Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

Субсовершенный двигатель

Подписаться Бесплатная новостная рассылка Подписчиков 6 RSS
←   Июль 2007   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://sotnikov.name
Открыта: 08-03-2007

Автор
Виктор Сотников

Статистика

6 подписчиков
0 за неделю
←   Все выпуски   →

Нет ничего практичнее хорошей теории.


СУБСОВЕРШЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ. № 3. Нет ничего практичнее хорошей теории

     В предыдущей рассылке я обещал назвать основную причину, вследствие которой существующие тепловые двигатели не способны работать приблизительно по Регенеративному (обобщенному) циклу Карно. Однако в связи с подготовкой вероятной публикации в техническом журнале я временно не могу раскрыть обещанную тему.
     Поэтому в данной рассылке поговорим о пользе теории, а именно о том, почему важно построить двигатели, работающие приблизительно по Регенеративному (обобщенному) циклу Карно.
     Цикл Карно – это объект теории. Основой цикла Карно являются изотермические процессы расширения и сжатия газа. В произвольном незамкнутом термодинамическом процессе количество теплоты, которой обмениваются газ и внешние тела, равно изменению внутренней энергии газа и количеству работы, которой обмениваются газ и внешние тела. Изменение внутренней энергии идеального газа происходит при изменении температуры , так как внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры. Поскольку в изотермическом процессе температура постоянная, внутренняя энергия идеального газа в этом процессе не изменяется. Поэтому в изотермическом процессе вся теплота, подведенная к газу, превращается в работу или наоборот вся работа, подведенная к газу, превращается в теплоту.
      Изотермический процесс расширения – единственный незамкнутый процесс, в котором подведенная к газу теплота полностью превращается в работу и эта работа отводится от газа. При этом давление газа уменьшается.
      Изотермический процесс сжатия – единственный незамкнутый процесс, в котором подведенная к газу работа полностью превращается в теплоту и эта теплота отводится от газа. При этом давление газа увеличивается.
      Здесь термины «расширение» и «сжатие» характеризуют изменение объема газа в направлении увеличения и уменьшения соответственно, а словосочетание «полностью превращается» отражает изменение формы существования энергии в ходе превращения, а не ее количества.
      В теории рассматривается бесконечное множество термодинамических процессов, в частности широко используемые в практике процессы при постоянном объеме, при постоянном давлении, адиабатические (теплоизолированные) процессы. Среди многообразия термодинамических процессов изотермические процессы уникальны именно в смысле полного взаимопревращения теплоты и работы. В любых иных процессах теплота расходуется не только на совершение работы, но и на изменение внутренней энергии газа, происходящее вследствие изменения температуры газа.
      Объединенные посредством симметричных противоположно направленных регенерационных процессов в замкнутый круговой процесс – Регенеративный (обобщенный) цикл Карно, уникальные изотермические процессы сжатия и расширения обусловливают наивысшую долю превращения теплоты в полезную работу в цикле для данного интервала температур. В этом цикле некоторое количество газа сначала изотермически сжимается за счет работы другой части газа, совершающего цикл, с одновременным отводом теплоты от газа в окружающую среду, затем подогревается в регенерационном процессе теплотой, переданной от другой части газа, охлаждаемого в противоположном регенерационном процессе, затем изотермически расширяется при подводе теплоты извне с совершением работы и с передачей ее части на изотермическое сжатие, потом охлаждается до исходного состояния путем передачи отведенной теплоты к другой части газа, подогреваемого в упомянутом ранее противоположном регенерационном процессе. Четыре незамкнутых процесса объединены последовательно так, что конец предыдущего процесса совпадает с началом последующего, и вместе образуют один замкнутый круговой процесс, то есть цикл. В этом теоретическом цикле температура газа изменяется исключительно вследствие регенерации теплоты (внутреннего теплообмена между разными частями газа); вся теплота извне подводится исключительно при наивысшей температуре цикла и полностью превращается в работу; вся теплота, отводимая в окружающую среду, отводится исключительно при наинизшей температуре цикла в количестве, равном работе, подведенной для изотермического сжатия газа. Таким образом, хотя вся подведенная извне теплота превращается в работу в незамкнутом изотермическом процессе, все же часть этой работы должна быть затрачена в двигателе на изотермическое сжатие газа и затем отведена в окружающую среду в форме теплоты. Работа цикла, равная разности количества подведенной и отведенной теплоты, является результатом преобразования энергии в тепловом двигателе, она представляет собой именно то, ради чего строят тепловые двигатели.
      Если теплота подводится к циклу в любом другом процессе, кроме изотермического, она не может быть полностью превращена в работу при расширении, так как часть теплоты расходуется на увеличение внутренней энергии газа (на повышение температуры газа). Поэтому для получения одного и того же количества внешней работы в неизотермическом цикле нужно подвести значительно большее количество теплоты, чем в изотермическом цикле. Если теплота отводится от цикла в любом другом процессе, кроме изотермического, то от цикла отводится не только теплота сжатия газа, но и часть внутренней энергии газа, подогретого ранее путем неизотермического подвода теплоты. Поэтому при получении одного и того же количества внешней работы в неизотермическом цикле количество отведенной теплоты намного больше, чем в изотермическом цикле. Представляет интерес теоретический результат, полученный при сравнении неизотермического цикла с изотермическим при одном и том же количестве внешней работы цикла: избыточное количество отведенной теплоты в точности равно избыточному количеству подведенной теплоты.

      Таким образом, в любых других циклах, кроме циклов семейства Регенеративного (обобщенного) цикла Карно, для получения заданного количества полезной работы нужно пропустить через двигатель и сбросить в окружающую среду значительно большее количество дополнительной теплоты, не превращаемой в неизотермическом цикле в полезную работу.

      К сожалению, построенные тепловые двигатели работали и работают именно по любым другим циклам, а не по изотермическим циклам семейства Регенеративного (обобщенного) цикла Карно. Это значит, что сегодня примерно 800000000 двигателей автомобилей, плюс огромное количество судовых, авиационных, энергетических и индустриальных тепловых двигателей сжигают значительно больше топлива и сбрасывают в окружающую среду значительно больше вредных продуктов сгорания и теплоты, чем это минимально необходимо в соответствии с объективными законами природы для получения той же полезной работы. Излишняя теплота и излишнее количество парниковых газов, сбрасываемые эксплуатируемыми тепловыми двигателями в биосферу в период начавшегося глобального потепления климата в огромных количествах, являются следствиями отказа практического двигателестроения от стремления к использованию давно известных совершенных теоретических циклов. Последнее обстоятельство не может не вызывать тревогу, так как сегодня имеется уже достаточно много доказательств апокалипсического характера этих следствий.
      До сих пор Регенеративный (обобщенный) цикл Карно представлял собой чисто теоретический объект. Но это именно тот случай, в котором говорят, что нет ничего более практичного, чем хорошая теория. Сади Карно, Бенуа Клапейрон, Роберт Майер, Герман Гельмгольц, Вильям Томсон, Рудольф Клаузиус, Иван Вышнеградский и другие выдающиеся ученые создали совершенную теорию – термодинамику, в которой цикл Карно является основополагающим элементом. Однако трудности практического осуществления изотермических процессов, узко понимаемая практичность как стремление получения сиюминутной выгоды в ущерб не всегда осознанным, но объективно существующим крайне важным для сохранения жизни на Земле явлениям экологического равновесия, не дали возможности воспользоваться плодами этой теории в полной мере.
      Субсовершенный двигатель, который еще только предстоит построить, будет работать с максимальным приближением к Регенеративному (обобщенному) циклу Карно. Поэтому в самом широком толковании построить субсовершенный двигатель – это значит применить в 21 веке неутилитарную теорию теплового двигателя, в основном созданную еще в 19 веке, но отошедшую на второй план в суете будней. В практически используемой теории теплового двигателя такие утилитарные свойства двигателя как надежность, прочность, долговечность, малое занимаемое место, дешевизна установки двигателя являются основными, первичными. Ради них принесены в жертву экономичность и экологичность теплового двигателя. Так уж сложилось исторически. Правда, это жертвоприношение просто не видят, продолжая активно усовершенствовать двигатели с явно неэффективными термодинамическими циклами.
      В какой-то степени сегодняшняя ситуация в развитии тепловых двигателей аналогична бывшей в прошлом ситуации в развитии вычислительных машин. Можно было бесконечно совершенствовать механические вычислительные машины, но на этом пути никогда не был бы достигнут даже современный уровень компьютерных технологий, реализующих совсем другие процессы на иной элементной базе.
      В неутилитарной теории теплового двигателя, то есть в классических термодинамических основах теплового двигателя, надежность, прочность, долговечность, малое занимаемое место, дешевизна установки двигателя уступают первенство описанию совершенного способа максимального превращения теплоты в полезную работу, представленного в форме совокупности идеальных термодинамических процессов под именем Регенеративный (обобщенный) цикл Карно.
      Корабль практики двигателестроения должен, наконец, изменить курс и устремиться к этому яркому зовущему маяку.


© Виктор Сотников 2007
В избранное