СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ

Вход или Регистрация

ПОМОЩЬ В ПАТЕНТОВАНИИ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФОРУМ Научно-техническая библиотекаНаучно-техническая библиотека SciTecLibrary
 
Cтатьи и Публикации    Термодинамика ОБОБЩЕННЫЕ ЗАКОНЫ ФИЗИКИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ТЕПЛОФИЗИКЕ

ОБОБЩЕННЫЕ ЗАКОНЫ ФИЗИКИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ТЕПЛОФИЗИКЕ

© Ермолаев Дмитрий Сергеевич

Контакт с автором: icreator@mail.ru

В классической теплофизике, как мне кажется, присутствует путаница в понятиях: тепло Q, внутренняя энергия U, теплоёмкость C, энтропия S и энтальпия H. По своему примеру, после изучения курса физики в политехническом ВУЗе я понимал все разделы кроме теории относительности и теплофизики с её теплотой-энтальпией-энтропией. Путаница в головах студентов происходит уже тогда, когда два, одинаково звучащих слова (а я до сих пор путаюсь какое из них что значит) описывают две близкие сути и вводятся в одном параграфе или главе. Причем понятие "теплота" я понимал ассоциируя с "заряд", а "переток теплоты" я ассоциировал с "ток". Ведь "энтропия", по утверждению классической физики, это лишь вспомогательная величина, не имеющая особого физического значения. К тому же ни один из других разделов физики не имел своего собственного понятия сути "энергия", а теплофизика как раз имела: это понятие "энтальпия". Поэтому, используя аналогии с другими разделами физики, я думал что понятие классической термодинамики "теплота" это что-то вроде электрического заряда в электрофизике. Выявив обобщенные законы физики и применив их к теплофизике я наконец-то прозрел. На самом деле, классические термины теплофизики описывают:

(1) Q=S*T ;

(2) S=Q/T;

Причем, согласно классической теплофизике имеем ([1], стр.54):

(3) dQ = dV*p + V*dp,

(4) dU = dQ - dV*p = V*dp,

(5) dH = dQ + V*dp = dV*p + 2*V*dp,

получаем, что:

(6) dQ = dH - dU

Из этих формул видно, что "внутренняя энергия системы или тела" U отражает энергию давления в системе и является энергий накопления или ёмкостной или потенциальной энергией механического сжатия, а "энтальпия" H вообще непонятно что описывает. Видимо имеется ввиду при упоминании энтальпии, что она имеет смысл только когда давление p неизменно (dp=0) и её формула тогда принимает вид:

(7) dH = dV*p, в этом случае она отражает индуктивную или кинетическую энергию механического сжатия. Получается, что в теплотехнике тепловая энергия полностью подменяется механической энергий сжатия. На самом деле, согласно обобщенным законам физики, полная тепловая энергия QW, внутренняя ( или потенциальная) тепловая энергия QU и кинетическая тепловая энергия QI вычисляются как:

(8) QW = S*T

(9) dQU = S*dT

(10) dQI = dS*T

(11) dQW = dQU + dQI= S*dT+ dS*T

И что интересно, другие разделы физики не имеют своих собственных понятий энергии кроме как потенциальная и кинетическая, в то время как теплофизика имеет (пример: "энтальпия"). Например, в электрофизике, механике нет общеупотребительного слова, которое бы описывало потенциальную энергию электрического заряда или механического перемещения, сжатия. Там просто говорят, например, "энергия конденсатора" или "потенциальная энергия тела" или "кинетическая энергия тела". Поэтому я предлагаю изменить старые понятия теплофизики на более интуитивно-понятные:

(12) QW=S*T; в классике это называется: "теплота" Q;

(13) S=Q/T, в классике это называется: "энтропия" S;

(14) dQU=S*dT; в классике это "внутренняя" энергия u;

(15) dQI=dS*T

Понятия "теплота", "количество теплоты", "энтропия" и "энтальпия" я бы убрал из современной физики, как запутывающие и не отражающие сути явлений. Так понятие "теплота" подобно понятию "электричество" в электрофизике, то есть не принадлежит ни к одной величине, а просто отражает принадлежность явления в данному разделу физики. Зачастую я встречаю в интеренте в формулах разных авторов название "теплота" обозначающее и Энергию и Мощность и как Заряд! Путаница на лицо. Понятие "количество теплоты" подобно "количество электричества" – так же имеет мало физического смысла. Понятие "энтропия" не имеет подсказок для понимания, в то время как "тепловой заряд" сразу раскрывает суть физической величины подобно понятию "электрический заряд" в электрофизике. Понятие "энтальпия" - вообще слов нет. Может кто мне объяснит зачем понятие "энтальпия" нужно? Вместо него есть понятие "работа", "кинетическая энергия".

Некоторые применения обобщенных законов для теплофизики. Мы знаем, что тепловая энергия связана с энергий механического сжатия по формуле:

(16) S*T=V*p

В теплоизолированной системе теплозаряд S постоянен, тогда:

(17) S=V*p/T=const

Мы знаем что при сжимании или растягивании тела его температура изменяется. Как видно, при этом изменяется тепловая энергия тела. Значит в "изозарядном" (заряд постоянен, "изоэнтропийном", "изотропном") процессе механическая энергия (работа) сжимания или растяжения тела будет равна:

(18) A = D EW/2= (EW1-EW2)/2 = S*(T1-T2)/2, а так как температура выражается через энергоёмкость и энергозаряд, то

(19) T1=S/CU1 и

(20) T2=S/CU2, где СU1 – тепловая энергоёмкость (не путать с классическим понятием "теплоёмкость"!) тела при температуре T1; CU2 - тепловая энергоёмкость (не путать с классическим понятием "теплоёмкость"!) тела при температуре T2. Получаем:

(21) A = S2*(1/CU1-1/CU2)/2

Видно что в этом случае изменяется тепловая энергоёмкость рабочего тела. То есть преобразование тепловой энергии в механическую происходит благодаря изменению тепловой энергоёмкости рабочего тела. Получаем обычный параметрический преобразователь. Применяя обобщенные законы физики можно сказать что превращение энергии происходит благодаря изменению энергоёмкости и энергоиндуктивности материи.

В тепловых машинах внутреннего сгорания преобразуется еще и химическая энергия топлива в тепловую энергию. Думаю, что химические реакции так же идут с изменением их химической энергоёмкости и энергоиндуктивности. Еще о преобразовании энергии можно судить по изменению количества энергии двух связанных видов энергий. Например мы имеем изолированную систему, выполненную в виде цилиндра, разделенного поршнем, в одной части цилиндра находится газ, а в другой пружина. Здесь тепловая энергия Q газа суммируется с механической энергией W пружины. Причем тепловая энергия газа может выражаться как через теплозаряд S и теплонапряжение T, так и через давление p и объем V. Тогда, полная энергия системы:

(22) U=Q+W,

(23) Q=S*T=VГ*pГ, где VГ и pГ – объем и давление газа,

(24) W=F*h, где F – сила действия пружины, h – относительная длинна пружины. Здесь h относительна длине пружины в несжатом состоянии и коэффициент сжатия для простоты не рассматривается. Если площадь поршня ss, то давление пружины через поршень на газ:

(25) pП=F/ss, тогда

(26) W=pП*h*ss, причем давление газа и поршня равны:

(27) pГ=pП=p, а h*ss – это объем части цилиндра, занимаемый пружиной, тогда:

(28) U= VГ*pГ + pП*h*ss = p*(VГ + VП), но сумма объемов газа и пружины есть объем всего цилиндра:

(29) V=VГ + VП, тогда:

(30) U=p*V

То есть в установившемся режиме полная энергия системы постоянна. И чтобы сдвинуть поршень нужно затратить энергию A (работу) извне. Тогда между двух сторон поршня создается перепад давлений D p (энергонапряжение) и затраченную извне энергию можно вычислить по формуле энергии сжатия:

(31) А=V*(p1-p2)/2=V*D p/2,

На основе обобщенных законов получаем следующие формулы и выводы для основных законов термодинамики:

Первый закон термодинамики. Первый закон термодинамики отражает закон сохранения энергии E системы применительно к термодинамическим системам, которые имеют два вида энергий – тепловую энергию Q хаотического движения микрочастиц и механическую энергию W расширения-сжатия:

(32) EW=QW+WW.

Или

(33) dEW=dQW-dWW

зная что:

(34) QW=S*T, (35) dQW=d(S*T)=S*dT+dS*T,

(36) WW=V*p, (37) dWW=d(V*p)=V*dp+dV*p, получаем:

(38) dEW= dQW - V*dp - dV*p

так как механическая работа A есть:

(39) dA = dV*p,

По классике "внутренняя энергия" dU = V*dp и по закону сохранения энергии dE=0, то получаем:

(40) dA = dQW - V*dp – dEW = dQW - V*dp = dQW - dU

Однако реальные затраты тепловой энергии при преобразовании, равны интегралу "Г" от изменения потенциальной тепловой энергии. Зная, что изменение потенциальной тепловой энергии согласно обобщенным законам есть:

(41) dQU=S*dT, получаем реальные затраты тепловой энергии:

(42) ГdQU=Г(S*dT),

Но здесь согласно обобщенным законам физики V*dp это так же есть потенциальная энергия сжатия или внутренняя энергия механического сжатия (смотри жимэнергию в теплотехнике). Тогда получаем:

(43) dA = dQW - V*dp = dQU + T*dS - dWU

(44) dQU = dA + dWU - T*dS

То есть, первый закон термодинамики это частный случай закона сохранения энергии, и он гласит: чтобы тело совершило механическую работу (dA) заданной величины, нужно к нему подвести тепловой энергии (то есть изменить тепловую потенциальную энергию dQU) больше чем необходимо получить работы на величину разности между изменением тепловой кинетической энергией (T*dS) тела и изменением потенциальной энергии сжатия тела dWU. Так же верно и обратное утверждение – чтобы создать изменение потенциальной тепловой энергии (dQU) на заданную величину, необходимо подвести механической работы (dA) к системе столько, чтобы ее хватило еще и на создание разницы между изменением потенциальной энергии сжатия (dWU) и изменением тепловой кинетической энергии (T*dS) тела. Другими словами, КПД (или коэффициент полезного преобразования КПП) больше 1 невозможен. Например, чтобы охладить тело ниже температуры окружающей среды, как это делается в холодильниках или тепловых насосах, так чтобы его тепловая потенциальная энергия уменьшилась на заданное число Джоулей необходимо приложить ровно столько же или даже больше механической работы в Джоулях. Первый закон термодинамики применим только в системам имеющим тепловую и механическую энергии и является частным случаем закона сохранения энергии. Полная же внутренняя энергия тела состоит из механической, тепловой, электрической, магнитной, химической, притяжения, ядерной, световой, вращения и еще других видов, о которых человечество может пока и не знать.

Второй закон термодинамики. В классической теплофизике он гласит: а) что "самопроизвольно тепло (читай "тепловой заряд" или "энтропия") может перетекать только от более горячего тела к менее горячему", б) что "энтропия (читай "тепловой заряд") изолированной системы не может убывать". Но согласно обобщенным законам физики мы видим, что суть "энтропия" в классической физики есть на самом деле "тепловой заряд" и поэтому, так же как и в других разделах физики эти утверждения а) и б) полностью очевидны. Например, в поле притяжения земли вода (раздел энергии притяжения) самопроизвольно стекает только в самую низкую точку (низкий потенциал притяжения) системы и в замкнутой системе её масса (заряд) будет всегда постоянна. И для тепловой энергии очевидно тоже самое: энтропия (тепловой заряд) самопроизвольно переходит только от более нагретого тела к менее нагретому и если система изолирована, то энтропия (тепловой заряд) остается постоянной в системе – ей некуда и неоткуда перетечь, как и электрозаряду стального шарика в вакууме. Аналогично можно сказать, что электрозаряд изолированного тела не может быть изменён. Вообще-то это и так понятно. Причём к такой формулировке второго закона термодинамики прилагается ограничение – все процессы в замкнутой системе относятся к чистым тепловым процессам. Например, если в системе будет протекать химическая реакция, то второй закон термодинамики будет нарушен, так как он не связан с законом сохранения энергий. То есть второй закон термодинамики применим только к процессам теплофизики, которые не учитывают другие виды внутренней энергии – не преобразуют тепловую энергию в другие виды энергии. Тогда это и не закон вовсе, а лишь правило. Допустим система содержит два химических реагента и некоторую тепловую энергию, выраженную в энтропии (теплозаряде) и температуре системы. Если эти реагенты прореагируют с понижением температуры, по классической теплофизике мы получаем поглощение тепловой энергии, так как температура и энтропия (теплозаряд) системы уменьшатся, так как тепловая энергия будет преобразована во внутреннюю энергию химической реакции. Хотя можно ввести утверждение, что энтропия (энергозаряд) системы осталась той же, а изменилась теплоемкость, в связи с чем и изменилась температура и тепловая энергия. Тогда второй закон термодинамики будет вполне корректен. Однако, обратная ситуация происходит в двигателях внутреннего сгорания. Там в изолированной системе происходит сгорание топлива и теплозаряд системы увеличивается. Это отражает любой термодинамический цикл тепловых машин (хоть цикл Карно). Значит в классической теплофизике не приемлют утверждения, что при химической реакции (с уменьшением температуры или с увеличением) изменяется теплоемкость реагентов и утверждают что изменяется энтропия (теплозаряд). Значит классическая теплофизика имеет противоречие во втором законе термодинамики. Отсюда вытекает что, при новом понимании законов теплофизики с помощью обобщенных законов физики второй закон термодинамики вообще не нужен – он описывает очевидное в одной ситуации, противоречит в другой и, к тому же, вместо него есть закон сохранения энергий, частным случаем которого является первый закон термодинамики.

Третий закон термодинамики. В классической физике закон гласит "в любом тепловом процессе при постоянной температуре равной абсолютному нулю изменение энтропии (теплозаряда) системы равно нулю". Планк так же предположил, что при этом энтропия (теплозаряд) будет равен нулю. По обобщенным законам температура T и теплозаряд S связаны между собой формулой: S=C*T, где С – теплоёмкость тела. Видно что третий закон термодинамики при любой реальной (не бесконечность) теплоёмкости справедлив и полностью прозрачен (очевиден). Представьте себе если бы такое же заявление в электрофизике сделал бы Ом или Ампер: "мол, при электрическом потенциале тела равном нулю, электрический заряд тела равен нулю" – ну так это же из определения электрозаряда вытекает: любое тело, имеющее электрозаряд имеет и электрический потенциал. То же и с третьим законом термодинамики – он вытекает из определения энтропии (теплозаряда) и температуры: любое тело, имеющее температуру имеет и теплозаряд (энтропию). Значит третий закон термодинамики так же является ненужным!

Классическая теплоёмкость. Теперь определимся с теплоёмкостью. Так как теплоёмкость в классике есть показатель зависящий от Джоуль/Кельвин, то есть указывает сколько тепловой энергии нужно подвести к телу, чтобы его температура возросла на 1градус и следовательно является на самом деле энтропией (теплозарядом) данного тела при данной температуре, а тепловая энергоёмкость (не путать с теплоёмкостью!) по обобщенным законам зависит от Джоуль/Кельвин2, то значит для их увязывания нужно брать классическую теплоёмкость из справочника и делить её на температуру, для которой приводится классическая теплоемкость, тогда мы получим теплоёмкость CU по обобщенным законам:

(45) CUP=CP/T, (Джоуль/К2),

(46) CUV=CV/T, (Джоуль/К2),

Где CP – классическая изобарная теплоемкость, CV – классическая изохорная теплоемкость. А лучше отказаться от классических теплоемкостей и изменить все данные в справочниках сделав соответствующие преобразования и изменив единицу измерения теплоёмкости либо на Джоуль/Кельвин2, либо на м3*Паскаль/Кельвин, либо введя новую единицу измерения энтропии (теплозаряда) и тогда как "Теплозаряд"/Кельвин. Ниже приведена таблица с классической изобарной теплоёмкостью воды CP ([2], стр.211) при атмосферном давлении и с тепловой энергоёмкостью согласно обобщенным законам, вычисленной приближенно по формуле CUP=CP/T, (кДж/К2).

Теплоемкость по классике, CP (кДж/моль/К)

Температура (Кельвин)

Теплоемкость обобщенная, CUP (кДж/моль/К2)

Лед

1,98

20

0,09900

6,12

40

0,15300

12,82

80

0,16025

21,95

150

0,14633

34,71

250

0,13884

Переход

Пар

34,16

400

0,08540

36,29

600

0,06048

41,54

1000

0,04154

Видно что классическая теплоёмкость для твердых тел и жидкостей зависит от температуры, в то время как обобщенная имеет небольшую зависимость лишь отражающую суть явлений, происходящих в веществе: фазовые нетепловые переходы (изменение магнитной проницаемости, изменение диэлектрической проницаемости, изменение плотности, сжимаемости и внутреннего давления и другие изменения энергоёмкостей и энергоиндуктивностей тела от температуры). Представьте себе, если бы электрическая ёмкость электрического конденсатора или индуктивность электрической катушки изменялась бы в зависимости от заряда или напряжения! Для газов, видно что классическая теплоёмкость так же слабо отражает суть явлений в газах. Обобщенная же уменьшается, так как при ее вычислении не учтена классическая теплоемкость CV, которая как раз отражает явления расширения газов и изменение внутреннего давления. То есть тут уменьшение обобщенной теплоёмкости происходит потому, что газ сжимается атмосферным давлением, и энергия этого сжатия сопоставима с энергией расширения газа. Если Мы измерим классическую теплоёмкость газа в вакууме и вычислим на основе её обобщенную теплоёмкость, то обобщенная теплоёмкость будет почти постоянной. В то время как значение классическая теплоёмкости опять будет зависеть от температуры.

Обобщенные законы неразрывности Кирхгофа.

Применение этих законов довольно прозрачно для данного раздела физики и вряд ли требует комментариев: сумма всех перетоков теплового заряда в одной точке равна нулю и сумма перепадов температуры в замкнутом контуре равна нулю.

Коэффициент теплопроводности. Коэффициент теплового сопротивления.

В [1.стр 273] коэффициентом теплопроводности , измеряемый в Вт/(м*К). В [2.стр 12] теплопроводность – Вт/(м*К) * grad(Т)(К/м) = Вт/м2. В технической литературе еще встречается понятие “коэффициент теплового сопротивления” измеряемый в Ваттах на Кельвин. Так же как и классическая теплоёмкость, теплопроводность и коэффициент теплового сопротивления не несут в себе полезной информации и имеют смысл только при указании перепада температуры, при которой они были измерены или вычислены. Это происходит потому, что мощность перетока тепла зависит от квадрата перепада температуры. Например, имея один и тот же материал при температуре холодного конца 200К и перепаде температуры на нем 10 и 20 градусов Кельвина Мы получим мощность теплового перетока, допустим, в 102=100Вт и 202=400Вт. Теперь если Мы вычислим классический коэффициент теплового сопротивления для этих двух измерений, то получим 100/10=10Вт/К в первом случае и 400/20=20Вт/К во втором. Но ведь тело мы не меняли! В обобщенных законах физики используется коэффициент энергетического сопротивления, который несет в себе конкретные значения вне зависимости от условий использования. Применительно к термодинамике этот коэффициент будет измеряться в Кельвин2/Ватт. Значит для обоих измерений получим: 102/100=1 и 202/400=1. Как видно при использовании обобщенного коэффициента теплового сопротивления его значение не зависит от перепада температуры на теле и лучше отражает количественно суть явления. Для сравнения, В [2] Таблица 15.1 стр. 340 содержит значения теплопроводности, которые изменяются в разы (!) для одного и того же материала в зависимости от температуры. Причем в таблице не указано для какого перепада температур производились измерения. А в этом случае вообще невозможно использовать на практике эти значения. То есть информативность классических понятий “теплопроводность” и “тепловое сопротивления” нулевая.

Вообще, из за ошибочности классических формул “теплоёмкость” и “тепловое сопротивление”, в которых температура стоит в первой степени, в теплотехнике существует множество дополнительных ненужных вычислений, формул, таблиц, поправочных коэффициентов и оговорок. Всё это можно убрать и описать термодинамику более стройно и компактно всего на всего переделав формулы с использованием температуры в квадрате, так чтобы они(формулы) были по форме согласованы с обобщенными законами физики.

Преобразование внутренней химической энергии в тепловую. При сжигании топлива происходит преобразование химической энергии в тепловую. Эту энергию обычно высчитываю по данным из справочника. Все химические реакции являются обратимыми. Именно по этому объясняется наличие такого показателя как максимальная температура сгорания топлива. Если температура будет еще выше, то реакция пойдет в обратном направлении – будет образовываться топливо из продуктов сгорания. Таким образом, для облегчения вычислений при расчете тепловых процессов с участием сгорания топлива можно представлять источник химической энергии топлива как неидеальный источник электрического тока с внутренним конечным сопротивлением, которое учитывает максимальную температуру сгорания:

Теплозаряд:

(47) S=Q/T, где Q - тепловая энергия сгорания, T – температура сгорания.

Теплоток:

(48) I=S/t,

(49) Rвн=Tм/I=Tм*t/S = Tм2*t/Q, где

Rвн - внутренне сопротивление (включенное параллельно идеальному источнику тока);

Тм - максимальная температура сгорания

I – теплоток идеального источника тока

S - теплозаряд сгорания топлива

t – продолжительность горения топлива

Далее можно преобразовать все элементы тепловой системы в элементы электрических схем и вести тепловые расчеты на основе обобщенных законов физики, которые идентичны законам электрофизики (закон Ома, Кирхгофа,…).

Допустим, у нас есть источник тепла в виде электрического резистора, потребляющего электрическую мощность 100Вт. Есть корпус, в которой заключен резистор и есть внешняя среда. Тогда схема замещения будет такая:

Где У1 - источник напряжения, имеющий мощность 100Вт, Р1 – обобщенное тепловое сопротивление между поверхностью корпуса и окружающей средой (К2/Вт), Р2 – обобщенное тепловое сопротивление между внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью (К2/Вт), Т1 – температура на внешней поверхности корпуса (К), Т2 – температура на внутренней поверхности корпуса (К). Данная схема решается очень просто.

Еще можно выразить процесс сгорания через энергию запасенную в индуктивности.

(50) Q=0.5*L*I2

Ошибочность формулы термического КПД тепловых машин.

([1], Стр.141) Нужно отказаться от такого термина, так как он обычно рассчитывается по формуле:

(51) КПД=1-T2/T1

Где T1 и T2 есть температура относительно абсолютного нуля (энергопотенциал). Такая формула не отражает действительного коэффициента полезного действия тепловых машин и даже вводит студентов и других людей в заблуждение, когда речь заходит, например, о термическом КПД тепловых насосов или холодильных агрегатов. Ведь термический КПД холодильной установи, вычисленный по такой формуле, превышает единицу! На самом деле реальный КПД любого устройства всегда меньше единицы. Представьте себе, если бы КПД электрического трансформатора считали бы не по разнице напряжений на зажимах обмоток, а по абсолютному потенциалу на только одном зажиме первичной обмотки и по абсолютному потенциалу на только одном зажиме вторичной обмотки? Но ведь именно так делают при расчёте термического КПД в теплофизике: почему-то берут абсолютные температуры! При этом такой КПД назывался бы потенциальный КПД трансформатора и зависел бы от электрических потенциалов, но ни как не давал бы значение реальных потерь трансформатора. Получилась бы что повышающий трансформатор например имеет КПД больше 1! В электротехнике, в механике, в химии, да и везде считают КПД по мощности или энергии затраченной и преобразованной или по потерям мощности (энергии), а в теплофизике почему-то КПД считают по абсолютным энергопотенциалам (температуре) входному и выходному! Так можно считать, только если тепловая цепь не содержит ответвлений. Для приведения в порядок в этом разделе теплофизики утверждаю, что тепловые потенциалы для приведенной выше формулы КПД необходимо замерять только относительно "потенциала заземления" (как говорят в электрофизике - "земли") или "температуры окружающей среды". Либо необходимо проводить расчет по тепловым и механическим энергиям, участвующим в преобразовании. Ведь изначальная формула КПД использует энергии:

(52) КПД=1-qВЫХ/qВХ, где

qВЫХ – тепловая кинетическая энергия на выходе:

(53) dqВЫХ = dS2*T2,

qВХ – тепловая кинетическая энергия на входе:

(54) dqВХ = dS1*T1.

Причем, в формулы этих кинетических тепловых энергий необходимо вставить показатели окружающей среды: температуру T0 и теплозаряд S0, который можно вычислить по теплоёмкости CP воздуха, приводимого в справочнике. Тогда получаем:

(55) dqВЫХ = d(S2-S0)*(T2-T0)

(56) dqВХ = d(S1-S0)*(T1-T0)

В случае, если тепловая схема содержит ответвления, например, как в двигателях внутреннего сгорания, в котором есть водяное охлаждение и естественное охлаждение, тепловой КПД необходимо считать по формуле через тепловые энергии:

(57) Тепловой КПД = 1 – (q1+q2+q3)/qВХ

Где q1 – кинетическая тепловая энергия уносимая выхлопными газами, q2 – кинетическая тепловая энергия уносимая водяным охлаждением, q3 – кинетическая тепловая энергия отдаваемая в окружающую среду через естественное охлаждение корпуса, qВХ - кинетическая теплота сгорания топлива. Здесь нужно вычислять энергии так же как и выше с учетом показателей окружающей среды.

Так же как и термический КПД, в термодинамике используют формулы для вычисления эффективности преобразования по степени сжатия, равной отношению максимального и минимального давления или объема. Это так же противоречит реальному показателю эффективности (КПД), так как необходимо учитывать давление внешней среды и объем, который займет рабочее тело во внешней среде:

(58) КПД = 1 - (V1-V0)/(V2-V0) = 1 – (p2-p0)/(p1-p0)

Где нулевой индекс указывает на показатели рабочего тела во внешней среде.

Вообще-то я думаю, что и такой подход к нахождению КПД тепловых двигателей неверен. Дело в том, что теплота сгорания топлива не обязательно вся полностью является кинетической энергией. Поэтому более точный КПД нужно определять только по полезной работе A, которая есть функция от показателей энергии сжатия – объему V и давлению p, и по затраченной полной тепловой энергии Q, которая есть функция от показателей теплозаряда и температуры:

(59) dA = d(V-V0)*(p-p0)

(60) Q=(S2-S0)*(T2-T0) - (S1-S0)*(T1-T0)

Где индекс "1" указывает на точку начала подвода тепловой энергии сгорания топлива, а индекс "2" на окончание. Если точку 1 и 2 соединяет не прямая линия, то необходимо использовать интегрирование.

(61) КПД= A/Q

В связи с чем, заявляю, что цикл Карно не является самым эффективным! Эффективность его по реальному КПД равна всем прочим циклам. Просто он позволяет получить максимальную мощность преобразования на данном рабочем теле в заданном интервале температур. А как известно высокая температура может повернуть реакцию окисления топлива обратно в восстановительную. Да и размеры преобразователей зависят от температуры. Поэтому верхняя температура имеет ограничение и задача стоит получить максимальную мощность преобразования при ограничении по температуре, что и решает успешно цикл Карно. Используя обобщенные законы физики можно легко понять, что реализовать цикл Карно можно без проблем – ведь все что для этого нужно – это изменять тепловую энергоёмкость рабочего тела заданным образом. А в наш век полупроводников и автоматики это не составит труда сделать с помощью микроконтроллера за 10$.

Литература:

1. Теплофизика: Учеб. Для вузов/В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер и др.; М.: Высш.шк., 2000.-671с.

Обновление от 2004-февраль-04
2. Физические величины: Справочник/А.П.Бабичев,…М:, Энергоатомиздат, 1991.

Дата публикации: 11 мая 2004
Источник: SciTecLibrary.ru

Вы можете оставить свой комментарий по этой статье или прочитать мнения других в следующих разделах ФОРУМА:
Свернуть Защита интеллектуальной собственности и авторских прав
Диспуты по темам изобретательства. Вопросы по изобретениям, проблемы на пути изобретателей и методы их решения.
Патентование. Все о патентовании изобретений, полезных моделей, промышленных образцов и товарных знаков.
Нерешенные задачи. Здесь идет обсуждение нерешенных задач: безопорный двигатель, вечный двигатель, преодоление гравитации и пр.
Свернуть Точные науки и дисциплины
Дебаты по Теории Относительности Эйнштейна. Все кому не лень хотят опровергнуть Теорию Относительности Эйнштейна. Вам предоставляется слово для аргументации.
Физика, астрономия, математические решения. Физико-математические вопросы, наблюдения, исследования, теории и их решение.
Физика альтернативная. Новые взгляды на физические законы, теории, эксперименты, не вписывающиеся в общепринятые законы физики.
Teхника, узлы, механизмы, электроника и аппаратура. Все про технику, приборы, детали, узлы и механизмы. Электроника, компьютеры, программное обеспечение. Новые технические решения в самых разных областях.
Биология, Генетика, Все о жизни. Генетика и другие вопросы биологии. Их развитие. Медицина. Биотехнологии, агротехника и сельское хозяйство. Эволюционные теории и альтернативные им.
Химия. Вопросы по химическим технологиям, разработкам и применению химических материалов. Химические элементы и их свойства.
Геология, все о Земле и ее обитателях. Геология, метеорология, антропология, сейсмология, атмосферные явления и непознанные эффекты природы.
Свернуть Мозговой штурм
Генератор решений. Здесь Вы можете заработать реальные деньги, помогая решать фирмам, предприятиям и частным лицам те или иные технические задачи, которые перед ними стоят. Те, кто ставят задачи перед участниками должны обозначить гонорар за ее решение и перевести указанную сумму на общий счет генератора.
Головоломки. Если у Вас есть желание поломать голову над интересными логическими задачами - Вам сюда.
Гипотезы. В этой теме идет обсуждение гипотез и предположений, основанных чисто на теории и логике.
Найди ляп! Этот раздел для тех, кто хочет мысленно расслабиться. Он посвящен задачам по поискам ляпов, которые встречаются в литературе, интернете, кино и на телевидении.
Свернуть Взгляд в будущее и настоящее
Глобальные темы. Вопросы касающиеся всех. Глобальные угрозы и злободневные темы современности.
Наука и ее развитие. Все о развитии науки, направлениях и перспективах движения научной мысли и знаний.
Новая Цивилизация. Принципы социального устройства новой цивилизации. Увеличение роли созидательного интеллекта... Отдалённые перспективы развития человечества...
Вопросы без ответов. Этот раздел посвящен вопросам и проблемам, которые до сих пор не решены. Предлагайте свои решения.
Военная стратегия и тактика современных боевых действий. Об особенностях современного военного искусства. Проблемные вопросы теории и практики подготовки вооруженных сил к войне, её планирование и ведение в различных конфликтах на планете.
Свернуть Гуманитарные науки и дисциплины
Философские дискуссии. Диспуты по вопросам жизни, сознания, бытия и иных философских понятий.
Экономика. Вопросы по экономике и о путях развития России и других стран.
Социология, Политология, Психология. В этом разделе обсуждаются вопросы, как отдельных частных исследований данных наук, так и проблема соотношения этих наук с остальными.
Образование. Все об образовании: как учить, кому учить, чему учить и кого учить.
Религия и атеизм. Вопросы религий и атеистические взгляды, религиозные споры.

Хотите разместить свою статью или публикацию, чтобы ее читали все?
Как это сделать - узнайте здесь.

Назад

 
О проекте Контакты Архив старого сайта

Copyright © SciTecLibrary © 2000-2017

Агентство научно-технической информации Научно-техническая библиотека SciTecLibrary. Свид. ФС77-20137 от 23.11.2004.