Фундаментальные исследования и научно-технический прогресс (на примере исследований Н.Л.С. Карно)

3. На третьей фазе теплоизоляция снимается, и газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.

4. Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией, и газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого тепло

изоляция удаляется и цикл повторяется вновь с первой фазы.

Двигатель Карно имеет много общего с реальными двигателями: он работает по замкнутому циклу (который называется, соответственно, циклом Карно); он получает энергию извне благодаря высокотемпературному процессу (например, при сжигании топлива); часть энергии рассеивается в окружающую среду. При этом производится определенная работа (в случае двигателя Карно - за счет поступательного движения поршня). КПД, или эффективность двигателя Карно определяется как отношение работы, которую он производит, к энергии (в форме тепла), отнятой у горячего резервуара. Нетрудно доказать, что эффективность (E) выражается формулой:

E = 1 - (Tc/Th),

где Тc и Тh - соответственно температура холодного и горячего резервуаров (в кельвинах). Очевидно, что эффективность двигателя Карно меньше 1 (или 100%).

Интересно заметить, что в своей работе Карно основывался на умозрительных (более того, неправильных) заключениях по аналогии. С. Карно воспользовался относящимися к анализу работы машин выводами своего отца Л. Карно, исследуя работу тепловых машин по аналогии с работой водяного двигателя. Л. Карно в сочинении "Опыт о машинах вообще" (1783 г) и в более поздней работе "Основные принципы равновесия и движения" (1803 г), введя понятие работы, исследовал вопрос о том, каково должно быть устройство машины, чтобы при передаче энергии ее частями потеря этой энергии была бы наименьшей. Он установил, что потеря энергии (мы употребляем современную терминологию) при работе машины происходит либо от трения, либо от удара. Для последнего случая Л. Карно доказал теорему о потере живой силы при неупругом ударе, известную в механике под названием теоремы Карно 5. Из этой теоремы следовало, что при конструировании машин нужно добиваться такого положения, чтобы передача движения от одной детали машины к другой происходила "плавно" при равенстве скоростей касаемых частей деталей, т.е. чтобы передача движений осуществлялась без скачка в скоростях.

В водяном двигателе вода, падая с более высокого уровня на более низкий, производит работу. В тепловых машинах, рассуждал Карно по аналогии, теплород "падает" от температуры нагревателя до температуры холодильника, также производя работу. Таким образом, Карно проводил аналогию между массой воды и количеством тепла, с одной стороны, и высотой падения воды и разностью температур - с другой. "Можно с достаточным основанием сравнить движущую силу тепла, - писал Карно, - с силой падающей воды . Движущая сила падающей воды зависит от высоты падения и количества воды, движущая сила тепла также зависит от количества употребленного теплорода и зависит от того, что можно назвать, и мы на самом деле и будем называть высотой его падения, т.е. разностью температур тел, между которыми происходит обмен теплорода". В обычной машине, чтобы получить от нее максимум полезной работы, нужно по возможности исключить трение. Аналогией этому условию в тепловой машине является, очевидно, условие, чтобы все процессы протекали обратимым путем. Рассматривая теперь любую другую тепловую машину с другим рабочим веществом, по также работающую по обратимому циклу, Карно мог легко доказать, что ее "движущая сила" должна быть равна "движущей силе" машины Карно, работающей при тех же температурах нагревателя и холодильника. Для этого ему нужно было соединить эти две обратимых машины и заставить одну работать в прямом направлении, а другую в обратном. В результате одного цикла мы получили бы, что рабочее вещество пришло в первоначальное состояние, теплород, взятый у нагревателя и переданный холодильнику, вернулся бы обратно к нагревателю. И если держаться мнения о невозможности вечного двигателя, то нужно принять, что никакой внешней работы не могло быть произведено, т.е. что "движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития', ее количество исключительно определяется температурами тел, между которыми в конечном счете производится перенос теплорода"

3. Практическая польза и применение его достижений в жизни человека

Великое прозрение Карно состоит в том, что он показал, что ни один тепловой двигатель, работающий при двух заданных температурах, не может быть эффективнее идеального двигателя Карно (это утверждение называют теоремой Карно). В противном случае мы столкнулись бы с нарушением второго начала термодинамики, поскольку такой двигатель отбирал бы тепло от менее нагретого резервуара и передавал бы его более нагретому. (На самом деле, второе начало термодинамики является следствием теоремы Карно) Таким образом, полученное Карно соотношение устанавливает предел эффективности реальных двигателей, работающих в реальном мире. К нему можно приблизиться, но достичь и, тем более превзойти его инженеры не смогут. Так что, чисто гипотетический двигатель Карно играет немаловажную роль в мире реальной, шумной и пахнущей разогретым машинным маслом техники, и это еще один пример прикладного значения чисто теоретических, на первый взгляд, изысканий.

Цикл Карно в паросиловой установке

Цикл Карно для насыщенного пара обладает наибольшим термическим кпд и большой результирующей работой (lцк), который равен:

.

Изобразим цикл Карно для насыщенного влажного пара в "p-v" "T-s" координатах:

где ab - адиабатное сжатие в компрессоре; bc -подвод теплоты q1 при Т1=const и р1=const; cd - адиабатное расширение пара на турбине; da -конденсация пара при Т2=const и р2=const (отвод теплота q2).

Недостатками цикла Карно для влажного пара являются следующие недостатки:

В т. d влажный пар имеет большое содержание воды, что приводит к износу лопаток турбины.

Конденсация пара осуществляется не полностью и в т. a влажный пар содержит большое количество сухого насыщенного пара, что требует больших затрат работы на его сжатие в компрессоре и сводит к нулю положительные стороны цикла Карно.

Поэтому практическое применение цикла Карно в паросиловых установках нецелесообразно так же, как и в энергодвигательных установках с идеальным газом, когда результирующая работа цикла весьма мала при приемлемых размерах цилиндров.

4. Значение фундаментальных исследований в жизни человека

Огромная значимость научно-технического прогресса (НТП) для экономического роста и для воспроизводства в целом делает вполне естественным глубокий интерес, проявляющийся ко всему, что способно и ускорить, и сделать более продуктивным научный поиск.

 Скачать реферат