесс, происходящий без увеличения или уменьшения тепла в системе.

Цели обучения

Оценить среду, в которой обычно происходят изотермические процессы

Основные выводы

Ключевые моменты

• Адиабатические процессы могут возникать, если контейнер системы имеет теплоизолированные стенки или процесс происходит за очень короткое время.
• Для адиабатически расширяющегося идеального одноатомного газа, который действительно воздействует на окружающую среду (W положительно), внутренняя энергия газа должна уменьшаться.
• В некотором смысле изотермический процесс можно рассматривать как противоположную крайность адиабатического процесса. В изотермических процессах теплообмен идет достаточно медленно, чтобы температура системы оставалась постоянной.

Ключевые термины

• Закон Бойля : Наблюдение, согласно которому давление идеального газа обратно пропорционально его объему при постоянной температуре.
• идеальный газ : гипотетический газ, молекулы которого не взаимодействуют друг с другом и подвергаются упругому столкновению друг с другом и со стенками контейнера.
• обратимый : Возможность возврата в исходное состояние без потребления свободной энергии и увеличения энтропии.

Изотермический процесс – это изменение системы, в которой температура остается постоянной: ΔT = 0. Обычно это происходит, когда система находится в контакте с внешним тепловым резервуаром (термостатом), и изменение происходит достаточно медленно, чтобы позволить система для постоянного регулирования температуры резервуара за счет теплообмена. Напротив, адиабатический процесс – это когда система не обменивается теплом с окружающей средой (Q = 0). (См. Наш атом в «Адиабатическом процессе».) Другими словами, в изотермическом процессе значение ΔT = 0, но Q 0, в то время как в адиабатическом процессе ΔT ≠ 0, но Q = 0.

Идеальный газ в изотермическом процессе

В идеале произведение давления на объем (PV) является постоянным, если газ находится в изотермических условиях. (Исторически это называется законом Бойля.) Однако случаи, когда PV продукта является экспоненциальным членом, не соблюдаются.Значение константы равно nRT, где n – количество моль присутствующего газа, а R – постоянная идеального газа. Другими словами, применяется закон идеального газа PV = nRT. Это означает, что

[латекс] \ text {P} = \ frac {\ text {nRT}} {\ text {V}} = \ frac {\ text {constant}} {\ text {V}} [/ latex]

трюмов. Семейство кривых, порожденных этим уравнением, показано на. Каждая кривая называется изотермой.

Изотермы идеального газа : Несколько изотерм идеального газа на фотоэлектрической диаграмме. {\ text { V} _ \ text {B}} \ frac {1} {\ text {V}} \ text {dV} = \ text {nRT} \ ln {\ frac {\ text {V} _ \ text {B}} {\ text {V} _ \ text {A}}} [/ latex].

Также стоит отметить, что для многих систем, если температура поддерживается постоянной, внутренняя энергия системы также остается постоянной, и поэтому [latex] \ Delta \ text {U} = 0 [/ latex]. Из первого закона термодинамики следует, что [latex] \ text {Q} = – \ text {W} [/ latex] для того же изотермического процесса.

Метаболизм человека

Первый закон термодинамики объясняет метаболизм человека: преобразование пищи в энергию, которая используется телом для выполнения действий.

Цели обучения

Противоположный катаболизм и анаболизм в отношении энергии

Основные выводы

Ключевые моменты

• Обмен веществ человека – сложный процесс. Первый закон термодинамики описывает начало и конец этих процессов.
• Наше тело теряет внутреннюю энергию. Эта внутренняя энергия может идти по трем направлениям – к теплопередаче, выполнению работы и накоплению жира.
• Наш организм является хорошим примером необратимых процессов.Хотя телесный жир может быть преобразован для выполнения работы и передачи тепла, работа, выполняемая телом, и передача тепла в него не могут быть преобразованы в телесный жир.

Ключевые термины

• метаболизм : Полный набор химических реакций, происходящих в живых клетках.
• окисление : реакция, в которой атомы элемента теряют электроны и валентность элемента увеличивается.
• калорий : энергия, необходимая для повышения температуры 1 кг воды на 1 кельвин.Это эквивалентно 1000 (маленьких) калорий.

Метаболизм у людей – это преобразование пищи в энергию, которая затем используется организмом для выполнения действий. Это пример действия первого закона термодинамики. Рассматривая тело как систему, представляющую интерес, мы можем использовать первый закон для изучения теплопередачи, выполнения работы и внутренней энергии в различных видах деятельности, от сна до тяжелых упражнений. Например, одним из основных факторов такой активности является температура тела, которая обычно поддерживается постоянной за счет передачи тепла в окружающую среду, что означает, что Q отрицательно (т.е.е., наше тело теряет тепло). Другой фактор заключается в том, что тело обычно работает с внешним миром, а это означает, что W положительна. Таким образом, в таких ситуациях тело теряет внутреннюю энергию, поскольку ΔU = Q − W отрицательно.

есть

Теперь рассмотрим эффекты еды. Организм метаболизирует всю пищу, которую мы потребляем. Прием пищи увеличивает внутреннюю энергию тела за счет добавления химической потенциальной энергии. По сути, метаболизм использует процесс окисления, в котором высвобождается химическая потенциальная энергия пищи.Это означает, что питание осуществляется в форме работы. Энергия пищи указывается в специальной единице, известной как калория. Эта энергия измеряется сжиганием пищи в калориметре, как и определяются единицы.

Катаболизм и анаболизм

Катаболизм – это путь, который расщепляет молекулы на более мелкие единицы и производит энергию. Анаболизм – это образование молекул из более мелких единиц. Анаболизм использует энергию, произведенную катаболическим расщеплением вашей пищи, для создания молекул, более полезных для вашего тела.

Внутренняя энергия

Наше тело теряет внутреннюю энергию, и есть три места, куда эта внутренняя энергия может идти – на передачу тепла, выполнение работы и накопленный жир (крошечная часть также идет на восстановление и рост клеток). Как показано на рис. 1, передача тепла и выполнение работы забирают внутреннюю энергию из тела, а затем пища возвращает ее обратно. Если вы едите только нужное количество пищи, ваша средняя внутренняя энергия остается постоянной. Все, что вы теряете на теплопередачу и выполнение работы, заменяется едой, так что в конечном итоге ΔU = 0.Если вы постоянно переедаете, то ΔU всегда положительно, и ваше тело сохраняет эту дополнительную внутреннюю энергию в виде жира. Обратное верно, если вы едите слишком мало. Если ΔU отрицательное в течение нескольких дней, то организм метаболизирует собственный жир, чтобы поддерживать температуру тела и выполнять работу, которая забирает у тела энергию. Именно так соблюдение диеты способствует снижению веса.

Метаболизм : (а) Первый закон термодинамики применительно к метаболизму. Тепло, передаваемое из тела (Q), и работа, выполняемая телом (W), удаляют внутреннюю энергию, в то время как прием пищи заменяет ее.(Прием пищи можно рассматривать как работу, выполняемую телом.) (Б) Растения преобразуют часть лучистой теплопередачи в солнечном свете в запасенную химическую энергию – процесс, называемый фотосинтезом.

Метаболизм

Жизнь не всегда так проста, как знает любой человек, сидящий на диете. Тело накапливает жир или метаболизирует его только в том случае, если потребление энергии меняется в течение нескольких дней. После того, как вы сели на основную диету, следующая будет менее успешной, потому что ваше тело изменит способ реагирования на низкое потребление энергии.Ваша основная скорость метаболизма – это скорость, с которой пища превращается в теплообмен и работу, выполняемую в то время, когда тело находится в полном покое. Организм регулирует базальную скорость метаболизма, чтобы компенсировать (частично) переедание или недоедание. Организм будет снижать скорость метаболизма, а не устранять собственный жир, чтобы заменить потерянную еду. Вам будет легче охладиться, и вы почувствуете себя менее энергичным в результате более низкой скорости метаболизма, и вы не будете терять вес так быстро, как раньше. Упражнения помогают сбросить вес, потому что они обеспечивают теплоотдачу от вашего тела и работы, а также повышают уровень метаболизма, даже когда вы находитесь в состоянии покоя.

Необратимость

Тело является прекрасным свидетельством того, что многие термодинамические процессы необратимы. Необратимый процесс может идти в одном направлении, но не в обратном, при заданном наборе условий. Например, хотя телесный жир может быть преобразован для выполнения работы и передачи тепла, работа, выполняемая телом, и передача тепла в него не могут быть преобразованы в телесный жир. В противном случае мы могли бы пропустить обед, загорая или спустившись по лестнице. Другой пример необратимого термодинамического процесса – фотосинтез.Этот процесс представляет собой поглощение растениями одной формы энергии – света – и ее преобразование в химическую потенциальную энергию. Оба применения первого закона термодинамики проиллюстрированы в. Одно большое преимущество таких законов сохранения состоит в том, что они точно описывают начальную и конечную точки сложных процессов (таких как метаболизм и фотосинтез) без учета промежуточных осложнений.

11.2 Тепло, удельная теплоемкость и теплопередача

Проводимость, конвекция и излучение

Теплообмен происходит всякий раз, когда возникает разница температур.Передача тепла может происходить быстро, например, через сковороду, или медленно, например, через стенки изолированного холодильника.

Существует три различных метода теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Иногда все три могут происходить одновременно. См. Рисунок 11.3.

Рис. 11.3 В камине передача тепла происходит всеми тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Излучение отвечает за большую часть тепла, передаваемого в комнату. Передача тепла также происходит через теплопроводность в комнату, но гораздо медленнее.Теплообмен за счет конвекции также происходит через холодный воздух, поступающий в комнату вокруг окон, и горячий воздух, покидающий комнату, поднимаясь вверх по дымоходу.

Проводимость – это передача тепла при прямом физическом контакте. Тепло, передаваемое между электрической горелкой плиты и дном сковороды, передается за счет теплопроводности. Иногда мы пытаемся контролировать теплопроводность, чтобы чувствовать себя более комфортно. Поскольку скорость теплопередачи у разных материалов разная, мы выбираем такие ткани, как толстый шерстяной свитер, которые зимой замедляют отвод тепла от нашего тела.

Когда вы идете босиком по ковру в гостиной, ваши ноги чувствуют себя относительно комфортно… пока вы не ступите на кафельный пол кухни. Поскольку ковер и кафельный пол имеют одинаковую температуру, почему один из них холоднее другого? Это объясняется разной скоростью теплопередачи: материал плитки отводит тепло от вашей кожи с большей скоростью, чем ковровое покрытие, что делает его более холодным.

Некоторые материалы просто проводят тепловую энергию быстрее, чем другие.В целом металлы (например, медь, алюминий, золото и серебро) являются хорошими проводниками тепла, тогда как такие материалы, как дерево, пластик и резина, плохо проводят тепло.

На рисунке 11.4 показаны частицы (атомы или молекулы) в двух телах при разных температурах. (Средняя) кинетическая энергия частицы в горячем теле выше, чем в более холодном теле. Если две частицы сталкиваются, энергия передается от частицы с большей кинетической энергией к частице с меньшей кинетической энергией. Когда два тела находятся в контакте, происходит много столкновений частиц, что приводит к чистому потоку тепла от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой.Тепловой поток зависит от разности температур ΔT = Thot-TcoldΔT = Thot-Tcold. Таким образом, вы получите более сильный ожог от кипятка, чем от горячей воды из-под крана.

Рис. 11.4 Частицы в двух телах при разных температурах имеют разные средние кинетические энергии. Столкновения, происходящие на контактной поверхности, имеют тенденцию передавать энергию из высокотемпературных областей в низкотемпературные области. На этой иллюстрации частица в области более низких температур (правая сторона) имеет низкую кинетическую энергию перед столкновением, но ее кинетическая энергия увеличивается после столкновения с контактной поверхностью.Напротив, частица в области более высоких температур (слева) имеет большую кинетическую энергию до столкновения, но ее энергия уменьшается после столкновения с контактной поверхностью.

Конвекция – это передача тепла движением жидкости. Такой тип теплопередачи происходит, например, в котле, кипящем на плите, или во время грозы, когда горячий воздух поднимается к основанию облаков.

Советы для успеха

В обиходе термин жидкость обычно означает жидкость.Например, когда вы заболели и врач говорит вам «выпить жидкости», это означает только пить больше напитков, а не вдыхать больше воздуха. Однако в физике жидкость означает жидкость или газ . Жидкости движутся иначе, чем твердые тела, и даже имеют свой собственный раздел физики, известный как гидродинамика , который изучает их движение.

При повышении температуры жидкости они расширяются и становятся менее плотными. Например, на рис. 11.4 может быть изображена стенка воздушного шара с газами внутри воздушного шара с другой температурой, чем снаружи в окружающей среде.Более горячие и, следовательно, быстро движущиеся частицы газа внутри воздушного шара ударяются о поверхность с большей силой, чем более холодный воздух снаружи, заставляя воздушный шар расширяться. Это уменьшение плотности по отношению к окружающей среде создает плавучесть (тенденцию к повышению). Конвекция обусловлена ​​плавучестью – горячий воздух поднимается вверх, потому что он менее плотен, чем окружающий воздух.

Иногда мы контролируем температуру своего дома или самих себя, контролируя движение воздуха. Герметизация дверей герметичным уплотнением защищает от холодного ветра зимой.Дом на рис. 11.5 и горшок с водой на плите на рис. 11.6 являются примерами конвекции и плавучести, созданными человеком. Океанские течения и крупномасштабная атмосферная циркуляция переносят энергию из одной части земного шара в другую и являются примерами естественной конвекции.

Рис. 11.5 Воздух, нагретый так называемой гравитационной печью, расширяется и поднимается, образуя конвективную петлю, которая передает энергию другим частям комнаты. По мере того, как воздух охлаждается у потолка и внешних стен, он сжимается, в конечном итоге становясь более плотным, чем воздух в помещении, и опускается на пол.Правильно спроектированная система отопления, подобная этой, в которой используется естественная конвекция, может быть достаточно эффективной для равномерного обогрева дома.

Рис. 11.6 Конвекция играет важную роль в теплопередаче внутри этого котла с водой. Попав внутрь жидкости, теплопередача к другим частям кастрюли происходит в основном за счет конвекции. Более горячая вода расширяется, уменьшается по плотности и поднимается, передавая тепло другим областям воды, в то время как более холодная вода опускается на дно. Этот процесс повторяется, пока в кастрюле есть вода.

Излучение – это форма передачи тепла, которая происходит при испускании или поглощении электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение включает радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи, все из которых имеют разные длины волн и количество энергии (более короткие длины волн имеют более высокую частоту и большую энергию).

Вы можете почувствовать теплоотдачу от огня и солнца. Точно так же вы иногда можете сказать, что духовка горячая, не касаясь ее дверцы и не заглядывая внутрь – она ​​может просто согреть вас, когда вы пройдете мимо.Другой пример – тепловое излучение человеческого тела; люди постоянно излучают инфракрасное излучение, которое не видно человеческому глазу, но ощущается как тепло.

Излучение – единственный метод передачи тепла, при котором среда не требуется, а это означает, что тепло не должно вступать в прямой контакт с какими-либо предметами или переноситься ими. Пространство между Землей и Солнцем в основном пусто, без какой-либо возможности теплопередачи посредством конвекции или теплопроводности. Вместо этого тепло передается за счет излучения, и Земля нагревается, поскольку она поглощает электромагнитное излучение, испускаемое Солнцем.

Рис. 11.7 Большая часть тепла от этого пожара передается наблюдателям через инфракрасное излучение. Видимый свет передает относительно небольшую тепловую энергию. Поскольку кожа очень чувствительна к инфракрасному излучению, вы можете почувствовать присутствие огня, даже не глядя на него. (Дэниел X. О’Нил)

Все объекты поглощают и излучают электромагнитное излучение (см. Рисунок 11.7). Скорость передачи тепла излучением в основном зависит от цвета объекта. Черный – наиболее эффективный поглотитель и радиатор, а белый – наименее эффективный.Например, люди, живущие в жарком климате, обычно избегают ношения черной одежды. Точно так же черный асфальт на стоянке будет горячее, чем прилегающие участки травы в летний день, потому что черный поглощает лучше, чем зеленый. Верно и обратное – черный цвет излучает лучше, чем зеленый. Ясной летней ночью черный асфальт будет холоднее, чем зеленый участок травы, потому что черный излучает энергию быстрее, чем зеленый. Напротив, белый цвет – плохой поглотитель и плохой радиатор. Белый объект, как зеркало, отражает почти все излучение.

Виртуальная физика

Формы и изменения энергии

В этой анимации вы исследуете теплопередачу с различными материалами. Поэкспериментируйте с нагревом и охлаждением железа, кирпича и воды. Для этого нужно перетащить объект на пьедестал и затем удерживать рычаг в положении «Нагреть» или «Охлаждать». Перетащите термометр рядом с каждым объектом, чтобы измерить его температуру – вы можете в реальном времени наблюдать за тем, как быстро он нагревается или охлаждается.

Теперь попробуем передать тепло между объектами.Нагрейте кирпич и поместите его в прохладную воду. Теперь снова нагрейте кирпич, но затем поместите его поверх утюга. Что ты заметил?

Выбор опции быстрой перемотки вперед позволяет ускорить передачу тепла и сэкономить время.

Проверка захвата

Сравните, насколько быстро различные материалы нагреваются или охлаждаются. Основываясь на этих результатах, какой материал, по вашему мнению, имеет наибольшую удельную теплоемкость? Почему? Какая из них имеет наименьшую удельную теплоемкость? Можете ли вы представить себе реальную ситуацию, в которой вы хотели бы использовать объект с большой удельной теплоемкостью?

1. Вода занимает больше всего времени, а железу нужно меньше времени, чтобы нагреться и остыть.Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.
2. Вода занимает меньше всего времени, а железу нужно больше времени, чтобы нагреться и остыть. Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.
3. Brick занимает меньше всего времени, а железу нужно больше времени, чтобы нагреться и остыть.Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.
4. Вода займет меньше всего времени, а кирпичу нужно больше времени, чтобы нагреться и остыть. Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.

Глава 3b – Первый закон – Закрытые системы

Глава 3b – Первый закон – Закрытые системы – Стирлинг Эбдинес (обновлено 05.07.2014)

Глава 3: Первый закон термодинамики для Закрытые системы

b) Машины с идеальным циклом Стирлинга (Двигатели / Кулеры)

1.Двигатель цикла Стирлинга

Концептуально двигатель Стирлинга является самым простым из все тепловые двигатели. Он не имеет клапанов и включает в себя внешний обогреватель. пространство и внешнее охлаждаемое пространство. Его изобрел Роберт Стирлинг и интересный сайт Bob Sier включает фотографию Роберта. Стирлинг, его оригинальный патентный рисунок 1816 года и анимированная модель оригинального двигателя Стирлинга.

В исходной форме одноцилиндровый рабочий газ (обычно воздух или гелий) запечатан в цилиндрах с помощью поршень и перемещался между горячим и холодным пространством с помощью вытеснитель.Тяга, приводящая в движение поршень и буйковый уровень, будет двигаться. их так, что газ будет сжиматься, пока он находится в основном в охлаждение пространства сжатия и расширение в горячем расширении космос. Это наглядно показано на анимации, приведенной ниже. был произведен Ричардом Уилером ( Zephyris ) из Википедия . См. Также анимацию, созданную Matt Кевени в своем Стирлинге движок анимация сайт. Поскольку газ имеет более высокую температуру и, следовательно, давление во время его расширение, чем при его сжатии, вырабатывается больше мощности во время расширения, чем реабсорбируется во время сжатия, и это чистая избыточная мощность – это полезная мощность двигателя.Обратите внимание, что нет клапанов или прерывистого горения, что является основным источник шума в двигателе внутреннего сгорания. Такой же рабочий газ используется снова и снова, что делает двигатель Стирлинга герметичная система замкнутого цикла. Все, что добавлено в систему, устойчивый высокотемпературный нагрев, и все, что снимается с Система низкотемпературного (отходящего) тепла и механической мощности.

Афины, штат Огайо, являются рассадником цикловой машины Стирлинга. деятельность, как двигателей, так и охладителей, и включает НИОКР и производственные компании, а также всемирно признанные консультанты в области компьютерного анализа цикла Стирлинга.В Материнской компанией этого вида деятельности является Sunpower . Он был основан Уильямом Бил в 1974 году, в основном на основе его изобретение двигателя Стирлинга со свободным поршнем, которое мы опишем ниже. Они разработали свободнопоршневой двигатель / генератор мощностью 1 кВт, а с 1995 г. эта технология была использована British Gas для разработки ТЭЦ (комбинированного производства тепла). и мощность) – двигатель / генератор мощностью 1 кВт в настоящее время производитель Microgen Engine Corporation (см. Их История и Двигатель интернет страницы).
В 2013 году Sunpower была приобретена Ametek в Пенсильвании, однако продолжает выполнять цикл Стирлинга. разработка машин в Афинах, штат Огайо.

Некоторые примеры одноцилиндровых двигателей Стирлинга: Стирлинг Technology (обратите внимание на недавнее название компании изменение: Комбинированная энергия Technology ) является дочерней компанией Sunpower, и изначально был сформирован с целью продолжения развития и производство СТ-5 мощностью 3,5 кВт Пневматический двигатель . Этот большой одноцилиндровый двигатель сжигает топливо из биомассы (например, гранулы из опилок или рисовую шелуху) и может функционировать как когенерационная установка в сельской местности.Это не свободнопоршневой двигатель и использует кривошипно-шатунный механизм для получения правильная фазировка буйка.
В настоящее время комбинированная энергетическая технология работает с Microgen Engine Corporation , международная компания, производящая свободно-поршневой двигатель / генератор MEC мощностью 1 кВт. Компания Combined Energy Technology разработала многотопливную горелку для Engine и сотрудничает с Microgen, чтобы внедрить различные системы в магазин.

Другой важный ранний двигатель Стирлинга – двигатель Lehmann машина, на которой Густав Шмидт провел первый разумный анализ Двигатели Стирлинга в 1871 году.Энди Росс из Колумбуса, штат Огайо, построил небольшой рабочая копия Lehmann машина , а также модель воздушный двигатель .

Когенерация солнечной энергии и тепла: С нынешний энергетический кризис и кризис глобального потепления, возобновились интерес к возобновляемым энергетическим системам, таким как энергия ветра и солнца, и распределенные системы когенерации тепла и электроэнергии. Круто Энергия из Боулдера, Колорадо, ранее разработали полную солнечную батарею система когенерации тепла и электроэнергии для домашнее использование, включающее технологию двигателя Стирлинга для электричества поколение.В это уникальное приложение было включено эвакуированных трубчатые солнечные тепловые коллекторы (слайд любезно предоставлено rusticresource.com ), аккумуляторы тепла, горячая вода и обогреватели, а также Стирлинг двигатель / генератор, использующий газообразный азот. В настоящее время они концентрируют на низкотемпературных (150 ° C – 400 ° C) системах утилизации отходящего тепла (См .: Cool Обзор двигателя Energy ThermoHeart 25 кВт ().

Идеальный анализ: Пожалуйста примечание , что следующий анализ Двигатели цикла Стирлинга идеальны и предназначены только для примера. из Анализ первого закона закрытых систем.В реальном мире мы не можем ожидать реальные машины работают лучше, чем 40-50% от идеального машина. Анализ реальных машин цикла Стирлинга чрезвычайно сложный и требует сложного компьютерного анализа (см., например, учебный веб-ресурс по адресу: Stirling Анализ цикловой машины .)

Свободнопоршневой двигатель Стирлинга, разработанный Sunpower, Inc уникальна тем, что не имеет механического соединения между поршнем и буйком, таким образом, правильная фазировка между ними происходит за счет использования давления газа и силы пружины.Электроэнергия снимается с двигателя постоянными магнитами. прикреплен к поршню, приводящему в действие линейный генератор переменного тока. В основном Идеальный двигатель Стирлинга претерпевает 4 различных процесса, каждый из которых которые можно анализировать отдельно, как показано на диаграмме P-V ниже. Сначала мы рассматриваем работу, проделанную во время всех четырех процессов.

• Процесс 1-2 – это процесс сжатия, в котором газ сжимается поршнем, в то время как вытеснитель находится на верх цилиндра.Таким образом, во время этого процесса газ охлаждается в для поддержания постоянной температуры T _C . Требуется работа W _1-2 для сжатия газа показано как область под P-V кривой, и оценивается следующим образом.

• Процесс 2-3 – это процесс вытеснения с постоянным объемом, при котором вытесняется газ из холодного пространства в горячее расширяющееся пространство. Никакой работы не сделано, однако, как мы увидим ниже, значительное количество тепла Q _R поглощается газом из матрицы регенератора.

• Процесс 3-4 – это процесс изотермического расширения. Работа W _3-4 выполнена системой и отображается как область под P-V диаграмма, при этом тепло Q _3-4 добавляется в систему от источника тепла, поддержание постоянной температуры газа T _H .

Чистая работа W _net , выполненная за цикл, определяется следующим образом: W _net = (W _3-4 + W _1-2 ), где работа сжатия W _1-2 is отрицательный (работа выполнена по система).

Теперь рассмотрим тепло, передаваемое во время всех четырех процессов, которые позволят нам оценить термический КПД идеальный двигатель Стирлинга. Напомним из предыдущего раздела, что в чтобы провести анализ идеального газа по Первому закону для определения передаваемого тепла, нам потребовалось разработать уравнения для определения изменение внутренней энергии Δu с точки зрения удельной Теплоемкости идеального газа .

Два процесса постоянного объема формируются удерживая поршень в фиксированном положении и перемещая газ между горячие и холодные помещения с помощью вытеснителя.Во время процесса 4-1 горячий газ отдает свое тепло Q _R , проходя через матрицу регенератора, которая впоследствии полностью восстановились в процессе 2-3.

Находим в главе 5 , что это максимальное теоретическое эффективность, достижимая от теплового двигателя, и обычно именуется Carnot эффективность. Для получения дополнительной информации по этому вопросу см. к статье: А Встреча Роберта Стирлинга и Сади Карно в 1824 году представлен на 2014 ISEC .

Обратите внимание, что если регенератор отсутствует, тепло Q _R должно поступать от нагревателя. Таким образом, эффективность будет значительно уменьшится до η _th = W _net / (Q _в + Q _R ). Кроме того, в этом случае кулер должен будет отводить тепло, которое обычно поглощается регенератором, поэтому охлаждающая нагрузка будет увеличился до Q _из + В _Р . Напомним, что Q _{2-3 ​​} = Q _R = -Q _4-1 .

Обратите внимание, что практический цикл Стирлинга имеет много потерь. связаны с ним и на самом деле не связаны с изотермическими процессами, ни идеальной регенерации.Кроме того, так как Free-Piston Stirling велотренажеры используют синусоидальное движение, P-V диаграмма имеет овальную форму, а не острые края определены на приведенных выше диаграммах. Тем не менее мы используем идеальную модель Стирлинга. цикл, чтобы получить начальное понимание и оценку цикла представление.

Проблема 3.2 – The Sunpower EG-1000 Стирлинг Двигатель / Генератор
___________________________________________________________________

2.Охладитель цикла Стирлинга

Один важный аспект машин цикла Стирлинга, который мы должны учитывать, что цикл может быть обращен вспять – если мы положим net работать в цикле, затем его можно использовать для перекачивания тепла из низкого источник температуры на высокотемпературный сток. Солнечная сила активно участвовал в разработке Холодильные системы цикла Стирлинга и производит цикл Стирлинга Кройгенные охладители для сжижения кислорода. В 1984 году Sunpower разработала свободный поршень Duplex Машина Стирлинга , имеющая всего три движущихся части, включая один поршень и два вытеснителя, в которых горел газ Двигатель цикла Стирлинга приводил в действие охладитель цикла Стирлинга.Глобальное охлаждение была основана в 1995 году как дочерняя компания Sunpower, и была создана в основном для разработки свободно-поршневого цикла Стирлинга. охладители для домашнего холодильника. Эти системы, помимо значительно более эффективен, чем обычная парокомпрессия холодильники, имеют дополнительное преимущество в том, что они компактны, портативны агрегаты, использующие гелий в качестве рабочего тела (а не хладагенты HFC например, R134a с потенциалом глобального потепления 1300). Более недавно Global Cooling решила сконцентрировать свое развитие усилия по системам, в которых практически нет конкурентоспособных системы – охлаждение от -40 ° C до -80 ° C, и они установили новое название компании: Stirling Ультрахолодный .
Обновить – 2021: Стирлинг Ultracold при сверхнизких температурах (ULT) морозильные камеры решают беспрецедентные сегодня проблемы развертывания COVID-19. Обратитесь к Walgreens Пример вакцины COVID-19 , а также Стирлинг Ultracold объединится с решениями Biolife .

Нам повезло получить два оригинальных M100B кулеры от Global Cooling. Один используется как демонстрационный блок, и показан в действии на следующей фотографии. Второй устройство настроено как ME Senior Лабораторный проект , в котором мы оцениваем фактическая производительность машины при различных заданных нагрузках и температуры.

Принципиальная схема, за которой следует анимированная схема. кулера (оба любезно предоставлены Global Cooling (в настоящее время Stirling Ultracold ) показаны ниже

Концептуально кулер предельно прост. устройство, состоящее по существу всего из двух движущихся частей – поршня и вытеснитель. Вытеснитель перемещает рабочий газ (гелий) между пространствами сжатия и расширения. Поэтапный переход между поршень и вытеснитель таковы, что когда большая часть газа находится в окружающее пространство сжатия, то поршень сжимает газ, пока отвод тепла в окружающую среду.Затем вытеснитель вытесняет газ. через регенератор в пространство холодного расширения, а затем оба вытеснитель и поршень позволяют газу расширяться в этом пространстве, пока поглощение тепла при низкой температуре.

______________________________________________________________________________________

Задача 3.3 – Цикл Стирлинга Кулер M100B – Идеальный анализ

К сожалению, анализ реального цикла Стирлинга машины чрезвычайно сложны и требуют сложного компьютера анализ.Рассмотрим идеализированную модель этого кулера, определенную в условия диаграммы P-V показано ниже, чтобы определить идеальную производительность M100B в типичных условиях эксплуатации, как описано ниже. ( Примечание что представленные здесь значения не являются фактическими значениями M100B, однако были разработаны вашим инструктором для целей этого упражнения только ).

Процесс (1) – (2) – процесс изотермического сжатия. при температуре T _C = 30 ° C, при этом нагрев Q _C составляет отвергнуты к эмбиенту.Процесс (2) – (3) – постоянный объем процесс вытеснения, во время которого тепло Q _R отводится матрице регенератора. Процесс (3) – (4) – процесс изотермического расширения при температуре T _E = -20 ° C, во время которого нагревается Q _E абсорбируется из морозильной камеры, и, наконец, процесс (4) – (1) является процесс смещения постоянного объема, во время которого тепло Q _R поглощается матрицей регенератора. Таким образом, идеальный Цикл Стирлинга состоит из четырех различных процессов, каждый из которых можно отдельно проанализировать.Состояние (1) определяется на максимальной громкости 35 см ³ и давление 1,9 МПа, а Состояние (2) определяется при минимальном объеме 30 см ³ . Энергия переносится как во время процессов сжатия, так и расширения, указано на схемах P-V следующим образом:

Поскольку рабочая жидкость – гелий, идеальный gas, везде мы используем уравнение состояния идеального газа. Таким образом, P V = m R T, где R = 2,077 кДж / кг K, и Δu = Cv ΔT, где Cv = 3.116 кДж / кг К. (см .: Ideal Свойства газа )

• а) Определите тепло, поглощаемое при расширении. пробел Q _E во время процесс расширения (3) – (4) (Джоуля). Определите также тепло потребляемая мощность (Вт). Обратите внимание, что частота цикла – это линия частота (f = 60 Гц). [Q _E = 8,56Дж (мощность = 513,6Вт)]

• б) Определите чистую работу, выполненную за цикл. (Джоули): W _нетто = W _E + W _C (Обратите внимание, что работа сжатия W _C всегда отрицательна).Определите также подаваемую мощность к линейному электродвигателю (Ватт). [W _net = -1,69Дж (мощность = -101Вт)]

• c) Оценить коэффициент полезного действия холодильник определяется как: COP _R = Q _E / W _нетто . (нагревать поглощается в пространстве расширения, деленном на проделанную работу сети). [COP _R = 5,07]

• г) Определите количество тепла, отбрасываемого рабочая жидкость Q _R как он проходит через матрицу регенератора в процессе (2) – (3).[Q _R = -16,46Дж (мощность = -988 W)]
  Если не было регенератора присутствует, тогда это тепло необходимо отводить от газа с помощью процесс расширения, чтобы снизить температуру до холода температура морозильной камеры. Как это повлияет на производительность круче? Обсудите важность эффективного регенератора в охладитель цикла Стирлинга.

______________________________________________________________________________________

по части c) Закона Первый закон – Дизельные двигатели

по части d) Закона Первый Закон – Цикл Отто

______________________________________________________________________________________

Инженерная термодинамика, Израиль Уриэли под лицензией Creative Общедоступное авторское право – Некоммерческое использование – Совместное использование 3.0 Соединенные Штаты Лицензия

Энтропия | Бесплатный полнотекстовый | Концепции энергии, энтропии и эксергии и их роль в теплотехнике

Далее мы приводим четыре иллюстративных примера (i) генерации энтропии в процессах теплопередачи, (ii) генерации энтропии в стенке, (iii) генерации энтропии, связанной с теплопередачей и наконец (iv) разумная система хранения энергии. Эти примеры подчеркнут важность этих концепций и продемонстрируют факты в области теплотехники.

5.1 Иллюстративный пример 1

Источник тепла при 800 К теряет 2000 кДж тепла в поглотитель при (а) 500 К и (б) 750 К. Определите, какой процесс теплопередачи является более необратимым [10]. Решение: Эскиз резервуаров показан на рис. 6. Оба случая связаны с теплопередачей за счет конечной разницы температур, и поэтому оба необратимы. Величину необратимости, связанной с каждым процессом, можно определить путем расчета общего изменения энтропии для каждого случая.Общее изменение энтропии для процесса теплопередачи с участием двух резервуаров (источника и стока) представляет собой сумму изменений энтропии каждого резервуара, поскольку два резервуара образуют адиабатическую систему.

Или они? Постановка задачи создает впечатление, что два резервуара находятся в прямом контакте во время процесса теплопередачи. Но этого не может быть, поскольку температура в точке может иметь только одно значение, и, следовательно, она не может составлять 800 К с одной стороны от точки контакта и 500 К с другой стороны.Другими словами, температурная функция не может иметь скачкообразного разрыва. Поэтому разумно предположить, что два резервуара разделены перегородкой, через которую температура падает с 800 К с одной стороны до 500 К (или 750 К) с другой. Следовательно, изменение энтропии раздела также следует учитывать при оценке общего изменения энтропии для этого процесса. Однако, учитывая, что энтропия – это свойство, а значения свойств зависят от состояния системы, мы можем утверждать, что изменение энтропии раздела равно нулю, поскольку разделение, по-видимому, претерпело устойчивый процесс и, следовательно, не претерпело никаких изменений в его свойства в любой момент.Мы основываем этот аргумент на том факте, что температура по обе стороны от перегородки и, следовательно, повсюду оставалась постоянной во время этого процесса. Следовательно, мы вправе предположить, что ΔS _partition = 0, поскольку энтропийное (а также энергетическое) содержание раздела оставалось постоянным во время этого процесса. Поскольку каждый резервуар подвергается внутренне обратимому изотермическому процессу, изменение энтропии для каждого резервуара может быть определено из ΔS = Q / T ₀ , где T ₀ – постоянная абсолютная температура системы, а Q – теплопередача для внутренне обратимый процесс.

(a)

Для процесса теплопередачи в сток при 500 K:

ΔS _{источник} = Q _{источник} / T _{источник} = -2000 кДж / 800 K = -2,5 кДж / K

ΔS _сток = Q _{источник} / T _{источник} = 2000 кДж / 500 K = +4.0 кДж / К

и

S _gen = ΔS _всего = ΔS _{источник} + ΔS _сток = (-2,5 + 4,0) кДж / К = + 1,5 кДж / К

Следовательно, 1.Во время этого процесса генерируется 5 кДж / К энтропии. Учитывая, что оба резервуара претерпели внутренне обратимые процессы, вся генерация энтропии происходила в разделе.

(b)

Повторяя вычисления в части (a) для температуры стока 750 K, мы получаем

ΔS _{источник} = -2,5 кДж / K

ΔS _сток = +2,7 кДж / К

и

S _gen = ΔS _всего = (-2,5 + 2.7) кДж / К = + 0,2 кДж / К

Общее изменение энтропии для процесса в части (b) меньше, и поэтому оно менее необратимо. Это ожидается, поскольку процесс в (b) включает меньшую разницу температур и, следовательно, меньшую необратимость.

Обсуждение: Необратимость, связанная с обоими процессами, может быть устранена путем использования теплового двигателя Карно между источником и поглотителем. Для этого случая можно показать, что ΔS _total = 0.

Рисунок 6. Схема для примера генерации энтропии в процессах теплопередачи.

Рисунок 6. Схема для примера генерации энтропии в процессах теплопередачи.

5.2 Иллюстративный пример 2

Рассмотрим устойчивую теплопередачу через кирпичную стену размером 5 × 6 м дома толщиной 30 см. В день, когда температура на улице 0 ° C, в птичнике поддерживается 27 ° C. Измеренные температуры внутренней и внешней поверхностей кирпичной стены составляют 20 ° C и 5 ° C соответственно, а скорость передачи тепла через стену составляет 1035 Вт.Определите скорость генерации энтропии в стенке и скорость генерации полной энтропии, связанной с этим процессом теплопередачи [10]. Решение: Сначала возьмем стену как систему (рис. 7). Это замкнутая система, так как никакая масса не пересекает границу системы во время процесса. Отметим, что изменение энтропии стенки во время этого процесса равно нулю, поскольку состояние и, следовательно, энтропия стенки нигде в стенке не изменяются. Тепло и энтропия входят с одной стороны стены и уходят с другой.

Допущения: (i) Процесс является устойчивым, и, следовательно, скорость теплопередачи через стену постоянна. (ii) Передача тепла через стену одномерна.

Анализ: Скоростная форма баланса энтропии для стены упрощается до

(Q⋅ / T) вход – (Q⋅ / T) выход + Sgen⋅ = 0⇒ (1035 Вт / 293 K) – (1035 Вт / 278 K) + Sgen⋅ = 0⇒Sgen⋅ = 0,191 Вт / K__

Следовательно, скорость генерации энтропии в стенке составляет 0,191 Вт / К.

Обратите внимание, что передача энтропии теплом в любом месте равна Q / T в этом месте, и направление передачи энтропии такое же, как и направление теплопередачи.

Чтобы определить скорость генерации общей энтропии во время этого процесса теплопередачи, мы расширили систему, включив в нее области по обе стороны стены, в которых происходит изменение температуры. Тогда одна сторона границы системы становится комнатной температуры, а другая сторона становится температурой наружного воздуха. Баланс энтропии для этой расширенной системы (непосредственное окружение системы) будет таким же, как указано выше, за исключением двух граничных температур 300 и 273 К вместо 293 и 278 К соответственно.Тогда скорость генерации полной энтропии станет

(1035 Вт / 300 K) – (1035 Вт / 273 K) + S⋅gen, всего = 0⇒S⋅gen, всего = 0,341 Вт / K__

Обсуждение: Обратите внимание, что изменение энтропии этой расширенной системы также равно нулю, поскольку состояние воздуха не изменяется ни в какой момент во время процесса. Разница между двумя поколениями энтропии составляет 0,150 Вт / К и представляет собой энтропию, генерируемую в воздушных слоях по обе стороны от стены. Генерация энтропии в этом случае полностью происходит за счет необратимой передачи тепла через конечную разницу температур.

Рисунок 7. Схема для примера генерации энтропии в стене.

Рисунок 7. Схема для примера генерации энтропии в стене.

5.3 Иллюстративный пример 3

Рассмотрим поршневой цилиндр без трения, содержащий насыщенную парожидкостную смесь воды при 100 ° C. В процессе постоянного давления окружающему воздуху передается 600 кДж тепла при температуре 25 ° C. В результате часть водяного пара, содержащегося в цилиндре, конденсируется.Определите (а) изменение энтропии воды и (б) генерацию полной энтропии во время этого процесса теплопередачи [10]. Решение: Сначала возьмем воду в баллоне как систему (рис. 8). Это замкнутая система, так как никакая масса не пересекает границу системы во время процесса. Отметим, что давление и, следовательно, температура воды в цилиндре остаются постоянными во время этого процесса. Кроме того, энтропия системы снижает процесс из-за потери тепла.

Допущения: (i) В границах системы нет необратимости, и, следовательно, процесс является внутренне обратимым.(ii) Температура воды остается постоянной на уровне 100 ° C повсюду, включая границы.

Анализ: (a) Учитывая, что вода подвергается внутренне обратимому изотермическому процессу, изменение ее энтропии можно определить по формуле

(b)

Чтобы определить генерацию общей энтропии во время этого процесса, мы рассматриваем расширенную систему, которая включает воду, поршневой цилиндр и область непосредственно за пределами системы, которая испытывает изменение температуры, так что вся Граница расширенной системы находится при температуре окружающей среды 25 ° C.Баланс энтропии для этой расширенной системы (непосредственное окружение системы) дает

Генерация энтропии в этом случае полностью происходит за счет необратимой передачи тепла через конечную разницу температур.

Обратите внимание, что изменение энтропии этой расширенной системы эквивалентно изменению энтропии воды, поскольку устройство поршень-цилиндр и непосредственное окружение не испытывают никаких изменений состояния ни в какой момент, и, следовательно, никаких изменений каких-либо свойств, включая энтропию.

Обсуждение В качестве аргумента рассмотрим обратный процесс (т.е. передачу 600 кДж тепла от окружающего воздуха при 25 ° C насыщенной воде при 100 ° C) и посмотрим, может ли принцип увеличения энтропии обнаружить невозможность этого процесса. На этот раз теплопередача будет к воде (приток тепла вместо потерь тепла), и, таким образом, изменение энтропии воды будет +1,61 кДж / К. Кроме того, перенос энтропии на границе расширенной системы будет иметь такую ​​же величину, но в противоположном направлении.Это приведет к генерации энтропии -0,4 кДж / К. Отрицательный знак для генерации энтропии указывает, что обратный процесс невозможен.

Чтобы завершить обсуждение, давайте рассмотрим случай, когда температура окружающего воздуха является разницей ниже 100 ° C (скажем, 99,999… 9 ° C) вместо 25 ° C. На этот раз передача тепла от насыщенной воды к окружающему воздуху будет происходить за счет разницы температур, что делает этот процесс обратимым.Можно показать, что S _gen = 0 для этого процесса.

Помните, что обратимые процессы – это идеализированные процессы, и к ним можно приблизиться, но никогда не достичь в реальности.

Рисунок 8. Схема для примера генерации энтропии, связанной с переносом тепла [10]. Рисунок 8. Схема для примера генерации энтропии, связанной с переносом тепла [10].

Дальнейшее обсуждение генерации энтропии, связанной с процессом теплопередачи:

В приведенном выше примере определено, что 0.4 кДж / К энтропии генерируется в процессе теплопередачи, но неясно, где именно происходит генерация энтропии и как. Чтобы точно определить место генерации энтропии, нам нужно уточнить описание системы, ее окружения и границ системы.

В этом примере мы предположили, что и система, и окружающий воздух изотермические при 100 ° C и 25 ° C соответственно. Это предположение разумно, если обе жидкости хорошо перемешаны. Внутренняя поверхность стены также должна иметь температуру 100 ° C, а внешняя поверхность – 25 ° C, поскольку два тела, находящиеся в физическом контакте, должны иметь одинаковую температуру в точке контакта.Учитывая, что передача энтропии с теплопередачей Q через поверхность при постоянной температуре T равна Q / T, передача энтропии от воды в стенку составляет Q / T _sys = 1,61 кДж / K. Аналогичным образом, передача энтропии от внешней поверхности стены в окружающий воздух составляет Q / T _или = 2,01 кДж / К. Очевидно, что в стенке генерируется энтропия в размере (2,01 – 1,61) = 0,4 кДж / К, как показано на рис. 9b.

Определение места генерации энтропии позволяет нам определить, является ли процесс внутренне обратимым.Процесс является внутренне обратимым, если в границах системы не генерируется энтропия. Следовательно, процесс теплопередачи, описанный в приведенном выше примере, является внутренне обратимым, если внутренняя поверхность стенки считается границей системы, и, таким образом, система исключает стенку контейнера. Если за границу системы берется внешняя поверхность стенки контейнера, то процесс больше не является внутренне обратимым, поскольку стенка, которая является местом генерации энтропии, теперь является частью системы.

Для тонких стен очень заманчиво игнорировать массу стены и рассматривать стену как границу между системой и окружающей средой. Этот, казалось бы, безобидный выбор скрывает от взгляда место генерации энтропии и является источником путаницы. Температура в этом случае внезапно падает с T _sys до T _surr на граничной поверхности, и возникает путаница относительно того, какую температуру использовать в отношении Q / T для передачи энтропии на границе.

Обратите внимание, что если система и окружающий воздух не являются изотермическими в результате недостаточного перемешивания, то часть генерации энтропии будет происходить как в системе, так и в окружающем воздухе вблизи стены, как показано на рис.9c. Рисунок 9. Схематическое изображение генерации энтропии в процессе теплопередачи за счет конечной разности температур [10]. Рисунок 9. Схематическое изображение генерации энтропии в процессе теплопередачи за счет конечной разности температур [10].

5.4 Иллюстративный пример 4

В этом примере мы рассматриваем систему разумного накопления энергии (SES), охватывающую три процесса, такие как зарядка, хранение и разрядка (Рисунок 10), чтобы четко различать концепции энергии и эксергии и подчеркивать важность эксергии. как потенциальный инструмент для практических термодинамических систем.

1) Рассмотрим две системы SES, X и Y, в среде с температурой 25 ° C. Каждый из них получает 104 650 кДж тепла из потока 500 кг воды, охлаждаемой с 80 до 30 ° C. Следовательно, подвод тепла к каждому накопителю во время периода зарядки составляет

Q _; = m _i c _p ΔT = 500 x 4,186 x (80-30) = 104,650 кДж

Для системы X:

Через сутки тепло в размере 94,185 кДж рекуперируется в период разгрузки из накопительной системы X потоком 4500 кг воды, нагретой от 30 до 35 ° C.То есть

Q _o = m _o cp ΔT = 4500 x 4,186 x (35-30) = 94,185 кДж

Следовательно, энергоэффективность для системы SES X становится

η _x = Q _o / Q _i = 94,185 / 104,650 = 0,90

Отвод тепла в окружающую среду во время хранения составляет:

Q _r = Q _; – Q _o = 104,650 – 94,185 = 10,465 кДж

Для системы Y:

Для системы хранения Y тепло, рекуперированное во время разряда, энергоэффективность и отвод тепла в окружающую среду можно оценить аналогичным образом. способ.В связи с этим система накопления Y сохраняет тепло в течение 90 дней, после чего количество энергии 94185 кДж восстанавливается в течение периода разгрузки путем нагрева потока 500 кг воды от 30 до 75 ° C, с получением энергии КПД цикла хранения выглядит следующим образом:

Q _o = m _o cp ΔT = 500 x 4,186 x (75-30) = 94,185 кДж

Таким образом, энергоэффективность для системы SES Y может быть такой же в качестве хранилища X.

η _{x =} Q _o / Q _i = 94 185/104 650 = 0.90

Величина отвода тепла в окружающую среду при хранении составляет:

Q _r = Q _; – Q _o = 104 650 – 94 185 = 10 465 кДж

Полезно отметить, что способность сохранять физическое тепло в данном резервуаре (или контейнере) в то же время сильно зависит от значения материала ρc _p .

В результате обе системы хранения имеют одинаковую энергоэффективность при расчете с учетом первого закона термодинамики, но система хранения Y, которая хранит тепло в течение 90 дней, а не один день, и которая возвращает тепло в гораздо большей степени. более полезная температура 75, а не 35 ° C, дает значительно высокие характеристики.Ясно, что необходима более проницательная мера сравнения, чем та, которая обеспечивается энергоэффективностью цикла хранения, если необходимо оценить истинную полезность SES и установить рациональную основу для оптимизации ее экономической ценности. Следовательно, необходимо ввести эксергетическую эффективность, которая является мерой эффективности системы SES. Эффективность, определяемая просто как процент от общей энергии, хранящейся в системе, которая может быть восстановлена, игнорирует качество (доступность) восстановленной энергии и поэтому не может обеспечить измерение идеальной производительности, как упоминалось ранее.Очевидно, что определение эксергетической эффективности дает более точную меру.

2) Рассмотрим вышеупомянутый пример систем SES X и Y. Для соответствующих случаев ниже проводится эксергетический анализ. Эффективность эксергии можно легко получить с помощью уравнений, перечисленных в таблице 3. Изменение эксергии во время периода зарядки можно получить как

A _i = m _j c _p [(T ₁ – T ₂ ) – T ₀ (ln (T ₁ / T ₂ )] = 500 x 4.186 x [(353 – 303) – 298 x (In (353/303)] = 9386,88 кДж

Для системы X:

Изменение эксергии во время периода разгрузки для системы хранения X можно рассчитать следующим образом:

A _o = m _o c _p [(T ₁ – T ₂ ) – T ₀ (ln (T ₁ / T ₂ )] = 4500 x 4,186 x [(308 – 303) – 298 x (In (308/303)] = 2310,18 кДж

Следовательно, эффективность эксергии для хранения X становится

ψ _x = A _o / A _i = 2310.18 / 9386,88 = 0,25

Для системы Y:

Как упоминалось ранее, тепло извлекается из хранилища через 90 дней потоком 500 кг воды, поступающей при 30 ° C и выходящей при 75 ° C. Изменение эксергии и эффективность системы хранения Y могут быть получены следующим образом:

Рисунок 10. Схема трех подпроцессов разумной системы накопления энергии.

Рисунок 10. Схема трех подпроцессов разумной системы накопления энергии.

A _o = m _o c _p [(T ₁ – T ₂ ) – T ₀ (ln (T ₁ / T ₂ )] = 500 x 4,186 x [(348 – 303) – 298 x (In (348/303)] = 7819,52 кДж

ψ _y = A _o / A _i = 7819,52 / 9386,88 = 0,83

В результате На примере видно, что для обеих систем хранения энергоэффективность стала такой же, как 90%, несмотря на наличие двух разных периодов хранения. Это означает, что первого закона термодинамики недостаточно, чтобы различать эти две отдельные системы SES, работающие на двух разных периодах хранения. .Это требование выдвигает на первый план exergy как более эффективный инструмент. По этой причине можно легко провести различие между двумя системами хранения (X и Y), используя эксергетический анализ, в результате чего будут получены две разные эксергетической эффективности: 25% для системы X и 83% для системы Y. Это связано с Y имеющий преимущество перед системой X SES из-за более высокой температуры и, следовательно, большей доступности. Этот пример дает некоторые практические иллюстрации более абстрактных концепций, обсужденных ранее, и подчеркивает важность понимания и учета эксергии, а не энергии, в которой эксергия является более эффективным и более действенным инструментом для анализа производительности систем SES.Результаты надежны для систем накопления энергии

Подводя итог, можно перечислить некоторые интуитивно понятные преимущества эксергетического анализа:

• Обеспечивает более точный учет потери доступности тепла в системе SES с использованием принципов сохранения массы и энергии вместе со вторым законом термодинамики для целей проектирования и анализа.

• Это дает более значимую и полезную информацию, чем анализ энергии, относительно эффективности, потерь и производительности систем SES.

• Более корректно отражает термодинамические и экономические значения работы систем СЭС.

• Это эффективный метод, показывающий, можно ли и насколько возможно разработать более эффективные системы SES за счет снижения неэффективности существующих блоков.

62B-104 БАЗОВАЯ ГАЗОВАЯ ТУРБИНА

62B-104 БАЗОВАЯ ГАЗОВАЯ ТУРБИНА

Инженерное обучение

---

ЛИСТ НАЗНАЧЕНИЯ

ДВИГАТЕЛИ С БАЗОВОЙ ТУРБИНОЙ

Распределительный лист 60B-104

ВВЕДЕНИЕ

С увеличением количества судов с газотурбинными двигателями становится важным понимать основы конструкции и работы газотурбинного завода.Офицер наземных войск должен также понимать последствия эксплуатации этих двигателей в морской среде.

ТЕМА УРОКА ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

Терминал Цель:

7.0 ОПИСАТЬ принципы, конструкцию, функции, компоненты, системы управления и контроля, а также работу газотурбинной двигательной установки и связанных вспомогательных систем поддержки. (JTI: A)

Обеспечивающие цели:

7.1 ОПИСАТЬ следующие применения газовых турбин и указать тип газовых турбин, связанных с каждым из них:

а.Двигательная установка

г. Электроэнергетика

7.2 Имея график, представляющий соотношение давления и объема идеального цикла Брайтона, НАМЕТЬТЕ пять фаз и объясните процесс преобразования энергии, происходящий в каждой.

а. 2 копейки

г. Сжатие

г. Горение

г. Расширение

e. Выхлоп

7.3 ОПРЕДЕЛИТЕ следующее применительно к газотурбинным двигателям, включите в них преимущества и недостатки, если это применимо.

а. Двигатель с разъемным валом

г. Одновальный двигатель

г. Кольцевая камера сгорания

г. Канализационная камера сгорания

e. Осевой поток

ф. Коробка отбора мощности

7.4 ОПИСАТЬ и указать их функции:

а. Компрессор

г. Камера сгорания

г. Турбина высокого давления / турбина газогенератора

г. Турбина низкого давления / силовая турбина

e. Подшипник газовой турбины / рама в сборе

ф.Дополнительный привод в сборе

г. Входные направляющие лопатки

ч. Лопатки регулируемого статора компрессора

и. Коллекторы для удаления воздуха из двигателя

Дж. Коллектор для удаления воздуха заказчика

к. Быстроходная эластичная муфта

л. Впуск / выпуск

7.5 ОБСУДИТЕ источник и использование отбираемого клиентом воздуха.

7.6 СОСТОЯНИЕ Функция системы впуска и выпуска воздуха газовой турбины.

7.7 ОПИСАТЬ путь воздуха от влагоотделителей к эжекторам выхлопных газов.

7.8 ОПИСАТЬ влияние следующих факторов на газотурбинные двигатели и меры предосторожности, принимаемые из-за воздействия на окружающую среду, включая:

а. Солевой спрей

г. Льдообразование / температура наружного воздуха

г. Повреждение посторонним предметом

г. Чистота компрессора

e. Киоски / скачки

ф. Пусков / остановок

7.9 ОПИСАТЬ следующие системы двигателя:

а. Система обнаружения льда

г. Система обнаружения и пожаротушения

г.Система зажигания

г. Система промывки водой

7.10 НЕ НАЗНАЧЕН; зарезервировано для использования в будущем

7.11 НЕ НАЗНАЧЕН; зарезервировано для использования в будущем

7.12 НЕ НАЗНАЧЕН; зарезервировано для использования в будущем

НАЗНАЧЕНИЕ НА ИЗУЧЕНИЕ

1. Прочтите информационный лист 60B-104.
1. Краткий информационный лист 60B-104, используя вспомогательные цели урока 60B-104 в качестве руководства.
1. Сценарии изучения ответов.

СЦЕНАРИИ ИЗУЧЕНИЯ:

Изучая для вас предстоящую доску SWO, вы изучаете другие типы морских силовых установок.Вы задаете себе несколько вопросов по газотурбинным двигателям.

1. Зная, что газотурбинный двигатель представляет собой открытый термодинамический цикл, как двигатель преобразует энергию, запасенную в топливе и воздухе, в полезную работу в виде вращающегося пропеллера?

После изучения вы явитесь на мостик для промежуточной стражи как JOOD. Здесь тихо, поэтому вы просматриваете доску чтения сообщений OOD. Вы видите, что в этом районе происходит несколько небольших песчаных бурь (в настоящее время вы находитесь в Персидском заливе) и что в сообщении всем судам с газотурбинными двигателями рекомендуется внимательно следить за состоянием своих воздушных фильтров / демистеров.

2. В чем важность этого компонента? Если не удается, не работает ли двигатель?

Просмотрев трафик сообщений, вы замечаете, что одного из FFG в вашей боевой группе нет поблизости. Любопытно, что вы спрашиваете ООД, знает ли она, куда они пошли, и она говорит вам, что им пришлось выехать в Бахрейн для замены и двигателя из-за плохой камеры сгорания.

3. Почему замена камеры сгорания LM2500 настолько сложна, что требуется, чтобы судно зашло в порт?

ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЛИСТ

ДВИГАТЕЛИ С БАЗОВЫМИ ТУРБИНАМИ

Информационный лист 64B-104I

ВВЕДЕНИЕ

С увеличением количества судов с газотурбинными двигателями становится важным понимать основы конструкции и работы газотурбинного завода.Офицер наземных войск должен также понимать последствия эксплуатации этих двигателей в морской среде.

ССЫЛКИ

(а) Руководство по силовой установке ДД-963

(б) Морские газотурбинные операции (НАВЕДТРА-10097)

ИНФОРМАЦИЯ

1. Обзор урока:
Газотурбинный завод представляет собой инновационную концепцию судовых электростанций. Военно-морские суда США используют авиационные газотурбинные двигатели как для главных силовых установок, так и для служебной электроэнергии.Высокая степень автоматизации предприятия достигается за счет интегрированной системы пультов управления и мониторинга.
2. Преимущества:
Преимущества газотурбинной установки по сравнению с паровой установкой сопоставимой мощности включают:
1. Снижение массы на 70%
   
2. Простота (меньшее количество вспомогательных силовых установок)
   
3. Уменьшение численности персонала за счет автоматизированного управления силовой установкой
   
4. Более быстрое время отклика
   
5. Более быстрое ускорение / замедление
   
3. Принципы газовой турбины:
   
1. Компоненты базового газотурбинного двигателя включают:
   
1. Компрессор
   
2. Камера сгорания
   
3. Турбина
   
2. Рабочий цикл:
В газотурбинном двигателе сжатие, сгорание и расширение происходят непрерывно в разных камерах.Газотурбинные двигатели работают по циклу Брайтона (цикл открытого двигателя).

Рис.1: Цикл Брайтона


1. Фаза всасывания:
Наружный воздух втягивается в двигатель под действием компрессора. Давление, температура и объем остаются неизменными в течение фазы всасывания.

2. Фаза сжатия:
Всасываемый воздух сжимается механически. Давление и температура увеличиваются с соответствующим уменьшением объема. Механическая энергия, приводящая в движение компрессор, преобразуется в кинетическую энергию в виде сжатого воздуха.

3. Фаза сгорания:
Топливо распыляется в камеру сгорания и сжигается, преобразовывая химическую энергию в тепловую в виде горячего расширяющегося газа. Объем и температура значительно увеличиваются, в то время как давление в камере сгорания остается постоянным.

4. Фаза расширения:
Тепловая энергия преобразуется в механическую, когда горячие расширяющиеся газы из камеры сгорания вращают ротор турбины. Давление и температура уменьшаются, а объем увеличивается в фазе расширения.

5. Выхлопная фаза:
Горячие выхлопные газы проходят через суда, попадая в атмосферу. Давление, температура и объем остаются неизменными на всем протяжении фазы выпуска.

4. Компоненты газовой турбины:
   
1. Компрессоры: существует два основных типа газотурбинных компрессоров.
   
1. Центробежный компрессор:
В этом компрессоре используется вращающееся рабочее колесо для всасывания всасываемого воздуха и ускорения его наружу за счет центробежной силы в диффузор.Он используется в небольших газовых турбинах и лучше всего подходит для низких отношений давления, когда общий диаметр двигателя не важен.

Рис. 2: Центробежный компрессор


2. Осевой компрессор:
Состоит из вращающихся лопаток и неподвижных лопаток. Воздух сжимается, поскольку он течет вдоль вала в осевом направлении. Это обеспечивает большую эффективность и более высокие отношения давления за счет многоступенчатой ​​конструкции. Стадия сжатия состоит из одного ряда вращающихся лопаток, за которым следует ряд неподвижных лопаток.Это наиболее распространенный тип компрессора, используемый в судовых газотурбинных двигателях.

Рис. 3: Компрессор с осевым потоком


3. Остановка компрессора:
Остановка или помпаж определяется как прерывание потока воздуха через компрессор. Заглох на работающем двигателе может вызвать серьезное повреждение двигателя из-за чрезмерных вибраций и перегрева секции камеры сгорания. Чтобы предотвратить остановку компрессора, двигатели оснащены выпускными клапанами компрессора или лопатками компрессора с изменяемой геометрией.Выпускные клапаны выпускают воздух из компрессора во время запуска, а регулируемые лопатки компрессора регулируют воздушный поток, чтобы избежать турбулентности, что предотвращает остановку компрессора.

2. Камеры сгорания:
Камера сгорания смешивает сжатый воздух с топливом и сжигает смесь с образованием горячего расширяющегося газа. Есть три основных типа камер сгорания.

1. Емкость:
Отдельные баллончики горелок устанавливаются по периферии двигателя. Каждая канистра представляет собой отдельную камеру сгорания и гильзу, получающую собственное топливо.

1. Преимущество: простая замена
   
2. Недостатки – неэффективность, более слабая конструкция
   

Рис. 4: Камера сгорания баночного типа


2. Кольцевой:
Одна большая камера сгорания внутри корпуса двигателя. Множественные топливные форсунки образуют сплошное «огненное кольцо». Этот тип используется на LM2500.

1. Преимущества: Самая эффективная, самая прочная рама двигателя.
   
2. Недостаток: для ремонта или замены требуется полная разборка двигателя.
   

Рис. 5: Кольцевая камера сгорания


3. Кольцевой баллончик:
В этом гибридном типе используется несколько отдельных баллонов с отдельными топливными форсунками, через которые воздух поступает из общего кольцевого корпуса (Allison 501-K17).

1. Достоинства: Прочный, простота замены.
   
2. Недостаток: менее эффективен, чем кольцевая камера сгорания.
   

Рис. 6: Консольная кольцевая камера сгорания


3. Турбина:


1. Энергия:
Тепловая энергия горячих расширяющихся газов камеры сгорания преобразуется в механическую энергию путем вращения колеса турбины.

2. Конструкция:
Состоит из неподвижных лопаток (сопел) и вращающихся лопаток. Ступень турбины – это один ряд сопел и один ряд лопаток.

4. Узел привода вспомогательных агрегатов:
Узел привода вспомогательных агрегатов приводится в движение компрессором через конические шестерни. Вспомогательный привод используется для привода компонентов, чтобы сделать двигатель самодостаточным. Общие аксессуары включают такие компоненты, как насосы для смазочного масла двигателя и топливного масла.

5. Двигатели:
   
1. Два основных типа, используемых в ВМС США:
   
1. Одновальный двигатель:
Одновальный двигатель имеет один вал, который проходит по всему двигателю.На этом валу установлены все вращающиеся части двигателя. Продолжение того же вала, коробка отбора мощности, приводит в движение нагрузку. В основном этот тип двигателя используется там, где требуется постоянная скорость, например, для выработки электроэнергии. Для этого используется двигатель Allison 501-K17.

Рис.7: Ротор турбины


2. Двигатель с разъемным валом:
Двигатель разделен на две основные секции: газогенератор и секцию силовой турбины. Секция газогенератора состоит из компрессора, камеры сгорания и турбины высокого давления (ВД).Назначение газогенератора – производить горячий расширяющийся газ для использования в силовой турбине. Силовая турбина аэродинамически связана с газогенератором, но два вала механически не связаны. Силовая турбина преобразует тепловую энергию газогенератора в механическую энергию для привода нагрузки.

1. Выходная скорость изменяется путем управления скоростью газогенератора, который определяет количество выхлопных газов, отправляемых в силовую турбину.
   
2. Газотурбинные двигатели с разъемным валом, такие как LM2500, подходят для главных силовых установок.Преимущества в этом приложении:
   
1. Газогенератор более чувствителен к требованиям нагрузки, поскольку работа компрессора не ограничена нагрузкой на силовую турбину.
   
2. Секция газогенератора и секция силовой турбины работают почти со своими наиболее эффективными скоростями во всем диапазоне нагрузок.
   
2. Система воздухозаборника газовой турбины:


1. Узел высокого давления:


1. Конструкция:
Наружная конструкция, которая поддерживает сепараторы влаги и вмещает дверцы для обдува .

2. Влагоотделители (жалюзи и сетчатые экраны):
Влагоотделители удаляют капли воды и грязь из всасываемого воздуха, чтобы предотвратить эрозию компонентов компрессора. Электрические ленточные нагреватели предотвращают образование льда на жалюзи.

3. Двери продувки:
Двери продувки установлены для предотвращения недостатка воздуха в двигателе при загрязнении влагоотделителей.

1. Эти двери открываются автоматически при увеличении перепада давления воздуха на влагоотделителях.
   
2. В открытом состоянии всасываемый воздух обходит забитые влагоотделители и подает нефильтрованный воздух в двигатель, чтобы предотвратить воздушное голодание двигателя.
   

Рис.8: Сборка High Hat


2. Впускной канал:


1. Назначение:
Впускной канал подает воздух для горения для двигателя и охлаждающий воздух для модуля.

2. Система охлаждения модуля:
Система охлаждения модуля направляет часть всасываемого воздуха в кожух двигателя для вентиляции модуля и внешнего охлаждения двигателя.Охлаждающий воздух модуля кружится вокруг двигателя, отводя тепло и вентилируя модуль, прежде чем выйти через небольшой воздушный зазор вокруг заднего конца силовой турбины. Выхлоп работающего двигателя вызывает эффект эдуктора, втягивающий охлаждающий воздух модуля в выхлопной канал.


Рис.9: Впускной канал GTM


3. Коллектор для защиты от обледенения:


1. Назначение:
Коллектор для защиты от обледенения предназначен для нагнетания горячего отбираемого воздуха во впускной ствол под воздуховодом охлаждения модуля для предотвращения образования льда.

2. Обледенение:
Обледенение может возникнуть во впускном канале, когда температура наружного воздуха упадет до 38 ^o F. Сигнализация обледенения загорится при температуре 41 ^o F с влажностью 70%, чтобы предупредить оператора об образовании льда. во впуске.

3. Последствия:
Обледенение на входе компрессора может ограничить воздушный поток, вызывая остановку двигателя, а также представляет опасность серьезного повреждения двигателя посторонними предметами (FOD).

4. Датчики:
Датчик обледенения, расположенный во впускной камере, генерирует аварийный сигнал, предупреждающий оператора о возможности образования льда в воздухозаборнике.

5. Управление:
Воздушная система защиты от обледенения активируется вручную с помощью часового стенда и контролируется для предотвращения образования льда.

4. Глушители:


1. Расположение:
Глушители на впуске расположены на полпути вниз по воздуховоду, чтобы снизить уровень шума в воздухе.

2. Конструкция:
Глушители состоят из вертикальных лопаток из звукопоглощающего материала, заключенных в перфорированные листы из нержавеющей стали.

3. Канал охлаждающего воздуха модуля:
Канал охлаждающего воздуха модуля содержит единственный глушитель в форме пули, чтобы заглушить шум, создаваемый охлаждающим воздухом.

5. Компенсатор
: Компенсатор представляет собой резиновый чехол, соединяющий впускной канал с впускной камерой модуля. Это предотвращает передачу шума модуля на корпус корабля.

3. Узел (модуль) базового корпуса газовой турбины LM2500:


1. Описание:
Узел базового корпуса состоит из модуля корпуса (26 футов x 8 футов x 9 дюймов) на противоударном основании.

1. Основание модуля:
Основание представляет собой сварную стальную раму с двутавровой балкой с креплениями для крепления двигателя.

2. Проникновения:
Сервисные соединения проникают в основание для всех сервисов двигателя, таких как электричество, воздух, масло, топливо, CO ₂ или Галон .

3. Защита:
Кожух термически и акустически изолирован, чтобы обеспечить двигателю контролируемую среду.
1. Впускная камера: передняя часть модуля отделена от кожуха двигателя перегородкой. Впускная камера считается чистой секцией модуля.Экран FOD на входе газовой турбины устанавливается в этой области в передней части двигателя, чтобы предотвратить попадание крупных посторонних предметов в компрессор.
   

Рис.10: Узел модуля GTM


2. Кожух двигателя: кожух содержит собственно двигатель и выпускной патрубок и принимает воздух из охлаждающего канала модуля. Доступ к двигателю осуществляется через боковую дверь и верхний люк.
   
2. Система обнаружения и тушения пожара:
Система обнаружения и тушения пожара обеспечивает автоматическую противопожарную защиту газотурбинного двигателя и модуля.

Рис.11: Основание модуля в сборе


1. Компоненты системы обнаружения пожара включают:


1. Ультрафиолетовые датчики пламени, которые ищут пламя в зоне камеры сгорания.
   
2. Датчики температуры, которые установлены на 400 ^o F для обнаружения возгораний вне зоны обзора УФ-детекторов.
   
3. Ручная кнопка «ПОЖАР», которая может использоваться дежурным для активации пожарной системы.
   
2. Компоненты системы пожаротушения включают:


1. Банк первичного CO ₂ баллонов для быстрого затопления модуля.
   
2. Банк вторичного CO ₂ для поддержания инертной атмосферы в модуле, если это необходимо.
   
3. A CO ₂ Переключатель запрета отпускания, расположенный на пультах управления. Этот переключатель позволяет оператору остановить автоматический ввод первичного CO ₂ в модуль в случае ложной тревоги или присутствия персонала в модуле.
   
4. Электронный сигнал пожарной остановки, используемый для остановки двигателя при обнаружении пожара ультрафиолетовыми датчиками пламени, переключателями температуры или ручной кнопкой пожарной сигнализации.Этот сигнал активирует последовательность остановки огня. Остановка огня инициирует следующие действия:
   
1. «ПОЖАРНАЯ» сигнализация на пультах управления.
   
2. Обеспечивает подачу топлива к двигателю.
   
3. Останавливает вентилятор охлаждения модуля и закрывает вентиляционную заслонку.
   
4. Выпускает CO ₂ после 20-секундной задержки.
   

Примечание по безопасности: входя в модуль, убедитесь, что система пожаротушения отключена, а на модуле и пультах управления размещены знаки, предупреждающие о том, что в модуле находится персонал.

Примечание: FFG, оборудованные системами галона.


4. Система выхлопных каналов:


1. Функция:
Отводит выхлопные газы двигателя в атмосферу, снижая при этом тепло и шум выхлопа.

2. Выхлопной коллектор:
Выхлопной патрубок направляет выхлопные газы в воздухозаборник. Зазор между выпускным коленом и воздухозаборником корабля вызывает эффект эдуктора, втягивающий охлаждающий воздух модуля в воздухозаборник.

3. Воздухозаборный канал:
Воздухозаборный канал для выхлопных газов изолирован для контроля тепла и шума при выходе выхлопных газов в атмосферу.

4. Глушитель:
Глушитель пластинчатого типа расположен в центре воздуховода. Эти глушители такие же, как и во впускном воздуховоде, но стационарно установлены.

5. Выхлопные патрубки:
Вытяжные патрубки расположены на самом верхнем конце вытяжного канала. Выхлопные эжекторы охлаждают выхлопные газы, смешиваясь с холодным окружающим воздухом, чтобы уменьшить инфракрасную сигнатуру корабля.

6. Система подавления инфракрасного излучения пограничного слоя (BLISS):
Колпачки Bliss устанавливаются в верхней части каждой смесительной трубы для дальнейшего охлаждения отработанного воздуха путем смешивания его со слоями окружающего воздуха. Это достигается за счет использования нескольких жалюзи, расположенных под углом для создания эдукторного эффекта. Это позволяет холодному окружающему воздуху смешиваться с горячими выхлопными газами.


Рис.12: Выхлопная система GTM


5. Система промывки водой:


1. Назначение:
Используется для удаления отложений грязи и солей с лопастей компрессора.

2. Компоненты:
Состоит из резервуара емкостью 40 галлонов и стационарного трубопровода для направления водного промывочного раствора на вход компрессора.

3. Порядок действий:
В соответствии с PMS компрессор необходимо промыть для поддержания эффективности и предотвращения остановок компрессора.


Рис.13: Система промывки водой


6. Отводимый воздух:


1. Источники:
Отборный воздух потребителя отбирается из последней ступени компрессора на газотурбинных генераторах (ГТГ) и магистрали газовой турбины (ГТМ)

2. Пользователи отбираемого воздуха: (СПАМ):
   
1. Пуск или приведение в действие других газовых турбин.
   
2. Воздух прерий для маскировки шума гребного винта.
   
3. Воздух для предотвращения обледенения воздухозаборника.
   
4. Маскирующий воздух для маскировки шума корпуса главной силовой установки.
   

Рис.14: Основные вращающиеся детали LM2500


7. Сборка газотурбинного двигателя LM2500:


1. Компоненты газогенератора:


1. Секция компрессора:
LM2500 имеет 16-ступенчатый компрессор осевого потока, состоящий из следующих компонентов:

1. Ротор компрессора: 16 ступеней подвижных лопаток, приводимых в движение турбиной высокого давления.
   
2. Статор компрессора: корпус компрессора, содержащий одну ступень входных направляющих лопаток (IGV), шесть ступеней регулируемых лопаток статора (VSV) и 10 ступеней неподвижных лопаток статора.
   
1. IGV и лопатки статора 1-6 являются переменными, то есть имеют изменяемую геометрию. Угол атаки лопастей можно изменить, чтобы предотвратить остановку компрессора.
   
2. Отборный воздух отбирается из компрессора для использования в судовой системе отбираемого воздуха и для внутреннего использования в двигателе.
   
2. Камера сгорания:


1. Камера сгорания кольцевого типа с 30 топливными форсунками и 2 искровыми воспламенителями.
   
2. Около 30% воздуха из компрессора смешивается с топливом для поддержания горения. Остальные 70% используются для охлаждения и центрирования пламени внутри гильзы сгорания.
   
3. Система зажигания вырабатывает искру высокой интенсивности для воспламенения топливно-воздушной смеси во время запуска. После запуска двигателя воспламенители больше не нужны и будут обесточены.
   
3. Секция турбины высокого давления:


1. Турбина высокого давления извлекает достаточно энергии из горячих расширяющихся газов для привода компрессора и вспомогательного привода.
   
2. Турбина высокого давления представляет собой двухступенчатую турбину с осевым потоком, которая механически связана с ротором компрессора.
   
3. Турбина ВД использует приблизительно 65% тепловой энергии камеры сгорания для привода компрессора и дополнительных устройств, установленных на двигателе.
   
4. Дополнительный привод в сборе:


1. Приводится через вал ротора компрессора через впускной редуктор, радиальный приводной вал и раздаточную коробку.
   
2. Дополнительная коробка передач предназначена для крепления топливного насоса, насоса смазочного масла, воздухо-масляного сепаратора и пневматического стартера.
   
2. Силовая турбина:


1. Конструкция:
Силовая турбина представляет собой шестиступенчатую турбину осевого типа. Силовая турбина забирает оставшиеся 35% полезной энергии и использует ее для привода главного редуктора. Силовая турбина приводит в движение редуктор через высокоскоростной гибкий вал муфты и муфту в сборе.Гибкая высокоскоростная муфта компенсирует радиальное и осевое смещение между GTM и главным редуктором.


Рис.15: Вид компонентов LM2500

Теплофизика | SpringerLink

Об этой книге

Введение

«Теплофизика» написана для студентов, изучающих основные модули по теплофизике / термодинамике на втором / третьем курсе бакалавриата в Великобритании.Теплофизика занимается передачей энергии макроскопическим телам, от них и между ними. В первых главах изучается природа этих взаимодействий до того, как будут разработаны законы термодинамики. Таким образом, ученик знакомится с концепциями до того, как познакомится с подробной математикой. В последних главах обсуждаются важные темы кинетической теории и теплопередачи.

Ключевые слова

динамика энергия энтропия тепло кинетическая теория закон термодинамики законы термодинамики математика фазовая физика температура термодинамика

Авторы и аффилированные лица

1. 1.Кафедра физики Королевского колледжа Лондон, Великобритания,

Библиографическая информация

• Заголовок книги Теплофизика
• Авторы Майкл Спраклинг
  
• Название серии Серия Macmillan Physical Science
• DOI https: // doi.org / 10.1007 / 978-1-349-21377-1
• Информация об авторских правах Майкл Спраклинг 1991
• Имя издателя Пэлгрейв, Лондон
• электронные книги Физика и астрономия Физика и астрономия (R0)
• ISBN в твердом переплете 978-0-333-53657-5
• ISBN в мягкой обложке 978-0-333-53658-2
• электронная книга ISBN 978-1-349-21377-1
• Номер издания 1
• Количество страниц XIV, 374
• Количество иллюстраций 0 ч / б иллюстраций, 0 цветных иллюстраций
• Дополнительная информация Ранее опубликовано под выходными данными Palgrave
• Темы Термодинамика
  
• Купить эту книгу на сайте издателя

солнечной энергии | Национальное географическое общество

Солнечная энергия – это любой тип энергии, вырабатываемый солнцем.

Солнечная энергия создается за счет ядерного синтеза, происходящего на Солнце. Синтез происходит, когда протоны атомов водорода яростно сталкиваются в ядре Солнца и сливаются, образуя атом гелия.

Этот процесс, известный как цепная реакция PP (протон-протон), выделяет огромное количество энергии. По своей сути, Солнце каждую секунду сплавляет около 620 миллионов метрических тонн водорода. Цепная реакция PP происходит в других звездах размером с наше Солнце и обеспечивает их непрерывной энергией и теплом.Температура этих звезд составляет около 4 миллионов градусов по шкале Кельвина (около 4 миллионов градусов по Цельсию, 7 миллионов градусов по Фаренгейту).

В звездах, которые примерно в 1,3 раза больше Солнца, цикл CNO способствует созданию энергии. Цикл CNO также преобразует водород в гелий, но для этого полагается на углерод, азот и кислород (C, N и O). В настоящее время менее 2% солнечной энергии создается за счет цикла CNO.

Ядерный синтез посредством цепной реакции полипропилена или цикла CNO высвобождает огромное количество энергии в форме волн и частиц.Солнечная энергия постоянно уходит от солнца и по всей солнечной системе. Солнечная энергия нагревает Землю, вызывает ветер и погоду, а также поддерживает жизнь растений и животных.

Энергия, тепло и свет солнца уходят в форме электромагнитного излучения (ЭМИ).

Электромагнитный спектр существует в виде волн разных частот и длин волн. Частота волны показывает, сколько раз волна повторяется за определенную единицу времени. Волны с очень короткими длинами волн повторяются несколько раз в заданную единицу времени, поэтому они высокочастотны.Напротив, низкочастотные волны имеют гораздо большую длину волны.

Подавляющее большинство электромагнитных волн для нас невидимо. Наиболее высокочастотные волны, излучаемые солнцем, – это гамма-лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение (УФ-лучи). Наиболее вредные ультрафиолетовые лучи почти полностью поглощаются атмосферой Земли. Менее сильные ультрафиолетовые лучи проходят через атмосферу и могут вызвать солнечный ожог.

Солнце также излучает инфракрасное излучение, волны которого гораздо более низкочастотные. Большая часть тепла от солнца поступает в виде инфракрасной энергии.

Между инфракрасным и ультрафиолетовым светом находится видимый спектр, содержащий все цвета, которые мы видим на Земле. Красный цвет имеет самую длинную длину волны (ближайшую к инфракрасному), а фиолетовый (ближайшую к ультрафиолетовому излучению) самую короткую.

Естественная солнечная энергия

Парниковый эффект
Инфракрасные, видимые и УФ-волны, достигающие Земли, участвуют в процессе нагревания планеты и создания возможности для жизни – так называемого «парникового эффекта».

Около 30% солнечной энергии, которая достигает Земли, отражается обратно в космос.Остальное поглощается атмосферой Земли. Радиация нагревает поверхность Земли, и поверхность излучает часть энергии обратно в виде инфракрасных волн. Когда они поднимаются в атмосфере, их улавливают парниковые газы, такие как водяной пар и углекислый газ.


Парниковые газы задерживают тепло, которое отражается обратно в атмосферу. Таким образом они действуют как стеклянные стены теплицы. Этот парниковый эффект сохраняет на Земле достаточно тепла, чтобы поддерживать жизнь.

Фотосинтез
Практически все живое на Земле прямо или косвенно использует солнечную энергию для получения пищи.

Производители напрямую полагаются на солнечную энергию. Они поглощают солнечный свет и превращают его в питательные вещества посредством процесса, называемого фотосинтезом. Производители, также называемые автотрофами, включают растения, водоросли, бактерии и грибы. Автотрофы – основа пищевой сети.

Потребители полагаются на производителей питательных веществ. Травоядные, плотоядные, всеядные и детритофаги косвенно полагаются на солнечную энергию.Поедают травоядные растения и других производителей. Плотоядные и всеядные животные едят как производителей, так и травоядных. Детритофаги разлагают растительные и животные вещества, потребляя их.

Ископаемое топливо
Фотосинтез также отвечает за все ископаемое топливо на Земле. По оценкам ученых, около 3 миллиардов лет назад первые автотрофы появились в водных условиях. Солнечный свет позволил растениям процветать и развиваться. После гибели автотрофов они разложились и ушли вглубь Земли, иногда на тысячи метров.Этот процесс продолжался миллионы лет.

Под сильным давлением и высокими температурами эти останки стали тем, что мы называем ископаемым топливом. Микроорганизмы стали нефтью, природным газом и углем.

Люди разработали процессы добычи ископаемых видов топлива и их использования для получения энергии. Однако ископаемое топливо – невозобновляемый ресурс. На их формирование уходят миллионы лет.

Использование солнечной энергии

Солнечная энергия – это возобновляемый ресурс, и многие технологии позволяют использовать ее напрямую для использования в домах, на предприятиях, школах и больницах.Некоторые технологии солнечной энергии включают фотоэлектрические элементы и панели, концентрированную солнечную энергию и солнечную архитектуру.

Существуют различные способы улавливания солнечного излучения и преобразования его в полезную энергию. В методах используется либо активная солнечная энергия, либо пассивная солнечная энергия.

В активных солнечных технологиях используются электрические или механические устройства для активного преобразования солнечной энергии в другую форму энергии, чаще всего в тепло или электричество. Пассивные солнечные технологии не используют никаких внешних устройств.Вместо этого они используют преимущества местного климата для обогрева конструкций зимой и отражения тепла летом.

Фотогальваника

Фотогальваника – это форма активной солнечной технологии, которая была открыта в 1839 году 19-летним французским физиком Александром-Эдмоном Беккерелем. Беккерель обнаружил, что когда он помещал хлорид серебра в кислотный раствор и подвергал его воздействию солнечного света, прикрепленные к нему платиновые электроды генерировали электрический ток. Этот процесс производства электричества непосредственно из солнечного излучения называется фотоэлектрическим эффектом или фотоэлектрическим эффектом.


Сегодня фотоэлектрическая энергия, вероятно, самый распространенный способ использования солнечной энергии. Фотоэлектрические батареи обычно включают солнечные панели, совокупность десятков или даже сотен солнечных элементов.

Каждый солнечный элемент содержит полупроводник, обычно сделанный из кремния. Когда полупроводник поглощает солнечный свет, он выбивает электроны. Электрическое поле направляет эти свободные электроны в электрический ток, текущий в одном направлении. Металлические контакты в верхней и нижней части солнечного элемента направляют этот ток к внешнему объекту.Внешний объект может быть таким маленьким, как вычислитель на солнечной энергии, или большим, как электростанция.

Фотоэлектрические элементы были впервые широко использованы на космических кораблях. Многие спутники, включая Международную космическую станцию, имеют широкие отражающие «крылья» солнечных батарей. МКС имеет два крыла солнечных батарей (ПАВ), в каждом из которых используется около 33 000 солнечных элементов. Эти фотоэлементы снабжают МКС всем электричеством, позволяя астронавтам управлять станцией, безопасно жить в космосе в течение нескольких месяцев и проводить научные и инженерные эксперименты.

Фотоэлектрические электростанции построены по всему миру. Самые большие станции находятся в США, Индии и Китае. Эти электростанции вырабатывают сотни мегаватт электроэнергии, которая используется для снабжения домов, предприятий, школ и больниц.

Фотоэлектрическая технология также может быть установлена ​​в меньшем масштабе. Солнечные панели и элементы могут быть прикреплены к крышам или наружным стенам зданий, обеспечивая электричество для конструкции. Их можно размещать как вдоль дорог, так и на легких магистралях.Солнечные элементы достаточно малы, чтобы питать даже небольшие устройства, такие как калькуляторы, паркоматы, уплотнители мусора и водяные насосы.

Концентрированная солнечная энергия

Другой тип активной солнечной технологии – это концентрированная солнечная энергия или концентрированная солнечная энергия (CSP). В технологии CSP используются линзы и зеркала для фокусировки (концентрации) солнечного света с большой площади на гораздо меньшей. Эта интенсивная область излучения нагревает жидкость, которая, в свою очередь, генерирует электричество или подпитывает другой процесс.

Солнечные печи – пример концентрированной солнечной энергии. Есть много различных типов солнечных печей, в том числе солнечные энергетические башни, параболические желоба и отражатели Френеля. Они используют один и тот же общий метод для захвата и преобразования энергии.

В солнечных энергетических башнях используются гелиостаты – плоские зеркала, которые поворачиваются, чтобы следовать по дуге солнца в небе. Зеркала расположены вокруг центральной «коллекторной башни» и отражают солнечный свет в концентрированный луч света, который падает на точку фокусировки на башне.

В предыдущих проектах солнечных электростанций концентрированный солнечный свет нагревал емкость с водой, в результате чего производился пар, приводивший в действие турбину. В последнее время в некоторых солнечных электростанциях используется жидкий натрий, который имеет более высокую теплоемкость и сохраняет тепло в течение более длительного периода времени. Это означает, что жидкость не только достигает температуры от 773 до 1273 К (от 500 до 1000 ° C или от 932 до 1832 ° F), но и может продолжать кипятить воду и генерировать энергию, даже когда солнце не светит.

Параболические желоба и отражатели Френеля также используют CSP, но их зеркала имеют другую форму.Параболические зеркала изогнутые, по форме напоминающие седло. В отражателях Френеля используются плоские тонкие полосы зеркала, чтобы улавливать солнечный свет и направлять его на трубку с жидкостью. Отражатели Френеля имеют большую площадь поверхности, чем параболические желоба, и могут концентрировать солнечную энергию примерно в 30 раз по интенсивности.

Концентрированные солнечные электростанции были впервые разработаны в 1980-х годах. Самый большой объект в мире – это ряд заводов в пустыне Мохаве в Калифорнии. Эта система производства солнечной энергии (SEGS) вырабатывает более 650 гигаватт-часов электроэнергии ежегодно.Другие крупные и эффективные установки были разработаны в Испании и Индии.


Концентрированная солнечная энергия также может использоваться в меньших масштабах. Например, он может генерировать тепло для солнечных плит. Люди в деревнях по всему миру используют солнечные плиты для кипячения воды для санитарии и приготовления пищи.

Солнечные плиты имеют много преимуществ по сравнению с дровяными печами: они не создают опасности возгорания, не производят дыма, не требуют топлива и сокращают потерю среды обитания в лесах, где деревья будут заготавливаться в качестве топлива.Солнечные плиты также позволяют сельским жителям уделять время учебе, работе, здоровью или семье в то время, которое раньше использовалось для сбора дров. Солнечные плиты используются в самых разных регионах, таких как Чад, Израиль, Индия и Перу.

Солнечная архитектура

В течение дня солнечная энергия является частью процесса тепловой конвекции или перемещения тепла из более теплого помещения в более прохладное. Когда солнце встает, оно начинает нагревать предметы и материалы на Земле.В течение дня эти материалы поглощают тепло солнечного излучения. Ночью, когда солнце садится и атмосфера остывает, материалы выделяют тепло обратно в атмосферу.

Пассивные солнечные энергии используют преимущества этого естественного процесса нагрева и охлаждения.

Дома и другие здания используют пассивную солнечную энергию для эффективного и недорогого распределения тепла. Примером этого является расчет «тепловой массы» здания. Тепловая масса здания – это основная масса материала, нагреваемого в течение дня.Примеры тепловой массы здания: дерево, металл, бетон, глина, камень или грязь. Ночью тепловая масса отдает тепло обратно в комнату. Эффективные системы вентиляции – коридоры, окна и воздуховоды – распределяют теплый воздух и поддерживают умеренную постоянную температуру в помещении.

Пассивные солнечные технологии часто используются при проектировании зданий. Например, на этапе планирования строительства инженер или архитектор может выровнять здание по дневному пути солнца, чтобы получить желаемое количество солнечного света.Этот метод учитывает широту, высоту и типичный облачный покров определенной области. Кроме того, здания могут быть построены или переоборудованы для обеспечения теплоизоляции, тепловой массы или дополнительного затенения.

Другими примерами пассивной солнечной архитектуры являются холодные крыши, лучистые барьеры и зеленые крыши. Холодные крыши окрашены в белый цвет и отражают солнечное излучение, а не поглощают его. Белая поверхность уменьшает количество тепла, которое достигает внутренней части здания, что, в свою очередь, снижает количество энергии, необходимой для охлаждения здания.

Излучающие барьеры работают аналогично охлаждающим крышам. Они обеспечивают изоляцию с помощью материалов с высокой отражающей способностью, таких как алюминиевая фольга. Фольга отражает, а не поглощает тепло, и может снизить затраты на охлаждение до 10%. Помимо крыш и чердаков, под перекрытиями могут быть установлены лучистые барьеры.

Зеленые крыши – это крыши, полностью покрытые растительностью. Они требуют почвы и орошения для поддержки растений, а также водонепроницаемого слоя под ними. Зеленые крыши не только уменьшают количество поглощаемого или теряемого тепла, но и обеспечивают растительность.Посредством фотосинтеза растения на зеленых крышах поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Они фильтруют загрязнители из дождевой воды и воздуха и компенсируют некоторые эффекты использования энергии в этом пространстве.

Зеленые крыши были традицией в Скандинавии на протяжении веков, а недавно стали популярными в Австралии, Западной Европе, Канаде и США. Например, компания Ford Motor Company покрыла растительностью 42 000 квадратных метров (450 000 квадратных футов) крыш своего сборочного завода в Дирборне, штат Мичиган.Крыши не только сокращают выбросы парниковых газов, но и уменьшают сток ливневых вод, поглощая несколько сантиметров осадков.


Зеленые крыши и холодные крыши также могут противодействовать эффекту «городского теплового острова». В оживленных городах температура может быть постоянно выше, чем в прилегающих районах. Этому способствуют многие факторы: города построены из таких материалов, как асфальт и бетон, которые поглощают тепло; высокие здания блокируют ветер и его охлаждающие эффекты; и большое количество отработанного тепла генерируется промышленностью, транспортом и большим количеством населения.Использование доступного пространства на крыше для посадки деревьев или отражение тепла с помощью белых крыш может частично снизить локальное повышение температуры в городских районах.

Солнечная энергия и люди

Поскольку в большинстве частей света солнечный свет светит только около половины дня, технологии солнечной энергии должны включать методы хранения энергии в темное время суток.

В системах с термической массой используется парафиновый воск или различные формы соли для хранения энергии в виде тепла.Фотоэлектрические системы могут отправлять избыточную электроэнергию в местную электросеть или накапливать энергию в аккумуляторных батареях.

Есть много плюсов и минусов у использования солнечной энергии.

Преимущества
Основным преимуществом использования солнечной энергии является то, что она является возобновляемым ресурсом. У нас будет стабильный безграничный запас солнечного света еще на 5 миллиардов лет. За один час атмосфера Земли получает достаточно солнечного света, чтобы обеспечить потребности в электроэнергии каждого человека на Земле в течение года.

Солнечная энергия чистая. После того, как оборудование, использующее солнечную энергию, построено и введено в эксплуатацию, солнечная энергия не нуждается в топливе для работы. Он также не выделяет парниковые газы или токсичные материалы. Использование солнечной энергии может значительно снизить воздействие на окружающую среду.

Есть места, где солнечная энергия практически применима. Дома и здания в районах с большим количеством солнечного света и низкой облачностью имеют возможность использовать обильную энергию солнца.

Солнечные плиты представляют собой отличную альтернативу приготовлению пищи с использованием дровяных печей, от которых до сих пор полагаются 2 миллиарда человек.Солнечные плиты обеспечивают более чистый и безопасный способ дезинфекции воды и приготовления пищи.

Солнечная энергия дополняет другие возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра или гидроэлектроэнергии.

Дома или предприятия, которые устанавливают успешные солнечные батареи, действительно могут производить избыточное электричество. Эти домовладельцы или владельцы бизнеса могут продавать энергию обратно поставщику электроэнергии, сокращая или даже отменяя счета за электроэнергию.

Недостатки
Основным сдерживающим фактором для использования солнечной энергии является необходимое оборудование.Оборудование на солнечных батареях стоит дорого. Покупка и установка оборудования для отдельных домов может стоить десятки тысяч долларов. Хотя правительство часто предлагает сниженные налоги для людей и предприятий, использующих солнечную энергию, а технология может устранить счета за электричество, первоначальная стоимость слишком высока, чтобы многие могли ее учитывать.