Понятие температуры. 
Термодинамический цикл двигателя внутреннего сгорания

• 1. Температура. Температурные шкалы. Приборы для измерения температуры. Использование данного параметра в практике работы
• 2. Термодинамический цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания с подводом тепла при постоянном давлении
• 3. Задачи
• Литература

1. Температура. Температурные шкалы. Приборы для измерения температуры. Использование данного параметра в практике работы

Температура — параметр, характеризующий тепловое состояние вещества. Согласно молекулярно-кинетической теории температура системы прямо пропорциональна средней кинетической энергии теплового движения частиц.

Передача теплоты от одного тела к другому может происходить только при наличии разности температур, при чём тепловой поток всегда направлен в область, имеющую более низкую температуру.

Для измерения температуры используют абсолютную термодинамическую и международную практическую температурные шкалы. Устройство термометров основано на тепловых свойствах газов, жидкостей и твёрдых тел. Тело, применяемое в термометре для измерения температуры, называется термометрическим. В термометре используют один из следующих температурных признаков термодинамического тела: изменение объёма, давления, длины, электропроводности и т. д. В зависимости от температуры, поэтому термометры делают газовыми, жидкостными, термоэлектрическими, оптическими и др.

Жидкостные термометры — простейшие, основаны на тепловом расширении жидкости с повышением температуры. Если принять сечение капилляра, по которому поднимается жидкость, постоянным, то температуру можно определить по высоте столба жидкости в капилляре. Жидкость в таких термометрах должна изменять объём строго пропорционально изменению температуры, точно подчиняться закону Гей-Люссака. Такими свойствами обладают ртуть и спирт, поэтому на практике мы чаще всего встречаем ртутные или спиртовые термометры.

Отсчёт измеряемой температуры производится по шкале термометра. Для построения термометрической шкалы необходимо выбрать базу — две постоянные и легко воспроизводимые температуры — реперные точки.

Интервал между уровнями жидкостями в термометре при этих температурах делят на несколько равных частей. Каждая часть шкалы соответствует некоторому температурному интервалу и называется градусом. В первом ртутном термометре, созданном в 1715 году Фаренгейтом, в качестве реперных точек были выбраны температура смеси льда с солью и нашатырём, и температура тела человека. Первую Фаренгейт обозначил 0, а вторую числом 96. Таким образом, по шкале Фаренгейта градус представлял собой 1/96 часть температурного интервала.

Позднее были предложены шкала Реомюра, в которой градус представлял собой 1/80 часть температурного интервала между точками таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении, и шкала Цельсия, в которой за градус была принята 1/100 часть температурного интервала между точками таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Наиболее удобной оказалась шкала Цельсия, получившая широкое распространение.

Абсолютная термодинамическая шкала имеет одну реперную точку — температуру тройной точки воды. Единицей измерений температуры принят Кельвин (К). Кельвин — единица измерения температуры по термодинамической температурной шкале, в которой для температуры тройной точки воды установлено значение 273,16 К (точно).

Международная практическая температурная шкала основана на одиннадцати реперных точках, соответствующих температуре кипения кислорода (-89,6 градусов), тройной точке воды (0,01 градус), кипения воды (100 градусов), затвердевания цинка (419,505 градусов) и т. д.

Температура по международной практической шкале может быть выражена в Кельвинах или градусах Цельсия, в зависимости от начала отсчёта (положение нуля) на шкале. Поскольку 1К = 1С, соотношение между температурой в Кельвинах и в градусах Цельсия определяется по формулам:

Т = t + 273 К.

2. Термодинамический цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания с подводом тепла при постоянном давлении

Термодинамический цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания с подводом тепла при постоянном давлении, осуществляемый в дизелях, в которых впрыск и распыление топлива производится сжатым воздухом в момент прохождения поршнем верхней мёртвой точки.

Цикл Дизеля включает:

процесс адиабатного сжатия с увеличением давления;

изобарное расширение с подводом теплоты q₁;

адиабатное расширение с падением давления;

изохорный процесс с отводом теплоты q₂.

Рассмотрим цикл по процессам и точкам:

1−2 — адиабатное сжатие в цилиндре;

2−3 — изобарное расширение за счёт теплоты сгорания впрыснутого топлива;

3−4 — адиабатное расширение;

4−1 — изохорный процесс с отводом теплоты (выхлоп).

Характеристиками цикла являются степень сжатия и степень предварительного расширения .

Если теплоёмкости с_v и с_р, а также величина k не изменяются, то термический КПД этого цикла равен:

. (1.58)

Количество подведённой теплоты:

. (1.59)

Количество отведённой теплоты:

. (1.60)

Основные параметры состояния рабочего тела в характерных точках цикла можно определить по следующим уравнениям:

Точка 2:

.

Точка 3:

Точка 4:

Для термодинамической оценки каждого цикла следует сравнивать его КПД с КПД цикла Карно, рассчитанного по экстремальным температурам этого цикла. При этом необходимо учитывать, что у любого термодинамического цикла двигателя внутреннего сгорания при любых обстоятельствах КПД будет меньше, чем у цикла Карно.

температура термодинамический цикл двигатель Для обеспечения пожарной безопасности необходимо использовать различные двигатели. Кроме того, сами двигатели при неправильной эксплуатации могут представлять пожарную опасность. По циклам двигателей можно составить много термодинамических задач проверочного типа: определить потребляемую теплоту, термический КПД двигателя с использованием понятия степени сжатия.

По температуре горения топливной смеси и КПД двигателя можно определить температуру выхлопных газов и количество тепла, выбрасываемого двигателем наружу.

3. Задачи

1. Объем газовой смеси состоящей из 2кмоль кислорода, 6кмоль азота, 4кмоль воздуха равен 120 м³. Определить среднюю молярную массу, массу и парциальные объемы газовой смеси.

Дано:

1) н₁=2 кмоль (О2)

2) н ₂=6 кмоль (N2)

3) н ₃=4 кмоль (воздух)

V (смеси) =120 м³

Найти: Мср — ?

V (парц) — ?

m — ?

Решение.

а) анализ условия:

Задача на определение параметров газовой смеси.

Объёмная доля вещества в смеси определяется по формуле:

(1)

Зная объёмные доли компонентов смеси и их молярные массы, можно определить среднюю молярную массу смеси по формуле:

(2)

Парциальный объём определяется с учётом объёма смеси и объёмных долеё компонентов:

(3)

Масса смеси определяется по формуле:

(4)

б) Вычисления:

1) По уравнению (1) определяем объёмные доли компонентов смеси:

2) По уравнению (2) определяем среднюю молярную массу:

3) По уравнению (3) определяем парциальные объёмы компонентов смеси:

4) Определяем массу смеси по уравнению (4):

Ответ: средняя молярная масса смеси — 29 г/моль; объём кислорода — 20 м³, азота — 60 м³, воздуха — 40 м³. Масса вещества — 348 кг.

2. Определить среднюю массовую теплоемкость кислорода в пределах температуры от 200^оС до 1200^оС при постоянном объеме и при постоянном давлении.

Дано:

t¹=200?C

t²=1200?C

Найти: c_v-? c_p-?

а) Анализ решения:

Определяем теплоёмкость при постоянном давлении, принимая зависимость теплоёмкости от температуры линейной:

(1)

Аналогично определяем теплоёмкость для случая с постоянным давлением:

(2)

где

б) Вычисления

1) Определяем удельную теплоёмкость при постоянном давлении:

2) Определяем удельную теплоёмкость при постоянном объёме:

Ответ: c_v=0,831 кДж/кгК;

C_р=1,091 кДж/кгК.

3. 0,5 м³ воздуха при температуре 17 °C и начальном давлении 500кПа расширяются изотермически.

Определить конечное давление, совершаемую газом работу и количество сообщенной теплоты, если объем газа увеличился в: 5 раз. Начертить график процесса.

Дано:

газ — воздух, М=29г/моль

р₁=500 кПа=500· 10³Па

t₁=17^оС, Т=290К

V=0,5 м³

Найти: L-?, р₂-?, Q-?

Решение.

а) анализ условия:

Задача на исследование изотермического процесса:

Находим конечный объём воздуха:

(1)

По закону Бойля-Мариотта определяем конечное давление:

(2)

Из уравнения Менделеева-Клапейрона определяем массу вещества:

(3)

Определяем работу и полученную теплоту. Поскольку, при изотермическом процессе вся теплота расходуется на совершение работы, то:

(4)

б) Вычисления:

1) По уравнению (1) определяем конечный объём:

2) По уравнению (2) определяем конечное давление:

3) Определяем массу вещества по уравнению (3):

4) Определяем работу и количество теплоты по уравнению (4):

5) На основании полученных данных строим график процесса.

Вычертим график процесса:

Ответ: L=Q=1,21 МДж; Р₂=-100 кПа

4. 1 кг воздуха сжимается в цилиндре адиабатно, объем воздуха при этом уменьшается в 14 раз. Определить конечную температуру и конечное давление воздуха, если начальная температура его 100^оС, а начальное давление 0,1МПа. Показатель адиабаты принять равным 1,4. Начертить график процесса.

Дано:

газ — воздух, М=29г/моль

m=1кг

р₁=0,1МПа=10⁵Па

t₁=100^оС, Т=373К

==14

k=1,4

Найти: t₂-?, р₂-?,

Решение.

а) анализ условия:

Задача на исследование адиабатного процесса, q=0.

Температуру можно выразить из закона Пуассона (уравнение адиабатного процесса):

(1)

Для определения давления также можно использовать уравнение адиабатного процесса:

откуда получим:

(2)

б) расчёты:

1) По уравнению (1) определим конечную температуру:

2) По уравнению (2) определим давление р₂:

Вычертим график процесса:

Ответ: T₂=1072K Р₂=-4,03МПа

1. Башкирцев М. П., Бубырь Н. Ф., Минаев Н. А., Ончуков Д. Н., Основы пожарной теплофизики М.: Стойиздат, 1978.

2. Башкирцев М. П. Задачник по теплопередаче в пожарном деле. М.: Высшая школа, 1971.

3. Казаков С. Н. Методические указания по выполнению контрольных работ.