Цель работы: исследование принципа работы простейшей тепловой машины в прямом и обращенном цикле.
Будем называть тепловой машиной устройство, способное переносить тепло от менее нагретого тела к более нагретому. В случае, если при этом процессе увеличивается температура теплоприемника за счет неограниченного запаса тепла в более холодном теле, цикл будем называть прямым, в случае уменьшения температуры более холодного тела за счет рассеяния тепла в более теплом теле, цикл будем называть обращенным.
В промышленных тепловых машинах не применяется газ в качестве рабочего тела вследствие крайне низкого КПД, но для ознакомления с принципом работы тепловой машины газ в качестве рабочего тела удобен из-за простоты описания происходящих процессов. Рассмотрим основные этапы работы тепловой машины в прямом цикле. Предполагается, что в системе имеется неограниченный источник тепла, т.е. такой источник, который сохраняет свою температуру независимо от процессов теплообмена с ним. В качестве такого источника реально используется окружающая среда (уличный воздух, вода в больших водоемах). В качестве приемника тепла может выступать, например, воздух внутри помещения. За счет тепла источника газ в начале цикла сжатия приобретает температуру источника. В процессе сжатия температура газа повышается, избыточное тепло передается приемнику тепла. При этом часть тепла неизбежно теряется на нагрев частей установки и, в конечном итоге, возврат назад к источнику тепла. Поскольку масса газа в объеме цилиндра много меньше суммарной массы циркулирующей воды в теплоприемнике и деталей установки, теплом, потраченным на нагрев газа можно пренебречь, тогда уравнение теплового баланса за цикл сжатия можно записать в следующем виде:
где DT - изменение температуры системы за один ход поршня;
CЖ - теплоемкость теплоприемника (воды);
СУСТ - теплоемкость цилиндра и поршня;
А - работа внешних сил по перемещению поршня.
Оценить работу A можно графически, построив график зависимости p = f (V) по результатам измерения параметров состояния газа в процессе сжатия.
Экспериментальная установка
 |
Схема установки изображена на рисунке ниже:
Назначение и характеристика основных элементов установки:
а) Термостатированный резервуар (1), с заключенным в нем цилиндром (2) с поршнем (3). Посредством штока (4) и реверсивного шагового привода (5) поршень может перемещаться в цилиндре. Управляется шаговый привод пультом (15), отображающим текущий объем под поршнем.
Параметры:
- объем под поршнем (геометрический): Vmin = 0,5 л, Vmax = 5 л;
- теплоемкость резервуара 
400 Дж/°С.
б) Термостаты. Термостатирование объема осуществляется прокачиваемой водой, температура которой поддерживается термостатами (10) и (11), настроенными на поддержание низкой и высокой температуры. Выбор термостата, вода из которого в данный момент подается в объем (1), осуществляется краном (12). Каждый термостат имеет собственный пульт управления: (10) и (11). Термостаты расположены ниже уровня цилиндра и при отключении циркуляционного насоса вода из рубашки цилиндра стекает в соответствующий термостат. Термостат может находится в трех состояниях:
1) "ВЫКЛ" - переключатели [нагрев] и [цирк.] в положении [выключено], если в этом состоянии термостат подключен к системе краном (12), то в него стекает вода из рубашки цилиндра;
2) "ВКЛ" - переключатели [нагрев] и [цирк. ] в положении [включено], при этом на выходе термостата температура равна заданной регулятором [Уст. Т] независимо от величины температуры на входе;
3) "ЦИРК." - переключатель [нагрев] в положении [выключено], переключатель [цирк.] в положении [включено], при этом температура на выходе термостата равна температуре на входе. Допускается любое состояние термостата при любом положении крана (12).
Параметры:
- диапазон задаваемых температур: tmin = 10 °C, tmax = 98 °C;
- объем циркулирующей воды: 1 л.
в) Система заполнения цилиндра. Для заполнения или вентиляции объема цилиндра служит кран (8) - соединяет внутренний объем цилиндра с атмосферой.
г) Контроль давления. Для контроля давления служит мановакуумметр (9). Прибор постоянно подключен к внутреннему объему цилиндра. Показания прибора - относительно атмосферного давления.
Параметры:
- шкала мановакуумметра: -0,1 ¸ 0 ¸ 1,2 МПа.
д) Измерение температуры внутри цилиндра осуществляется термопарой (6), индикация температуры - цифровой термометр (13). Для измерения температуры воды используется термопара (7), индикация температуры - цифровой термометр (14).
Параметры:
- шкала термометра: 0 ¸ 200 °С;
ЗАДАНИЕ
1. Запустите лабораторную работу. Отметьте в лабораторном журнале указанный преподавателем цикл тепловой машины и температуру источника (приемника) тепла.
2. При открытом кране 8 переведите поршень в верхнее положение, закройте кран 8.
3. Считаем левый термостат источником тепла (приемником). Установите на левом термостате заданную начальную температуру (можно оставить 20°С), переведите термостат в режим НАГРЕВ (режим НАГРЕВ на левом термостате будет включен постоянно).
4. Если исследуется прямой цикл тепловой машины, то подключите к цилиндру краном 12 правый термостат, переведите его в состояние ЦИРК. Запишите параметры состояния (p, V, T) газа при верхнем положении поршня. Опускайте поршень вниз, записывая значения параметров (p, V, T) через каждые 0,5 л, дожидаясь установления температуры в цилиндре. Далее, выключите режим ЦИРК правого термостата, дождитесь стекания воды из рубашки термостата. Подключите к цилиндру краном 12 левый термостат, переведите его в состояние ЦИРК. Поднимите поршень в крайнее верхнее положение, дождитесь установления температуру в цилиндре, выключите режим ЦИРК левого термостата, дождитесь стекания воды из рубашки термостата. На этом один цикл работы тепловой машины завершен.
5. Если исследуется обращенный цикл, то подключите к цилиндру краном 12 левый термостат, переведите его в состояние ЦИРК. Опустите поршень вниз до отметки 0,5 л. Дождитесь установления температуры. Выключите режим ЦИРК левого термостата, дождитесь стекания воды из рубашки термостата. Подключите краном 12 к цилиндру правый термостат, включите режим ЦИРК. Запишите параметры состояния (p, V, T) газа при нижнем положении поршня. Поднимайте поршень вверх, записывая значения параметров (p, V, T) через каждые 0,5 л, дожидаясь установления температуры в цилиндре. Далее, выключите режим ЦИРК правого термостата, дождитесь стекания воды из рубашки термостата. На этом один цикл работы тепловой машины завершен.
6. Используя данные о теплоемкости системы и результаты измерения температуры при рабочем движении поршня, оцените совершенную работу A. Постройте график рабочего процесса и по нему определите совершенную работу Ao. Сравните полученные результаты.
7. Повторите действия п.4 (или п.5) 10÷15 (n) раз. Оцените затраченную работу по общему изменению температуры и сравните ее значение с величиной n×Ao.
Объясните полученное расхождение.