Карно циклі және пайдалы әсер коэффициенті

АННОТАЦИЯ

 

Курстық жұмыс «Карно циклі және пайдалы әсер коэффициенті» тақырыбына жазылған. Курстық жұмыста карно циклінің жылу өткізгішін және оның тоңазытқышқа берілуін қарастырылады. Курстық жұмыстың көлемі 28 бет, соның ішінде сурет 5, формула 55 және қосымша. Пайдаланылған әдебиеттер саны 8.

Мазмұны карно  циклі және ПӘК-іне жалпы сипаттама, тоңазытқыш машинасы, Карно-Клаузиус тәсілі мен теоремасынан және Карно циклінің 1, 2, 3, 4-ші стадиялардағы жұмысын есептеуден тұрады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МАЗМҰНЫ

 

КІРІСПЕ                                                                                                                  5

 

1 ӘДЕБИ ШОЛУ                                                                                                    7

1.1 Карно циклі жане ПӘК                                                                                     7

1.2 Тоңазытқыш машинасы                                                                                  15

1.3 Карно-Клаузиус тәсілі және теоремасы                                                       20

 

2 ЭКСПЕРИМЕНТТІК БӨЛІМ                                                                      24

2.1 Карно циклінің 1, 2, 3, 4-ші стадиялардағы жұмысын есептеу                   24

 

ҚОРЫТЫНДЫ                                                                                                    26

 

ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕРДІҢ ТІЗІМІ                                       28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КІРІСПЕ

 

Химиялық термодинамика  – энергияның әртүрлі формаларының өзара ауысуын, оның ішінде химиялық реакция нәтижесінде бөлінетін энергияның түрленуін қарастыратын физикалық химияның негізгі бөлімдерінің бірі.

Жалпы денелердің ыстық, суықтығын белгілі бір  зат күйінің өзгерісі арқылы көрсету  мүмкіндігі термодинамиканың алғашқы бастамасы арқылы жүзеге асады. Бұл қағида – егер кез-келген екі зат, үшінші бір денемен жылу тепе-теңдігінде болса, онда олар өзара да жылу тепе-теңдік күйінде болады.

Жалпы термодинамика  заңдарын химиялық реакциялармен олардың  жүру жағдайына қолданса, онда әңгіме химиялық термодинамика саласы туралы болғаны.

 Тепе-теңдік жүйелердегі және жүйелердің тепе-теңдік күйге өтуіндегі жылулық қозғалыстың заңдылықтары термодинамиканың зерттеу пәні болады. Термодинамиканың алғашқыда басты мақсаты жылулық қозғалтқыштарды жетілдірудің теориясын жасау және жылу мен механикалық жұмыстың өзара айналуының проблемаларын шешу болды. Алайда, термодинамика заңдары материяның басқа қасиеттерін зерттегенде, қипасыз молекулалардан құралған күрделі жүйелер туралы көп мәліметтерді алуға мүмкіндік береді. Мысалы, жүйелердің физика-химиялық қасиеттері және маңызы өмірлік процестеріне температура, қысым және құрамының әсерін тексеруіне термодинамиканың заңдары қолданылады.

Термодинамиканың  бірінші заңы бойынша процесс өткенімен оның бағыты көрсетілмейді, сонымен қатар температура ұғымының мағынасы ашылмайды. Күнделікті байқалатын реалды процестер белгілі бір бағытта өтеді, оларға әсер ететін сыртқы жағдайлар өзгермесе процесс өздігінен кері бағытта жүрмейді. Сондықтан пройестің жүру бағытын алдын ала болжап білудің техника жане ғылым салалары үшін маңызы өте зор. Процестің жүру бағыты жане оның өздігінен өтуі, не өтпеуі үлкен техникалық проблема. Әр түрлі жылу қозғалтқыштарына берілген жылу энергиясының қаншама белгілі пайдалы жұмысқа айналады, демек мұндай жұмыс машиналарының тиімділігі қандай деген сұраққа жауап беру өте қажетті нәрсе. Осы айтылған проблемаларды зерттейтін термодинамиканың екінші заңы болып тааабылады. Мұның ішінде Карно циклінің алатын орны ерекше екендігін атап өткен жөн.

Николя Леонар Сади Карно "ойша эксперимент» жолымен, дәленденбеген логикаға келді: «келесі  жалпы қорытынды: Жылудың қозғалушы  күші оның дамуы үшін алынған агенттерге тәуелді емес, оның саны соңғы есепке жылу тасымалдауда шығатын денелер арасындағы температурамен анықталады».

Сади Карноның еңбектерінің ең бастапқы мақсаты-бу машиналарының пайдалы әсер козффициентін көбейту, демек қайтседе аз отыннан көп энергия алу жолдарын қарастыру болды.

Жылу  машинасының  пайдалы әсер коэффициенті шексіз  арттыра беруге  болмайды.  Ол  заң бойынша жылуды  түгелімен жұмысқа айналдыру мүмкін емес, жылудың бір бөлігі міндетті  түрде қоршаған ортаға таралып кетеді.

 Курстық жұмыстың мақсаты: Карно циклінің 1, 2, 3, 4-ші стадияларындағы жұмысын қарастыру.

Курстық жұмыстың міндеттері:

– термодинамиканың бірінші және екінші заңдарына әдеби шолу жасау;

– карно циклі мен ПӘК толығырақ тоқталу;

– карно циклінің химияда қолданылуын әдістерін қарастыру;

– карно циклінің 1, 2, 3, 4-кезеңдерін есептерде қолдану:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ӘДЕБИ ШОЛУ

 

1.1 Карно циклі және ПӘК

 

Термодинамиканың  бірінші заңына табиғат құбылыстарының бәрі түгелімен бағынады, бірақ кейбір процестер практикада алынбауы мүмкін. Термодинамиканың бірінші заңы бойынша процесс өткенімен оның бағыты көрсетілмейді, сонымен қатар температура ұғымының мағынасы ашылмайды. Күнделікті байқалатын реалды процестер белгілі бір бағытта өтеді, оларға әсер ететін сыртқы жағдайлар өзгермесе процесс өздігінен кері бағытта жүрмейді. Сондықтан пройестің жүру бағытын алдын ала болжап білудің техника жане ғылым салалары үшін маңызы өте зор. Процестің жүру бағыты жане оның өздігінен өтуі, не өтпеуі үлкен техникалық проблема. Әр түрлі жылу қозғалтқыштарына берілген жылу энергиясының қаншама белгілі пайдалы жұмысқа айналады, демек мұндай жұмыс машиналарының тиімділігі қандай деген сұраққа жауап беру өте қажетті нарсе. Осы айтылған проблемаларды зерттейтін термодинамиканың екінші заңы.

Термодинамиканың екінші заңына 1747ж М.В. Ломоносов мынадай анықтама берді: жылу өздігінен суық денеден ыстық денеге ауыспайды. Термодинамиканың екіші заңының әрі қарай дамуы Сади Карно, Клаузиус, Максвелл, Томсон, Больцман дейтін ғылымдардың есімдерімен тығыз байланысты.

Термодинамиканың  екінші заңының дамуы техникада  жылу қозғалтқыштарды зерттеумен байланысты. Француз инженері Николя Леонар Сади Карно ( 1796ж 1маусым - 1832ж 24 тамыз) (қосымша) өзінің “Оттың күші жіне осы күшті пайдаланатын машиналар туралы ойлар” дейтін еңбегінде мынадай үш нәрсені қарастырады:

а) жылудың жұмысқа айналуы;

б) жылудың жұмысқа максимал мөлшерде айналу жағдайлары;

в) жылу машинасының ПӘК мен жұмыскер дене арасындағы байланыс;

Карно еңбектерінің алғашқы мақсаты – бу машиналарының  пайдалы әсер козффициентін көбейту, демек қайтседе аз отыннан көп энергия алу жолдарын болды. Сади Карно мынадай ойша тәжірибе жүргізді. Мысалы. Екі машина берілді делік, олардың біреуі – идеал, екіншісі – реал машина. Бүл машиналар бірдей жағдайда жұмыс істесін, яғни олардың пайдаланатын жылу көздері (қыздырғыштары жане суытқыштары) бірдей дейік. Сонда қандай себептердің әсерінен идеал машинаның өндіретін жұмысы реал машинаға қарағанда көп болады? Осы сұраққа жауап іздеуде Сади Карно өте маңызды қорытындыларға келеді. Егер осы екі машинаны біріне-бірін тіркестіріп жұмыс істесек идеал машина реал машинаның кемшіліктерін толтыруға тиіс. Егер бірінші машинанын тиімділігі екінші  машинаға қарағанда екі есе артық болса, ол жарты энергиасын өзі өндіретін жұмысқа жұмсап, жартысын екінші машинаға беруі мүмкін. Олай болған жағдайда бұндай жүйе алғашында сырттан бір қозғау алғаннан кейін тоқтамай жұмыс істеуі керек, демек бұл мәңгі қозғалтқышқа әкеледі.

Мәңгі қозғалтқышты жасау мүмкін болмайтындықтан мынадай қорытындыға келеміз: екі машинаның бір-бірінен артықшылығы жоқ, жылу көздері мен суытқыштары ортақ машиналардың тиімділіктері бірдей.

Жылу машинасының ПӘК шексіз арттыра беруге болмайды. Ол заң бойынша жылуды түгелімен жұмысқа айналдыру мүмкін емес, жылудың бір бөлігі міндетті түрде қоршаған ортаға таралып кетеді. Сол кездегі теплород теориясына сүйене отырып, Сади Карно маңызды екі қорытындыға келді. Бірінші қорытынды қазір Карно принципі деп аталады. Ол бойынша жылу өз еркімен тек жылы денеден суық денеге ауысады. Екінші қорытынды  идеал жылу машиналарының ПӘК-тек жылу көзі мен суытқыштың температураларының айырымына тәуелділігі туралы. Сол заманға сәйкес бұл даналық пікірлерді Сади Карно қайтыс болғаннан 15 жыл өткен соң Клаузиус математикалық түрде термодинамиканың екінші заңы ретінде жариялады. Денеден алынған жылудың ең үлкен мөлшерін жұмысқа айналдыратын дөңгелек процесті қарастырайық. Мұндай процесті жүзеге асыру үшін үш дене қажет:

1. жылу қоры одан жылу алынады;

2. тоңазытқыш, суық дене, оған жылу беріледі;

3. жұмыстық дене, оның көмегімен жылу беріліп және жұмыс істелінеді;

Қыздырғыш пен тоңазытқыштың жылу сыйымдылықтары соншалықты үлкен, олардың біреуінен алынған, екіншісі қабылдаған жылу температураларын өзгертпейді [1].

Әуелі тұйық  процесс, яғни цикл жөнінде айтып  кетейік. Тұйық процесс деп, жүйе бірсыпыра өзгерістерге ұшырағаннан кейін алғашқы күйіне қайтып келетін процесті айтамыз. Графикте мұндай цикл тұйық қисық сызықпен кескінделеді (1а-сурет).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сурет 1 – Карно (1,а) және суытқыш машинасының (1,б) цикл

Тұйық процесс  кезінде орындалатын жұмыс сан  жағынан қисықпен қоршалған ауданға тең болады. Осы циклдің (1→2) аралығында жұмыс оң және сан жағынан алғанда оның астыңғы элемент ауданына тең болады (сағат тілі бағытында орындалатын цикл қарастырылып отыр). 2→1 аралығында (бағытында) атқарылатын жұмыс теріс, ол да астындғы элемент ауданына тең. Демек, тұтас ішіндегі жұмыс сан жағынан қисықпен қоршалған ауданға тең болады да, тура бағыттағы циклде оң, ал оған кері бағытта теріс болады.

Цикл орындалғаннан  кейін жүйе алғашқы күйіне қайта  келеді. Сондықтан күйдің кез келген функциясының, атап айтқанда, ішкі энергияның мәндері циклдің басында және соңына бірдей болады.

Қандайда бір  двигатель болмасын әлденеше дүркін бір тұйық процесс жасайтын жүйеге жатады. Циклдің барысында жұмыстық зат әуелі көлемге дейін ұлғаятын болсын, V₂ көлемге дейін ұлғаятын болсын, ал содан кейін алғашқы V₁ көлеміне дейін қайта сығылатын болсын. Цикл ішінде жұмыс оң шама болуы үшін (А>0) қысым (сонымен қатар әрі температура) ұлғаю процесі кезінде сығылған кездегіден үлкен болуы тиіс. Ол үшін жұмыстық затқа ұлғаю кезінде жылу беру керек, ал сығылу кезінде одан жылу алу керек.

Термодинамиканың бірінші бастамасының теңдеуін циклдің екі бөлігіне де жазайық. Ұлғайған кезде ішкі энергия U₁ мәнінен U₂ мәніне дейін өзгереді де, сонымен бірге жүйе Q₁ жылуын алады және А₁ жұмыс атқарылады. Бірінші бастама бойынша:

 

Q₁=U₂–U₁+A₁                                                                                                 (1)

 

Сығылған кезде  жүйе А₂ жұмысын атқарады және Q₂ жылуын береді (яғни Q₂ жылуы системадан алынады), сонда:

 

Q₂=U₁-U₂+A₂                                                                                                  (2)

 

Келтірілген теңдеулерді  қоссақ, мынаны аламыз:

 

Q₁-Q₂=A₁+A₂                                                                                                                                                        (3)

 

А₁+А₂ қосындысын жүйенің цикл ішінде атқаратын толық жұмысы А екенін ескерсек, мынаны аламыз:

 

A = Q₁ – Q₂                                                                                                                 (4)

 

Сырттан алынған  жылудың есебінен периодты түрде  жұмыс істейтін двигатель – жылу машинасы деп аталады.

Термодинамиканың  бірінші бастамасы кейде былай тұжырымдалады: бірінші текті перпетуум мобиле (мәнгі двигатель), яғни периодты жұмыс істеп сырттан алынатын энергиядан гөрі көп мөлшерде жұмыс өндіретін двигатель жасау мүмкін емес.

1а-суреттегі циклді кері аударсақ, суытқыш машинасының циклі шығады (1б-сурет). Бұл процес бойынша ұлғаю процесі, сығу сатысына қарағанда төменгі қысымда және температурада жүргізіледі. Мұндай кері цикл барысында жасалатын жұмыс теріс болады А<0, яғни жұмысты қоршаған орта жасайды. Сонымен, мұндай машина цикл барысында температурасы Т₂ төмен денеден Q₂ жылу мөлшерін алады да, температурасы жоғарырақ денеге Q₁ жылу мөлшерін шығарып береді. Басқаша айтқанда, кері цикл жасайтын жылу машинасы жылу насосы тәрізді яғни ол суығырақ денеден температурасы жоғарырақ денеге жылу тасымалдайды. Біз табиғатта ыстығырақ денеден суығырақ денеге жылу берілуін жиі байқаймыз. Мұндай процестер өз еркімен жүреді де, ешқандай қосымша жұмысты қажет етпейді және қайталанбайды. Ал кері процесте жылу температурасы жоғарырақ денеге еріксіз, яғни сыртқы жұмыстың атқарылуы арқылы беріледі.