Основные части теплового двигателя: Назовите основные части теплового двигателя

Содержание

Принцип действия теплового двигателя — termodinamikaVM.ru

Тепловой двигатель – устройство преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. Основные части теплового двигателя: нагреватель, рабочее тело и холодильник. Чтобы получить полезную работу, необходимо сделать работу сжатия газа меньше работы расширения. Для этого нужно, чтобы каждому объёму при сжатии соответствовало меньшее давление, чем при расширении. Поэтому газ перед сжатием должен быть охлажден.
Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.
Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T1. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру T1 температурой нагревателя.’

Рассмотрим это на примере идеальной тепловой машины.

Любая тепловая машина состоит из трех частей: теплоотдатчика, рабочего тела и теплоприемника. Теплоотдатчик имеет температуру Т1 и отдает некоторое количество теплоты Q1 рабочему телу. Рабочее тело (газ, пар, нагретая жидкость) совершает работу. Причем, не вся теплота Q1 превращается в работу, а только некоторая ее часть

А = Q1 – Q2 (4.8)

Другая часть теплоты Q2 передается телу с более низкой температурой (Т2) – теплоприемнику. Таким образом, сущность работы тепловой машины заключается не только в получении теплоты Q1 от теплоотдатчика и совершении работы А, но и передаче некоторого количества теплоты Q2теплоприемнику, температура которого ниже чем температура теплоотдатчика (Т1 > Т2). Вечный двигатель второго рода состоит из первых двух частей, то есть, теплота Q1 полностью переходит в работу А, а это невозможно. Там, где нет перепада температур (Т1 = Т2), невозможно превратить теплоту в работу.

Чтобы получить математическое выражение второго начала термодинамики, рассматривают действие идеальной тепловой машины. Идеальной называют машину, которая работает без трения и потерь тепла. В ней рабочим телом является идеальный газ. Работа машины основана на принципе обратимого термодинамического цикла, называемого циклом Карно.

Цикл Карно состоит из четырех последовательно совершаемых процессов: изотермического расширения, адиабатического расширения, изотермического сжатия, адиабатического сжатия газа. Все процессы проводят обратимо, в результате чего газ возвращается в исходное положение.

В результате математических преобразований получают

(Q1 – Q2)/Q1 = (Т1 – Т2)/Т1 (4.9)

или h = А/Q1; h = (Т1 – Т2)/Т1 (4.10)

где h – коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины.

Роторно-поршневого двигателя.

Установленный на валу ротор жестко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестерней. Ротор с зубчатым колесом как бы обкатывается вокруг шестерни. Его грани при этом скользят по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре.

Такая конструкция позволяет осуществить 4-тактный цикл без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами.

Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Практическое применение получили двигатели с трёхгранными роторами, с отношением радиусов шестерни и зубчатого колеса: r: R = 2: 3, которые устанавливают на автомобилях, лодках и т.п. Масса и габариты двигателя Ванкеля в 2-3 раза меньше соответствующих им по мощности двигателей внутреннего сгорания обычной схемы.

Дизельного двигателя.

Воздух сначала поступает в цилиндр, сжимается и нагревается до высокой температуры. В раскаленный воздух с помощью форсунки впрыскивается самовоспламеняющееся и быстро сгорающее топливо, за счет чего мотор и начинает работать. Для таких двигателей необходимо специальное дизельное топливо. Из уроков физики все мы знаем, что тепловая энергия может преобразовываться в механическую. Именно это и происходит, когда в цилиндре двигателя сгорает топливо. Тепло, превращаясь в механическую работу, начинает двигать поршень, который в цилиндре двигается возвратно-поступательно. Коленчатый вал, связанный с поршнем при помощи шатуна, вращается.

Во время работы, поршень то приближается, то удаляется от коленчатого вала. Когда эти две детали сближаются, то в цилиндр поступает горючая смесь. При движении цилиндра в обратную сторону, в нем увеличивается давление. Сжатая горючая смесь в этот момент готова к сгоранию, едва стоит вспыхнуть искре, как смесь легко воспламеняется и выделяет газы, которые нужны для того, чтобы привести мотор в движение. Цилиндр соединен с трубопроводом, через который из двигателя выбрасываются отработанные газы.

Одно движение поршня к коленчатому валу или обратно называется ходом. Если за четыре хода поршня вал сделает два оборота вокруг своей оси, значит, закончился так называемый рабочий цикл. Двигатель, рабочий цикл которого совершается за два оборота коленчатого вала, называется четырехкратным. Существуют также и двукратные двигатели. Рабочий цикл у них совершается за два хода поршня и за один оборот коленчатого вала. В автомобильных моторах такие двигатели практически не применяются, зато их широко используют для мотоциклов.

Чем сильнее будет давление на поршень при сгорании горючей смеси, тем больше мощность двигателя. Поэтому выгодно увеличивать степень сжатия в двигателе. В этом случае из той же порции топлива получается больше полезной работы. Многие автолюбители пытаются самостоятельно отрегулировать двигатель так, чтобы расходовать меньше топлива, но при этом не терять мощности. Но увлекаться этим не следует, поскольку при сильном увеличении степени сжатия горючая смесь сгорает слишком быстро (этот процесс называется детонация), что вызывает неустойчивую работу двигателя. При этом в работающем двигателе слышен стук, мощность значительно снижается, а из глушителя идет черный дым.

Основные части теплового двигателя

В современной технике механическую энергию получают главным образом за счет внутренней энергии топлива. Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии в механическую, называют тепловыми двигателями.

Для совершения работы за счет сжигания топлива в устройстве, называемом нагревателем, можно воспользоваться цилиндром, в котором нагревается и расширяется газ и перемещает поршень. <Приложение 3> Газ, расширение которого вызывает перемещение поршня, называют рабочим телом. Расширяется же газ потому, что его давление выше внешнего давления. Но при расширении газа его давление падает, и рано или поздно оно станет равным внешнему давлению. Тогда расширение газа закончится, и он перестанет совершать работу.

Как же следует поступить, чтобы работа теплового двигателя не прекращалась? Для того чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо, чтобы поршень после расширения газа возвращался каждый раз в исходное положение, сжимая газ до первоначального состояния. Сжатие же газа может происходить только под действием внешней силы, которая при этом совершает работу (сила давления газа в этом случае совершает отрицательную работу). После этого вновь могут происходить процессы расширения и сжатия газа. Значит, работа теплового двигателя должна состоять из периодически повторяющихся процессов (циклов) расширения и сжатия.

Рисунок 1

На Рисунке 1 изображены графически процессы расширения газа (линия АВ) и сжатия до первоначального объема (линия CD). Работа газа в процессе расширения положительна (AF > 0) и численно равна площади фигуры ABEF. Работа газа при сжатии отрицательна (так как AF < 0) и численно равна площади фигуры CDEF. Полезная работа за этот цикл численно равна разности площадей под кривыми АВ и CD (закрашена на рисунке).

Наличие нагревателя, рабочего тела и холодильника принципиально необходимое условие для непрерывной циклической работы любого теплового двигателя.

Коэффициент полезного действия тепловой машины

Рабочее тело, получая некоторое количество теплоты Q1от нагревателя, часть этого количества теплоты, по модулю равную |Q2|,отдает холодильнику. Поэтому совершаемая работа не может быть больше A = Q1 — |Q2|. Отношение этой работы к количеству теплоты, полученному расширяющимся газом от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия тепловой машины:

Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по замкнутому циклу, всегда меньше единицы. Задача теплоэнергетики состоит в том, чтобы сделать КПД как можно более высоким, т. е. использовать для получения работы как можно большую часть теплоты, полученной от нагревателя. Как этого можно достигнуть?

Впервые наиболее совершенный циклический процесс, состоящий из изотерм и адиабат, был предложен французским физиком и инженером С. Карно в 1824 г.

Цикл Карно.

Допустим, что газ находится в цилиндре, стенки и поршень которого сделаны из теплоизоляционного материала, а дно — из материала с высокой теплопроводностью. Объем, занимаемый газом, равен V1.

Рисунок 2

Приведем цилиндр в контакт с нагревателем (Рисунок 2) и предоставим газу возможность изотермически расширяться и совершать работу. Газ получает при этом от нагревателя некоторое количество теплоты Q1. Этот процесс графически изображается изотермой (кривая АВ).

Рисунок 3

Когда объем газа становится равным некоторому значению V1’< V2, дно цилиндра изолируют от нагревателя, после этого газ расширяется адиабатно до объема V2, соответствующего максимально возможному ходу поршня в цилиндре (адиабата ВС). При этом газ охлаждается до температуры T2 < T1.

Теперь охлажденный газ можно изотермически сжимать при температуре Т2. Для этого его нужно привести в контакт с телом, имеющим ту же температуру Т2, т. е. с холодильником, и сжать газ внешней силой. Однако в этом процессе газ не вернется в первоначальное состояние — температура его будет все время ниже чем Т1.

Поэтому изотермическое сжатие доводят до некоторого промежуточного объема V2’>V1 (изотерма CD). При этом газ отдает холодильнику некоторое количество теплоты Q2, равное совершаемой над ним работе сжатия. После этого газ сжимается адиабатно до объема V1, при этом его температура повышается до Т1 (адиабата DA). Теперь газ вернулся в первоначальное состояние, при котором объем его равен V1, температура — T1, давление — p1,и цикл можно повторить вновь.

Итак, на участке ABC газ совершает работу (А > 0), а на участке CDA работа совершается над газом (А < 0). На участках ВС и AD работа совершается только за счет изменения внутренней энергии газа. Поскольку изменение внутренней энергии UBC = –UDA, то и работы при адиабатных процессах равны: АВС = –АDA. Следовательно, полная работа, совершаемая за цикл, определяется разностью работ, совершаемых при изотермических процессах (участки АВ и CD). Численно эта работа равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла ABCD.

В полезную работу фактически преобразуется только часть количества теплоты QT, полученной от нагревателя, равная QT1– |QT2|. Итак, в цикле Карно полезная работа A = QT1 – |QT2|.

Максимальный коэффициент полезного действия идеального цикла, как показал С. Карно, может быть выражен через температуру нагревателя (Т1) и холодильника (Т2):

В реальных двигателях не удается осуществить цикл, состоящий из идеальных изотермических и адиабатных процессов. Поэтому КПД цикла, осуществляемого в реальных двигателях, всегда меньше, чем КПД цикла Карно (при одних и тех же температурах нагревателей и холодильников):

Из формулы видно, что КПД двигателей тем больше, чем выше температура нагревателя и чем ниже температура холодильника.

основные части и принципы действия тепловых машин; коэффициент полезного действия тепловой машины и пути его повышения; проблемы энергетики и охрана окружающей среды. Принцип действия тепловых машин

Создание и развитие термодинамики было вызвано, прежде всего, необходимостью описания работы и расчёта параметров

тепловых машин . Тепловые машины, или тепловые двигатели, предназначены для получения технической (полезной) работы за счёт тепла, выделяемого вследствие химических реакций (сгорание топлива), ядерных реакций или по другим причинам, например нагрева солнечной энергией.

Из рассмотрения основных принципов работы тепловых машин вне зависимости от их конструктивного исполнения следует, что непрерывное превращение тепловой энергии в механическую работу совершается в них при помощи вспомогательного тела , получившего название в термодинамике рабочего тела . Как было отмечено ранее, наиболее подходящими в качестве рабочих тел по своим физическим свойствам является газы и пары жидкостей, так как они характеризуются наибольшей способностью к изменению своих объёмов при изменении Р и Т .

Кроме того, работа этих машин возможна только при соблюдении двух непременных условий.

Первое условие состоит в том, что любая тепловая машина должна работать циклично , то есть рабочее тело, совершая за определённый промежуток времени ряд процессов расширения и сжатия, должно возвращаться в исходное состояние. Этот цикл должен повторяться в течение всего периода работы машины, причём в зависимости от конструктивного исполнения тепловой машины отдельные части цикла могут осуществляться в разных её составных частях. При отсутствии цикла, например при любом процессе только расширения газа в рабочей камере (цилиндр двигателя внутреннего сгорания, каналы рабочих лопаток паровых и газовых турбин) тепловой машины, соответственно наступит момент, когда Р и Т рабочего тела станут равными с Р и Т окружающей среды, и на этом получение работы прекратится. В этом случае можно получить лишь ограниченное количество работы. Для повторного получения работы необходимо либо в процессе сжатия возвратить рабочее тело в первоначальное состояние, либо каким-то образом удалить из рабочей камеры отработанное рабочее тело и заполнить эту камеру новой порцией этого тела. С точки зрения термодинамического анализа работы тепловой машины вовсе не обязательно иметь дело с новыми порциями рабочего тела, так как для процесса преобразования тепловой энергии в механическую работу безразлично, остаётся ли в рабочей камера прежнее рабочее тело или вводится новое. Поэтому можно исходить из того, что в цилиндре тепловой машины находится одно и то же количество рабочего тела, которое, циклично проходя через ряд изменений своего состояния из начального в конечное и обратно, преобразует тепловую энергию в механическую работу.

Рис.6.6.1. Цикл тепловой машины

Рассмотрим круговой цикл тепловой машины, изображённый на рисунке. В процессе расширения рабочего тела по линии 1-3-2 к нему от источника тепловой энергии с температурой Т 1 , то есть от горячего источника тепла

, подводится тепло в количестве q 1 . В результате имеет место дополнительное увеличение объёма рабочего тела. Таким образом, расширение рабочего тела осуществляется как за счёт снижения давления в рабочей камере, так и за счёт повышения его температуры. Однако для получения механической работы процесс расширения нагретого рабочего тела в рабочей камере должен осуществляться под определённым противодавлением со стороны подвижных поверхностей рабочей камеры. При этом получается положительная удельная механическая работа l 1 , а именно работа расширения рабочего тела, эквивалентна площади S 1-3-2-6-5-1 . При достижении точки 2 рабочее тело должно быть возвращено в первоначальное состояние, то есть в точку 1. Для этого нужно сжать рабочее тело.

Для того чтобы тепловая машина непрерывно производила механическую энергию, работа расширения рабочего тела должна быть больше работы его сжатия. Поэтому кривая сжатия

2-4-1 должна лежать ниже кривой расширения. Если процесс сжатия пойдёт по линии 2-3-1 , то никакой технической, то есть полезной, работы получено не будет, так как в этом случае будет l 1 = l 2 , где l 2 – отрицательная удельная работа сжатия рабочего тела. Поэтому для получения полезной работы необходимо в процессе расширения понизить давление рабочего тела за счёт отвода от него части тепла q 2 к источнику тепла с более низкой температурой Т 2 , то есть к холодному источнику тепла . Соответственно, l 2 эквивалентна площади S 2-4-1-5-6-2 . В результате каждый килограмм рабочего тела совершает за цикл полезную работу l ц , которая эквивалентна площади S 1-3-2-4-1 , ограниченной контуром цикла. Таким образом, для непрерывной работы тепловой машины необходим циклический процесс, в котором к рабочему телу от горячего источника подводится тепло
q 1
и отводится от него к холодному источнику тепло q 2 . Наличие, по меньшей мере, двух источников тепла с разными температурами — горячего и холодного – является вторым необходимым условием работы тепловых машин .

Чрезвычайно важно подчеркнуть, что всё тепло q 1 , полученное рабочим телом от горячего источника, не может быть превращено в работу. Часть q 1 , то есть q 2 , обязательно должна быть отдана другому телу (телам) с более низкой температурой. В качестве такого тела может выступать атмосферный воздух, большой объём воды и тому подобное. Многочисленные попытки создать тепловую машину, в которой всё тепло q 1 превращалось бы в работу, то есть имело бы место равенство q 2 = 0, неизбежно оканчивались провалом. Такая машина, которая могла бы превращать всё подводимое к ней тепло в работу, получила название вечного двигателя второго рода , или перпетуум мобиле (perpetuum mobile ) второго рода . Весь накопленный наукой опытный материал говорит о том, что такой двигатель невозможен.

Ещё раз отметим, что наличие холодного источника тепла и передача ему части полученного от горячего источника тепла является обязательным, так как иначе работа тепловой машины невозможна. Действительно, для получения непрерывной механической работы необходимо наличие потока энергии, в данном случае потока тепла. Если же холодный источник будет отсутствовать, то рабочее тело неизбежно придёт в тепловое равновесие с горячим источником и поток тепла прекратится.

1-3-2 и 2-4-1 соответственно будет иметь вид:

q 1 = + Du + l 1 ;

Величины q 2 иl 2 необходимо брать по модулю, что позволит избежать путаницы со знаками у q 2 , так как уходящее из системы тепло имеет знак минус. Внутренняя энергия рабочего тела за цикл не должна изменяться, и поэтому перед Du в уравнениях проставлены прямо противоположные алгебраические знаки. Сложив эти уравнения, получим:

q 1 — |q 2 | = q ц = l 1 — ½l 2 ½ = l ц, (6.6.1)

где q ц — часть тепла горячего источника, превращаемая в цикле в работу; l ц – работа цикла 1-3-2-4-1 .

Так как в рассматриваемом случае l 1 > l 2 , то работа цикла положительна. Она, как показывает (6.6.1), равна разности подведённого и отведённого в цикле тепла.

Эффективность преобразования q 1 в l ц оценивается термическим (термодинамическим, тепловым) КПД цикла тепловой машины:

. (6.6.2)

Таким образом, термический КПД цикла тепловой машины есть отношение полученной в цикле полезной работы l ц ко всему введённому в рабочее тело теплу q 1 .

Цикл, состоящий из обратимых процессов, называется идеальным. При этом рабочее тело в таком цикле не должно подвергаться химическим изменениям. Если хотя бы один из процессов, входящих в состав цикла, будет необратимым, то цикл будет уже не идеальным. Для выполнения идеального цикла в тепловой машине (двигателе) должны полностью отсутствовать тепловые и механические потери. Такая машина получила название идеальной тепловой машины (идеального теплового двигателя).

Так как ½q 2 ½> 0, то h Т 1,0, то есть КПД тепловой машины, даже идеальной, всегда будет меньше 1,0. Результаты исследований идеальных циклов могут быть перенесены на действительные, то есть необратимые, процессы реальных тепловых машин путём введения опытных поправочных коэффициентов.

Соотношение (6.6.2) является математическим выражением принципа эквивалентности тепловой и механической энергии. Если исключить из схемы тепловой машины холодный источник, то формально принцип эквивалентности не будет нарушен. Однако, как уже отмечалось выше, такая машина работать не будет.

Циклы, в результате которых получается положительная работа, то есть когда l 1 > l 2 , называются прямыми циклами , или циклами теплового двигателя . По этим циклам работают двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, газовые и паровые турбины и так далее.

Если цикл, изображённый на рис.6.6.1, представить протекающим в обратном направлении, то есть по замкнутой кривой 1-4-2-3-1 (см. рис. 6.6.2), то для его осуществления необходимо уже затратить работу l ц , которая будет уже отрицательной и эквивалентной площади S 1-4-2-3-1 . Охлаждаемым телом в такой машине является холодный источник тепла, а нагреваемым — окружающая среда, то есть горячий источник тепла. Такие циклы называются циклами холодильной машины, или холодильными (обратными) циклами.

Чтобы поддержать низкую температуру охлаждаемого тела, нужно непрерывно отводить от него тепло q 2 , которое поступает в рабочее тело от холодного источника. Этот отвод в холодильном цикле осуществляется в процессе 1-4-2 расширения рабочего тела, которое это тепло воспринимает и совершает при этом положительную работу l 2 , эквивалентную площади
S 1-4-2-6-5-1 . Возврат рабочего тела в исходное состояние происходит в процессе сжатия по кривой 2-3-1 , расположенной над кривой процесса расширения, то есть в процессе, происходящем при более высоких температурных условиях. Это даёт возможность передавать отводимое от рабочего тела тепло q 1 горячему источнику тепла, в качестве которого обычно выступает окружающая среда. На сжатие затрачивается отрицательная работа l 1 определяемая на графике площадью S 2-3-1-5-6-2 .

Рис. 6.6.2. Цикл холодильной машины

Уравнение 1-го закона термодинамики для процессов 1-4-2 и 2-3-1 с учётом алгебраических знаков перед составляющими соответственно имеют вид:

q 2 = +Du + l 2 ; -½q 1 ½= — Du — ½l 1 ½ .

Сложение по частям обоих уравнений даёт:

q 2 — ½q 1 ½= — (½l 1 ½ — l 2) = -½l ц ½ (6.6.3)

½q 1 ½= q 2 +½l ц.½ (6.6.4)

Это выражение показывает, что тепло q 1 , передаваемое горячему источнику тепла, складывается из тепла q 2 , поступившего в рабочее тело из холодного источника тепла, и работы цикла l ц . Так как ½l 1 ½ > l 2 , то l ц ОС и создаётся в нужном месте температура ниже температуры самой ОС . По холодильному (обратному циклу) работают холодильные машины, тепловые насосы и так далее.

Эффективность работы холодильной машины оценивается так называемым холодильным коэффициентом e , определяемым отношением отнятой от холодного источника ограниченной ёмкости полезного тепла q 2 к затраченной работе l ц :

. (6.6.5)

Холодильный коэффициент характеризует эффективность передачи тепла от холодного источника тепла к горячему источнику тепла. Он будет тем больше, чем большее количество тепла q 2 будет взято от холодного источника тепла и передано горячему источнику тепла и чем меньше будет на это затрачено работы l ц . В отличие от термического (термодинамического,теплового) КПДh Т холодильный коэффициент 𝜺 может быть больше, меньше и равным единице.

В холодильной машине q 1 выбрасывается в окружающую среду, являющуюся источником неограниченной ёмкости . Поэтому холодильная машина может быть использована не только для охлаждения различных тел, но и для отопления помещения. Действительно, даже обычный бытовой холодильник, охлаждая помещённые в нём продукты, одновременно нагревает воздух в комнате. Принцип динамического отопления был предложен У. Томсоном и положен в основу действия современных тепловых насосов . Тепловыми насосами являются машины, основным продуктом производства которых является тепло q 1 , передаваемое в источник ограниченной ёмкости . Их эффективность оценивается отопительным коэффициентом , представляющим собой отношение переданного потребителю тепла q 1 к l ц:

В этом случае тепло q 2 отбирается от источника неограниченной ёмкости (атмосферный воздух, большие объёмы воды, породный массив).

Преимущество теплового насоса по сравнению с электрическим нагревателем заключается в том, что на нагрев помещений используется не только преобразованная в тепло электрическая энергия, но и тепло, отобранное от окружающей среды. Поэтому эффективность тепловых насосов может быть гораздо выше эффективности электрических нагревателей.

Комбинация из цикла двигателя и циклов теплового насоса или холодильной установки представляет собой цикл теплового трансформатора , который позволяет перекачивать тепло от источника с одной Т к источнику с другой Т в ходе совмещённого цикла. Назначение теплового трансформатора – изменение потенциала тепла. Если трансформатор предназначен для получения тепла с более низкой Т , чем исходная Т горячего источника, то такой трансформатор называется понижающим . Если в трансформаторе получено тепло при Т более высокой, чем исходное тепло, то такой трансформатор называется повышающим .

Таким образом, работа любой тепловой или холодильной машины возможна только при наличии двух источников тепла: горячего и холодного.

На производстве привело к появлению тепловых машин.

Устройство тепловых машин

Тепловая машина (тепловой двигатель) — устройство для преобразования внутренней энергии в механическую.

Любая тепловая машина имеет нагреватель, рабочее тело (газ или пар), которое в результате нагрева выполняет работу (приводит во вращение вал турбины, двигает поршень и так далее) и холодильник. На рисунке ниже изображена схема теплового двигателя.

Основы действия тепловых двигателей

Каждая тепловая машина функционирует благодаря двигателю. Для выполнения работы ему нужно, чтобы по ту и другую сторону поршня двигателя или лопастей турбины была разность давлений. Достигается эта разность во всех тепловых двигателях так: температура рабочего тела повышается на сотни или тысячи градусов в сравнении с температурой окружающей среды. В и в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) происходит повышение температуры за счет того, что топливо сгорает внутри самого двигателя. Холодильником может выступать атмосфера или специального назначения устройства для конденсации и охлаждения отработанного пара.

Цикл Карно

Цикл (круговой процесс) — совокупность изменений состояния газа, в результате которых он возвращается в исходное состояние (может выполнять работу). В 1824 году французский физик Сади Карно показал, что выгодным является цикл тепловой машины (цикл Карно), который состоит из двух процессов — изотермического и адиабатного. На рисунке ниже изображен график цикла Карно: 1-2 и 3-4 — изотермы, 2-3 и 4-1 — адиабаты.

В соответствии с законом сохранения энергии работа тепловых машин, которую выполняет двигатель, равна:

А = Q 1 — Q 2 ,

где Q 1 — количество теплоты, которое получено от нагревателя, а Q 2 — количество теплоты, которое предано холодильнику.
КПД тепловой машины называется отношение работы А, которую выполняет двигатель, к количеству теплоты, которое получено от нагревателя:

η = А/Q =(Q 1 — Q 2)/Q 1 = 1 — Q 2 /Q 1 .

В работе «Мысли о движущей силе огня и о машинах, которые способны развивать эту силу» (1824) Карно описал тепловую машину под названием «идеальная тепловая машина с идеальным газом, который представляет собой рабочее тело». Благодаря законам термодинамики можно вычислить КПД (максимально возможный) теплового двигателя с нагревателем, который имеет температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 . Тепловая машина Карно имеет КПД:

η max = (T 1 — T 2)/T 1 = 1 — T 2 /T 1.

Сади Карно доказал, что какая угодно тепловая машина реальная, которая работает с нагревателем с температурой Т 1 и холодильником с температурой Т 2 не способна иметь КПД, который бы превышал КПД тепловой машины (идеальной).

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Четырехтактный ДВС состоит из одного или нескольких цилиндров, поршня, кривошипно-шатунного механизма, впускного и выпускного клапанов, свечи.


Рабочий цикл состоит из четырех тактов:

1) засасывания — горючая смесь попадает через клапан в цилиндр;
2) сжатия — оба клапана закрыты;
3) рабочий ход — взрывное сгорание горючей смеси;
4) выхлоп — выпуск отработанных газов в атмосферу.

Паровая турбина

В паровой турбине преобразование энергии происходит за счет разницы давлений водяного пара на входе и выходе.
Мощности современных паровых турбин достигают 1300 МВт.

Некоторые технические параметры паровой турбины мощностью 1200 МВт

  • Давление пара (свежего) — 23,5 МПа.
  • Температура пара — 540 °С.
  • Расход пара турбиной — 3600 т/ч.
  • Частота вращения ротора — 3000 об/мин.
  • Давление пара в конденсаторе — 3,6 кПа.
  • Длина турбины — 47,9 м.
  • Масса турбины — 1900 т.

Тепловая машина состоит из воздушного компрессора, камеры сгорания и Принцип работы: воздух адиабатно засасывается в компрессор, поэтому его температура повышается до 200 °С и более. Далее попадает в камеру сгорания, куда одновременно под большим давлением поступает жидкое топливо — керосин, фотоген, мазут. При сгорании топлива воздух нагревается до температуры 1500-2000 °С, расширяется, и скорость его движения растет. Воздух движется с большой скоростью, и продукты сгорания направляются в турбину. После перехода от ступени к ступени продукты сгорания отдают лопастям турбины свою кинетическую энергию. Часть энергии, полученной турбиной, идет на вращение компрессора; оставшаяся часть расходуется на вращение ротора электрогенератора, винта самолета или морского судна, колес автомобиля.

Газовую турбину можно использовать, кроме вращения колес автомобиля и или теплохода, в качестве реактивного двигателя. Воздух и продукты сгорания с большой скоростью выбрасываются из газовой турбины, поэтому реактивная тяга, которая возникает при этом процессе, может использоваться для хода воздушных (самолет) и водных (теплоход) судов, железнодорожного транспорта. Например, турбовинтовые двигатели имеют самолеты Ан-24, Ан-124 («Руслан»), Ан-225 («Мечта»). Так, «Мечта» при скорости полета 700-850 км/ч способна перевозить 250 тонн груза на расстояние почти 15 000 км. Это крупнейший транспортный самолет в мире.

Экологические проблемы тепловых машин

Большое влияние на климат имеет состояние атмосферы, в частности наличие углекислого газа и водяного пара. Так, изменение содержания углекислого газа приводит к усилению или ослаблению парникового эффекта, при котором углекислый газ частично поглощает тепло, которое Земля излучает в космос, задерживает его в атмосфере и повышает тем самым температуру поверхности и нижних слоев атмосферы. Явление парникового эффекта играет решающую роль в смягчении климата. При его отсутствии средняя температура планеты была бы не +15 °С, а ниже на 30-40 °С.

Сейчас в мире существует более 300 млн различного вида автомобилей, которые создают более половины всех загрязнений атмосферы.

За 1 год в атмосферу из тепловых электростанций в результате сжигания топлива выделяется 150 млн тонн оксидов серы, 50 млн тонн оксида азота, 50 млн тонн золы, 200 млн тонн оксида углерода, 3 млн тонн феона.

В состав атмосферы входит озон, который защищает все живое на земле от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей. В 1982 году Дж. Фарманом, английским исследователем, над Антарктидой была открыта озоновая дыра — временное снижение содержания озона в атмосфере. В момент максимального развития озоновой дыры 7 октября 1987 количество озона в ней уменьшилось в 2 раза. Озоновая дыра, вероятно, возникла в результате антропогенных факторов, в том числе использования в промышленности хлорсодержащих хладонов (фреонов), которые разрушают озоновый слой. Однако исследования 1990 гг. не подтвердили эту точку зрения. Скорее всего, появление озоновой дыры не связано с деятельностью человека и является естественным процессом. В 1992 году и над Арктикой была открыта озоновая дыра.

Если весь атмосферный озон собрать в слой у поверхности Земли и сгустить его к плотности воздуха при нормальном атмосферном давлении и температуре 0 °С, то толщина озонового щита будет всего лишь 2-3 мм! Вот и весь щит.

Немного из истории…

  • Июль 1769 года. В парижском парке Медоне военный инженер Н. Ж. Кюньйо на «огненной телеге», которая была оснащена двухцилиндровым паровым двигателем, проехал несколько десятков метров.
  • 1885 год. немецкий инженер, построил первый бензиновый четырехтактный трехколесный автомобиль Motorwagen мощностью 0,66 кВт, на который 29 января 1886 года получил патент. Скорость машины достигала 15-18 км/ч.
  • 1891 год. немецкий изобретатель, изготовил грузовую тележку с двигателем мощностью 2,9 кВт (4 лошадиные силы) от легкового автомобиля. автомобиля достигала 10 км/ч, грузоподъемность в различных моделях составляла от 2 до 5 тонн.
  • 1899 год. Бельгиец К. Женатци на своем автомобиле «Жаме Контант» («Всегда недовольная») впервые преодолел 100-километровый рубеж скорости.

Примеры решения задач

Задача 1. Температуру нагревателя идеальная тепловая машина имеет равную 2000 К, а температуру холодильника — 100 °С. Определить КПД.

Решение :
Формула, которая определяет КПД тепловой машины (максимальный):

ŋ = Т 1 -Т 2 /Т 1.
ŋ = (2000К — 373К) / 2000 К = 0,81.

Ответ: КПД двигателя — 81 %.

Задача 2. В тепловом двигателе при сгорании топлива было получено 200 кДж теплоты, а холодильнику передано 120 кДж теплоты. Каков КПД двигателя?

Решение:
Формула для определения КПД имеет такой вид:

ŋ = Q1 — Q2 / Q1.
ŋ = (2·10 5 Дж — 1,2·10 5 Дж) / 2·10 5 Дж = 0,4.

Ответ: КПД теплового двигателя — 40 %.

Задача 3. Каков КПД тепловой машины, если рабочее тело после получения от нагревателя количества теплоты 1,6 МДж выполнило работу 400 кДж? Какое количество теплоты было передано холодильнику?

Решение:
КПД можно определить по формуле

ŋ = 0,4·10 6 Дж / 1,6·10 6 Дж = 0,25.

Переданное холодильнику количество теплоты можно определить по формуле

Q 1 — А = Q 2.
Q 2 = 1,6·10 6 Дж — 0,4·10 6 Дж = 1,2·10 6 Дж.
Ответ: тепловая машина имеет КПД 25 %; переданное холодильнику количество теплоты — 1,2·10 6 Дж.

Тема: «Принцип действия тепловой машины. Тепловая машина с наибольшим коэффициентом полезного действия».

Форма: Комбинированный урок с использованием компьютерных технологий.

Цели:

  • Показать важность применения тепловой машины в жизни человека.
  • Изучить принцип работы реальных тепловых двигателей и идеального двигателя работающего по циклу Карно.
  • Рассмотреть возможные пути повышения КПД реального двигателя.
  • Развить у учащихся любознательность, интерес к техническому творчеству, уважение к научным достижениям ученых и инженеров.

План урока.

№ п/п

Вопросы

Время
(минут)

1 Показать необходимость применения тепловых машин в современных условиях.
2 Повторение понятия «тепловой машины». Виды тепловых машин: ДВС (карбюраторный, дизельный), паровая и газовая турбины, турбореактивный и ракетный двигатели.
3 Объяснение нового теоретического материала.
Схема и устройство тепловой машины, принцип работы, КПД.
Цикл Карно, идеальная тепловая машина, её КПД.
Сравнение КПД реальной и идеальной тепловой машины.
4 Решение задачи № 703 (Степанова), № 525 (Бендриков).
5
Работа с моделью тепловой машины.
6 Подведение итогов. Домашнее задание § 33, задачи № 700 и № 697 (Степанова)

Теоретический материал

С давних времён человек хотел освободиться от физических усилий или облегчить их при перемещении чего-либо, располагать большей силой, быстротой.
Создавались сказания о коврах самолётах, семимильных сапогах и волшебниках, переносящих человека за тридевять земель мановением жезла. Таская тяжести, люди изобрели тележки, ведь катить легче. Потом они приспособили животных – волов, оленей, собак, больше всего лошадей. Так появились повозки, экипажи. В экипажах люди стремились к комфорту, всё более совершенствуя их.
Стремление людей увеличить скорость ускоряло и смену событий в истории развития транспорта. Из греческого «аутос» – «сам» и латинского «мобилис» – «подвижный» в европейских языках сложилось прилагательное «самодвижущийся», буквально «авто – мобильный».

Оно относилось к часам, куклам-автоматам, ко всяким механизмам, в общем, ко всему, что служило как бы дополнением «продолжением», «усовершенствованием» человека. В ХVIII веке попробовали заменить живую силу силой пара и применяли к безрельсовым повозкам термин «автомобиль».

Почему же счёт возраста автомобиля ведут от первых «бензиномобилей» с двигателем внутреннего сгорания, изобретённых и построенных в 1885-1886 годах? Как бы забыв о паровых и аккумуляторных (электрических) экипажах. Дело в том, что ДВС произвёл подлинный переворот в транспортной технике. В течение длительного времени он оказался наиболее отвечающим идее автомобиля и потому надолго сохранил своё главенствующее положение. Доля автомобилей с ДВС составляет на сегодня более 99,9% мирового автомобильного транспорта. Приложение 1 >

Основные части теплового двигателя

В современной технике механическую энергию получают главным образом за счет внутренней энергии топлива. Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии в механическую, называют тепловыми двигателями. Приложение 2 >

Для совершения работы за счет сжигания топлива в устройстве, называемом нагревателем, можно воспользоваться цилиндром, в котором нагревается и расширяется газ и перемещает поршень. Приложение 3 > Газ, расширение которого вызывает перемещение поршня, называют рабочим телом. Расширяется же газ потому, что его давление выше внешнего давления. Но при расширении газа его давление падает, и рано или поздно оно станет равным внешнему давлению. Тогда расширение газа закончится, и он перестанет совершать работу.

Как же следует поступить, чтобы работа теплового двигателя не прекращалась? Для того чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо, чтобы поршень после расширения газа возвращался каждый раз в исходное положение, сжимая газ до первоначального состояния. Сжатие же газа может происходить только под действием внешней силы, которая при этом совершает работу (сила давления газа в этом случае совершает отрицательную работу). После этого вновь могут происходить процессы расширения и сжатия газа. Значит, работа теплового двигателя должна состоять из периодически повторяющихся процессов (циклов) расширения и сжатия.

На Рисунке 1 изображены графически процессы расширения газа (линия АВ ) и сжатия до первоначального объема (линия CD). Работа газа в процессе расширения положительна (AF > 0 ABEF . Работа газа при сжатии отрицательна (так как AF ) и численно равна площади фигуры CDEF. Полезная работа за этот цикл численно равна разности площадей под кривыми АВ и CD (закрашена на рисунке).
Наличие нагревателя, рабочего тела и холодильника принципиально необходимое условие для непрерывной циклической работы любого теплового двигателя.

Коэффициент полезного действия тепловой машины

Рабочее тело, получая некоторое количество теплоты Q 1 от нагревателя, часть этого количества теплоты, по модулю равную |Q2|,отдает холодильнику. Поэтому совершаемая работа не может быть больше A = Q 1 — |Q 2 |. Отношение этой работы к количеству теплоты, полученному расширяющимся газом от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия тепловой машины:

Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по замкнутому циклу, всегда меньше единицы. Задача теплоэнергетики состоит в том, чтобы сделать КПДкак можно более высоким, т. е. использовать для получения работы как можно большую часть теплоты, полученной от нагревателя. Как этого можно достигнуть?
Впервые наиболее совершенный циклический процесс, состоящий из изотерм и адиабат, был предложен французским физиком и инженером С. Карно в 1824 г.

Цикл Карно.

Допустим, что газ находится в цилиндре, стенки и поршень которого сделаны из теплоизоляционного материала, а дно — из материала с высокой теплопроводностью. Объем, занимаемый газом, равен V 1 .

Приведем цилиндр в контакт с нагревателем (Рисунок 2) и предоставим газу возможность изотермически расширяться и совершать работу. Газ получает при этом от нагревателя некоторое количество теплоты Q 1 . Этот процесс графически изображается изотермой (кривая АВ ).

Когда объем газа становится равным некоторому значению V 1 ’дно цилиндра изолируют от нагревателя, после этого газ расширяется адиабатно до объема V 2 , соответствующего максимально возможному ходу поршня в цилиндре (адиабата ВС ). При этом газ охлаждается до температуры T 2
Теперь охлажденный газ можно изотермически сжимать при температуре Т2. Для этого его нужно привести в контакт с телом, имеющим ту же температуру Т 2 , т. е. с холодильником, и сжать газ внешней силой. Однако в этом процессе газ не вернется в первоначальное состояние — температура его будет все время ниже чем Т 1 .
Поэтому изотермическое сжатие доводят до некоторого промежуточного объема V 2 ’>V 1 (изотерма CD ). При этом газ отдает холодильнику некоторое количество теплоты Q 2 , равное совершаемой над ним работе сжатия. После этого газ сжимается адиабатно до объема V 1 , при этом его температура повышается до Т 1 (адиабата DA ). Теперь газ вернулся в первоначальное состояние, при котором объем его равен V 1 , температура — T 1 , давление — p 1 ,и цикл можно повторить вновь.

Итак, на участке ABC газ совершает работу (А > 0), а на участке CDA работа совершается над газом (А На участках ВС и AD работа совершается только за счет изменения внутренней энергии газа. Поскольку изменение внутренней энергии UBC = – UDA , то и работы при адиабатных процессах равны: АВС = –АDA. Следовательно, полная работа, совершаемая за цикл, определяется разностью работ, совершаемых при изотермических процессах (участки АВ и CD ). Численно эта работа равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла ABCD .
В полезную работу фактически преобразуется только часть количества теплоты QT, полученной от нагревателя, равная QT 1 – |QT 2 |. Итак, в цикле Карно полезная работа A = QT 1 – |QT 2 |.
Максимальный коэффициент полезного действия идеального цикла, как показал С. Карно, может быть выражен через температуру нагревателя (Т 1) и холодильника (Т 2):

В реальных двигателях не удается осуществить цикл, состоящий из идеальных изотермических и адиабатных процессов. Поэтому КПД цикла, осуществляемого в реальных двигателях, всегда меньше, чем КПД цикла Карно (при одних и тех же температурах нагревателей и холодильников):

Из формулы видно, что КПД двигателей тем больше, чем выше температура нагревателя и чем ниже температура холодильника.

Задача № 703

Двигатель работает по циклу Карно. Как изменится КПД теплового двигателя, если при постоянной температуре холодильника 17 о С температуру нагревателя повысить со 127 до 447 о С?

Задача № 525

Определите КПД двигателя трактора, которому для выполнения работы 1,9 · 107Дж потребовалось 1,5 кг топлива с удельной теплотой сгорания 4,2 · 107Дж/кг.

Выполнение компьютерного теста по теме. Приложение 4 > Работа с моделью тепловой машины.

«Физика — 10 класс»

Что такое термодинамическая система и какими параметрами характеризуется её состояние.
Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.

Именно создание теории тепловых двигателей и привело к формулированию второго закона термодинамики.

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии ещё недостаточно. Необходимо так же уметь за счёт энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели .

Тепловые двигатели — это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую работу.

Принцип действия тепловых двигателей.

Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счёт повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T 1 . Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т 1 называют температурой нагревателя .

Роль холодильника.

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т 2 , которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Её называют температурой холодильника . Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы . В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры окружающего воздуха.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть тепла неизбежно передаётся холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин.

Эта часть внутренней энергии топлива теряется. Тепловой двигатель совершает работу за счёт внутренней энергии рабочего тела. Причём в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику). Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 13.13.

Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q 1 , совершает работу А» и передаёт холодильнику количество теплоты Q 2 .

Для того чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо рабочее тело вернуть в начальное состояние, при котором температура рабочего тела равна Т 1 . Отсюда следует, что работа двигателя происходит по периодически повторяющимся замкнутым процессам, или, как говорят, по циклу.

Цикл — это ряд процессов, в результате которых система возвращается в начальное состояние.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя.

Невозможность полного превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в природе. Если бы тепло могло самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя. Второй закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом:

Второй закон термодинамики:
невозможно создать вечный двигатель второго рода, который полностью превращал бы теплоту в механическую работу.

Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:

А» = Q 1 — |Q 2 | , (13.15)

где Q 1 — количество теплоты, полученной от нагревателя, a Q2 — количество теплоты, отданной холодильнику.

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют отношение работы А», совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя:

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передаётся холодильнику, то η

Максимальное значение КПД тепловых двигателей.

Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , а также определить пути его повышения.

Впервые максимально возможный КПД теплового двигателя вычислил французский инженер и учёный Сади Карно (1796-1832) в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824).

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу, состоящему из двух изотерм и двух адиабат, причем эти процессы считаются обратимыми (рис. 13.14). Сначала сосуд с газом приводят в контакт с нагревателем, газ изотермически расширяется, совершая положительную работу, при температуре Т 1 , при этом он получает количество теплоты Q 1 .

Затем сосуд теплоизолируют, газ продолжает расширяться уже адиабатно, при этом его температура понижается до температуры холодильника Т 2 . После этого газ приводят в контакт с холодильником, при изотермическом сжатии он отдаёт холодильнику количество теплоты Q 2 , сжимаясь до объёма V 4

Как следует из формулы (13.17), КПД машины Карно прямо пропорционален разности абсолютных температур нагревателя и холодильника.

Главное значение этой формулы состоит в том, что в ней указан путь увеличения КПД, для этого надо повышать температуру нагревателя или понижать температуру холодильника.

Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины: Процессы, из которых состоит цикл реальной тепловой машины, не являются обратимыми.

Формула (13.17) даёт теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем больше разность температур нагревателя и холодильника.

Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1. Кроме этого доказано, что КПД, рассчитанный по формуле (13.17), не зависит от рабочего вещества.

Но температура холодильника, роль которого обычно играет атмосфера, практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твёрдое тело) обладает ограниченной теплостойкостью или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счёт уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д.

Для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т 1 — 800 К и Т 2 — 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно 62 % (отметим, что обычно КПД измеряют в процентах). Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40 %. Максимальный КПД — около 44% — имеют двигатели Дизеля.

Охрана окружающей среды.

Трудно представить современный мир без тепловых двигателей. Именно они обеспечивают нам комфортную жизнь. Тепловые двигатели приводят в движение транспорт. Около 80 % электроэнергии, несмотря на наличие атомных станций, вырабатывается с помощью тепловых двигателей.

Однако при работе тепловых двигателей происходит неизбежное загрязнение окружающей среды. В этом заключается противоречие: с одной стороны, человечеству с каждым годом необходимо всё больше энергии, основная часть которой получается за счёт сгорания топлива, с другой стороны, процессы сгорания неизбежно сопровождаются загрязнением окружающей среды.

При сгорании топлива происходит уменьшение содержания кислорода в атмосфере. Кроме этого, сами продукты сгорания образуют химические соединения, вредные для живых организмов. Загрязнение происходит не только на земле, но и в воздухе, так как любой полёт самолёта сопровождается выбросами вредных примесей в атмосферу.

Одним из следствий работы двигателей является образование углекислого газа, который поглощает инфракрасное излучение поверхности Земли, что приводит к повышению температуры атмосферы. Это так называемый парниковый эффект. Измерения показывают, что температура атмосферы за год повышается на 0,05 °С. Такое непрерывное повышение температуры может вызвать таяние льдов, что, в свою очередь, приведёт к изменению уровня воды в океанах, т. е. к затоплению материков.

Отметим ещё один отрицательный момент при использовании тепловых двигателей. Так, иногда для охлаждения двигателей используется вода из рек и озёр. Нагретая вода затем возвращается обратно. Рост температуры в водоёмах нарушает природное равновесие, это явление называют тепловым загрязнением.

Для охраны окружающей среды широко используются различные очистительные фильтры, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, совершенствуются конструкции двигателей. Идёт непрерывное усовершенствование топлива, дающего при сгорании меньше вредных веществ, а также технологии его сжигания. Активно разрабатываются альтернативные источники энергии, использующие ветер, солнечное излучение, энергию ядра. Уже выпускаются электромобили и автомобили, работающие на солнечной энергии.

Лекция: Принципы действия тепловых машин


Тепловая машина

Тепловая машина — это система, которая может превратить тепло в работу или же наоборот, совершает работу для получения тепла.

Существует два основных вида тепловых машин:

1. Системы, способные превращать тепло в работу. Такие системы называются тепловыми двигателями . Данные тепловые машины лежат в основе двигателей на автомобилях. Чтобы машина ехала, двигатель должен совершать работу. Для совершения данной работы происходит сгорание топлива.

2. Системы, способные охлаждать тела, за счет совершения работы внешних сил. Такие системы называются холодильными машинами. В основе нашего домашнего холодильника лежит принцип холодильной машины. Любое тепло, которое подводится к ней, выводиться за пределы машины за счет совершения работы внешними силами.

Любая тепловая машина состоит из тела, которое совершает работу, холодильника и нагревателя.

Тепловые двигатели

В основе данной машины лежит принцип извлечения работы из беспрерывного движения структурных единиц вещества. Данное изобретение открыло двери в эру нового технического прогресса.

Рабочим телом для данной машины является газ. Во время его нагревания поршень двигателя передвигается и тем самым совершает работу. Чтобы газ расширился, к нему подводят нагреватель. Расширение будет происходить только в том случае, когда температура газа будет больше, чем температура окружающей среды.

Во время сгорания топлива выделяется достаточная энергия, большая часть которой идет на совершение работы, поэтому

Q1 = A1

Теперь давайте разберемся, какую роль играет холодильник в тепловой машине. Для того, чтобы машина постоянно работала, необходимо, чтобы газ расширялся и сужался — в таком случае поршень будет периодически возвращаться в исходное положение. Поэтому холодильник охлаждает газ, передавая ему теплоту: Q2 = A2

В данном случае полезная работа будет равна: A = A1 − A2

Чтобы работа охлаждения была меньше, её следует совершать при меньшем давлении, как показано на графике.

Где Q1 — Q2 = А, А — полезная работа.

Стоит отметить, что КПД всегда меньше единицы. Более того, зачастую нами используются тепловые двигатели, КПД которых меньше 50%.

Холодильные машины

Как было сказано в предыдущих разделах, нельзя заставить некоторую систему самопроизвольно передавать тепло от менее нагретого тела к более нагретому. Однако ключевое слово здесь — самопроизвольно. С помощью внешнего источника работы это все-таки возможно. Холодильная машина производит именно такие процессы.

Принципы действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей

Одним из главных направлений научно-технического прогресса является развитие энергетики, в том числе теплоэнергетики. Теплоэнергетика – это отрасль народного хозяйства, связанная с использованием внутренней энергии топлива. Запасы топлива в недрах Земли и океанах можно считать практически неограниченными. Для того чтобы использовать его внутреннюю энергию, нужны специальные устройства, которые могли бы за счет этой энергии совершать механическую работу. Устройство, совершающее механическую работу за счет внутренней энергии топлива, называют тепловым двигателем. Именно двигатели приводят в движение станки на фабриках и заводах, транспортные средства, комбайны и другие машины, вращают роторы генераторов электрического тока. Основная часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели. 
Существуют разные типы тепловых двигателей: паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель. Все они имеют различия в конструкции и некоторые особенности работы, но принципы их действия одинаковы.   
Все тепловые двигатели, независимо от их особенностей, имеют три основные части: нагреватель, рабочее тело и холодильник. На схеме мы видим, что нагреватель передает рабочему телу двигателя какое-то количество теплоты Q1(кю) часть её идет на выполнение работы двигателем, другая часть Q2 передается холодильнику. 
В тепловом двигателе происходит преобразование внутренней энергии в механическую энергию, следовательно, необходимо иметь систему, за счет внутренней энергии которой совершалась бы механическая работа. Такую систему называют рабочим телом двигателя. Механическая работа совершается при сжатии и расширении рабочего тела. Чем больше сжатие или расширение, тем большая работа совершается. Газы расширяются и сжимаются легче, чем жидкости и тем более твердые тела, поэтому в качестве рабочего тела используют газ или пар. В паровой турбине рабочим телом является пар, в двигателе внутреннего сгорания – газ, состоящий из смеси бензина и воздуха.
Поскольку работа совершается за счет внутренней энергии рабочего тела, то для её увеличения рабочее тело нужно нагреть до некоторой температуры Т1. Для этого в состав двигателя входит нагреватель.
В двигателе внутреннего сгорания нагревание рабочего тела происходит в цилиндре при сгорании горючей смеси, которая впрыскивается в цилиндр. В паровой турбине нагреватель — это самостоятельное устройство – паровой котел. В нем пар нагревается за счет энергии сгорающего топлива.
По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры T2, которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника. В двигателях внутреннего сгорания холодильником является атмосфера, в паровой турбине – специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара  конденсаторы. Конденсаторы понижают температуру газа гораздо сильнее, чем атмосфера.
Следовательно, только часть количества теплоты, полученного от нагревателя, превращается в полезную работу.    Часть теплоты неизбежно передается холодильнику вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии теряется.
Тепловой двигатель совершает работу за счет внутренней энергии рабочего тела. Причем в этом процессе происходит передача теплоты от более горячего нагревателя к более холодному холодильнику.
Так как тепло не может возвращаться от холодильника к нагревателю, то часть внутренней энергии теряется и не может превратиться в полезную работу.    Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна разности количества теплоты, полученное от нагревателя, и количества теплоты, отданное холодильнику.
Коэффициентом полезного действия или сокращенно КПД теплового двигателя называют отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя.
Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то их коэффициент полезного действия всегда меньше единицы.
КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При одинаковой температуре нагревателя и холодильника двигатель не может работать.
Французский ученый Сади Карно в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» в 1824 году, решая проблему повышения эффективности тепловых двигателей, предложил модель идеального теплового двигателя. Рабочим телом в нем служит идеальный газ. Энергетически наиболее выгодными являются адиабатный и изотермический процессы, происходящие с идеальным газом. В них вся полученная газом энергия превращается в работу. 
На рисунке мы видим график зависимости давления от объема в идеальном тепловом двигателе Карно, называемый циклом Карно. Участок графика 1-2 соответствует изотермическому расширению газа. При этом оно получает от нагревателя, температура которого Т1, количество теплоты Q1. Участок графика 2-3 соответствует адиабатному расширению рабочего тела, при этом оно охлаждается до температуры Т2, равной температуре холодильника. Затем газ изотермически сжимается на участке 3-4 при температуре Т2. При этом холодильнику передается количество теплоты Q2. И, наконец, на участке 4-1, рабочее тело адиабатно сжимается, его температура при этом повышается до температуры нагревателя Т1.   
Карно получил, что для идеального теплового двигателя коэффициент полезного действия равен отношению разницы между температурами нагревателя и холодильника к температуре нагревателя или единица минус отношение температуры холодильника к температуре нагревателя. Из этой формулы следует, что коэффициент полезного действия идеального теплового двигателя всегда меньше единицы, даже если устранены все потери энергии. Это связано с тем, что некоторое количество теплоты всегда передается холодильнику.
Формула, полученная Карно показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, коэффициент полезного действия равен 1.
Совершенствуя двигатели, их КПД стремятся приблизить к коэффициенту полезного действия идеального двигателя Карно, работающего при тех же температурах нагревателя и холодильника. А он тем больше, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Поэтому для повышения КПД теплового двигателя стремятся повысить температуру нагревателя и понизить температуру холодильника. Сложность заключается в том, что повышение температуры нагревателя ограничивается свойствами применяемых в конструкции двигателей материалов.  Однако любое вещество обладает ограниченной теплостойкостью и жаропрочностью. При нагревании оно постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится. Кроме того, материалы должны обладать высокой механической прочностью и выдерживать высокие давления, не разрушаясь.
Сейчас, разрабатывая новые двигатели, инженеры основные усилия направляют на повышение коэффициента полезного действия тепловых двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива из-за его неполного сгорания. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими. 
Тепловые двигатели могут совершать работу благодаря разности давлений газа на поверхностях поршней или лопастей турбины. Эта разность давлений создается с помощью разности температур. Максимально возможный коэффициент полезного действия тепловых двигателей равен отношению этой разности температур к абсолютной температуре нагревателя. Тепловой двигатель не может работать без холодильника, роль которого чаще всего играет атмосфера.

Принципы работы тепловых двигателей

[музыка] принципы действия тепловых двигателей коэффициент полезного действия тепловых двигателей одним из главных направлений научно-технического прогресса является развитие энергетики в том числе теплоэнергетики к это отрасль народного хозяйства связанная с использованием внутренней энергии топлива запасы топлива в недрах земли и океанах можно считать практически неограниченными того чтобы использовать его внутреннюю энергию нужны специальные устройства которые могли бы за счет этой энергии совершать механическую работу устройство совершающая механическую работу за счет внутренней энергии топлива называют тепловым двигателем или приводит в движение станки на фабриках и заводах транспортные средства ян и и другие машины вращать не радаров электрического тока часть двигателей на земле это тепловые двигатели ствуют разные типы тепловых двигателей яна двигатель не возгорания реактивный двигатель и они имеют различия в конструкции и некоторые особенности работы но принципы их действия одинаковые все тепловые двигатели независимо от их особенностей имеют три основные части нагреватель рабочее тело и холодильник схеме мы видим что нагреватель передает рабочему телу двигателя какое-то количество теплоты q 1 часть ее идет на выполнение работы двигателем другая часть q2 передается холодильнику двигатели происходит преобразование внутренней энергии в механическую энергию следовательно необходимо иметь систему за счет внутренней энергии которой совершалось бы механическая работа такую систему называют рабочим телом двигателя механическая работа совершается при сжатии и расширение рабочего тела чем больше сжатия или расширения тем большая работа совершается газы расширяются и сжимаются легче чем жидкости и тем более твердые тела поэтому в качестве рабочего тела использует газ или пар рабой турбине рабочим телом является пар или внутреннего сгорания газ состоящие из смеси бензина и воздуха решается за счет внутренней энергии рабочего тела то для ее увеличения рабочее тело нужно нагреть до некоторые температуры т1 для этого в состав двигателя входит нагреватели жители внутреннего сгорания нагревание рабочего тела происходит в цилиндре при сгорании горючей смеси которая впрыскивается в цилиндры не нагреватель это самостоятельное устройство паровой котел в нем пар нагревается за счет энергии сгорающего топлива по мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры т2 которая обычно несколько выше температуры окружающей среды ее называют температурой холодильника в двигателях внутреннего сгорания холодильником является атмосфера в паровой турбине специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара конденсаторы конденсаторы понижают температуру газа гораздо сильнее чем атмосфера часть количество теплоты полученного от нагревателя превращается в полезную работу часть теплоты неизбежно передается холодильнику вместе с отработанным парам или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин эта часть внутренней энергии теряется головой двигатель совершает работу за счет внутренней энергии рабочего тела при чем в этом процессе происходит передача теплоты от более горячего нагревателя к более холодному холодильнику так как тепло не может возвращаться от холодильника к нагревателю та часть внутренней энергии теряется и не может превратиться в полезную работу согласно закону сохранения энергии работа совершаемое двигателем равна разности количество теплоты полученный от нагревателя и количество теплоты отданные холодильнику коэффициентом полезного действия или сокращенно кпд теплового двигателя называют отношении работы совершаемые двигателем к количеству теплоты полученный от нагревателя так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику то их коэффициент полезного действия всегда меньше единицы кпд теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника при одинаковой температуре нагревателя и холодильника двигатель не может работать французские ученые сади карно в труде размышление о движущей силе огня и о машинах способных развивать эту силу в 1824 году решая проблему повышения эффективности тепловых двигателей предложил модель идеального теплового двигателя рабочим телом в нем служит идеальный газ энергетические наиболее выгодными являются адиабатный и изотермические процессы происходящие с идеальным газом в них вся полученная газом энергия превращается в работу рисунке мы видим график зависимости давления от объема в идеальном тепловом двигателе карно называемый циклом карно участок графика 12 соответствует изотермическом у расширению газа при этом она получает от нагревателя температура которого т1 количество теплоты q один участок и графика 23 соответствует адиабатном у расширению рабочего тела при этом она охлаждается до температуры т2 равной температуре холодильника затем газ изотермические сжимается на участке 3 4 при температуре t2 при этом холодильнику передается количество теплоты q 2 и наконец на участке 41 рабочее тело адиабатном сжимается его температура при этом повышается до температуры нагревателя t1 карна получил что для идеального теплового двигателя коэффициент полезного действия равен отношению разницы между температурами нагревателя и холодильника к температуре нагревателя или единица минус отношении температуры холодильника к температуре нагревателя из этой формулы следует что коэффициент полезного действия идеального теплового двигателя всегда меньше единицы даже если устранены все потери энергии это связано с тем что некоторое количество теплоты всегда передается холодильнику икар но показывает что тепловой двигатель тем эффективнее чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника лишь при температуре холодильника равный абсолютному нулю коэффициент полезного действия равен единице жертвуя двигатели их кпд стремятся приблизить коэффициенту полезного действия идеального двигателя карно работающего при тех же температурах нагревателя и холодильника а он те больше чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника поэтому для повышения кпд теплового двигателя стремятся повысить температуру нагревателя и понизить температуру холодильника сложность заключается в том что повышение температуры нагревателя ограничивается свойствами применяемых в конструкции двигателей материалов любое вещество обладает ограниченной и теплостойкостью и жаропрочностью они она постепенно утрачивает свои упругие свойства а при достаточно высокой температуре плавится его материалы должны обладать высокой механической прочностью и выдерживать высокие давления не разрушаясь при этом зарабатывая новые двигатели инженеры основные усилия направляет на повышение коэффициента полезного действия тепловых двигателей за счет уменьшения трения их частей потерь топлива из-за его неполного сгорания реальные возможности для повышения кпд здесь все еще остаются большими половые двигатели могут совершать работу благодаря разности давлений газа на поверхностях поршней или лопасти турбины снасти давлений создается с помощью разности температур максимально возможный коэффициент полезного действия тепловых двигателей равен отношению этой разности температур к абсолютной температуре нагревателя не может работать без холодильника роль которого чаще всего играет атмосфера

Принцип работы теплового двигателя: описание, характеристики

Автор Почемучка На чтение 25 мин. Просмотров 295

Трудно представить современный мир без тепловых двигателей. Именно они обеспечивают нам комфортную жизнь. Тепловые двигатели приводят в движение транспорт. Около 80 % электроэнергии, несмотря на наличие атомных станций, вырабатывается с помощью тепловых двигателей.

«Физика — 10 класс»

Что такое термодинамическая система и какими параметрами характеризуется её состояние.
Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.

Именно создание теории тепловых двигателей и привело к формулированию второго закона термодинамики.

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии ещё недостаточно. Необходимо так же уметь за счёт энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели.

Тепловые двигатели — это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую работу.

Принцип действия тепловых двигателей.

Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счёт повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T1. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т1 называют температурой нагревателя.

Роль холодильника.

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т2, которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Её называют температурой холодильника. Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры окружающего воздуха.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть тепла неизбежно передаётся холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин.

Эта часть внутренней энергии топлива теряется. Тепловой двигатель совершает работу за счёт внутренней энергии рабочего тела. Причём в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику). Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 13.13.

Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q1, совершает работу А’ и передаёт холодильнику количество теплоты Q2

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передаётся холодильнику, то η

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу, состоящему из двух изотерм и двух адиабат, причем эти процессы считаются обратимыми (рис. 13.14). Сначала сосуд с газом приводят в контакт с нагревателем, газ изотермически расширяется, совершая положительную работу, при температуре Т1, при этом он получает количество теплоты Q1.

Затем сосуд теплоизолируют, газ продолжает расширяться уже адиабатно, при этом его температура понижается до температуры холодильника Т2. После этого газ приводят в контакт с холодильником, при изотермическом сжатии он отдаёт холодильнику количество теплоты Q2, сжимаясь до объёма V4

Как следует из формулы (13.17), КПД машины Карно прямо пропорционален разности абсолютных температур нагревателя и холодильника.

Главное значение этой формулы состоит в том, что в ней указан путь увеличения КПД, для этого надо повышать температуру нагревателя или понижать температуру холодильника.

Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины: Процессы, из которых состоит цикл реальной тепловой машины, не являются обратимыми.

Формула (13.17) даёт теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем больше разность температур нагревателя и холодильника.

Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1. Кроме этого доказано, что КПД, рассчитанный по формуле (13.17), не зависит от рабочего вещества.

Но температура холодильника, роль которого обычно играет атмосфера, практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твёрдое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счёт уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д.

Для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т1 — 800 К и Т2 — 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно 62 % (отметим, что обычно КПД измеряют в процентах). Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40 %. Максимальный КПД — около 44% — имеют двигатели Дизеля.

Охрана окружающей среды.

Трудно представить современный мир без тепловых двигателей. Именно они обеспечивают нам комфортную жизнь. Тепловые двигатели приводят в движение транспорт. Около 80 % электроэнергии, несмотря на наличие атомных станций, вырабатывается с помощью тепловых двигателей.

Однако при работе тепловых двигателей происходит неизбежное загрязнение окружающей среды. В этом заключается противоречие: с одной стороны, человечеству с каждым годом необходимо всё больше энергии, основная часть которой получается за счёт сгорания топлива, с другой стороны, процессы сгорания неизбежно сопровождаются загрязнением окружающей среды.

При сгорании топлива происходит уменьшение содержания кислорода в атмосфере. Кроме этого, сами продукты сгорания образуют химические соединения, вредные для живых организмов. Загрязнение происходит не только на земле, но и в воздухе, так как любой полёт самолёта сопровождается выбросами вредных примесей в атмосферу.

Одним из следствий работы двигателей является образование углекислого газа, который поглощает инфракрасное излучение поверхности Земли, что приводит к повышению температуры атмосферы. Это так называемый парниковый эффект. Измерения показывают, что температура атмосферы за год повышается на 0,05 °С. Такое непрерывное повышение температуры может вызвать таяние льдов, что, в свою очередь, приведёт к изменению уровня воды в океанах, т. е. к затоплению материков.

Отметим ещё один отрицательный момент при использовании тепловых двигателей. Так, иногда для охлаждения двигателей используется вода из рек и озёр. Нагретая вода затем возвращается обратно. Рост температуры в водоёмах нарушает природное равновесие, это явление называют тепловым загрязнением.

Для охраны окружающей среды широко используются различные очистительные фильтры, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, совершенствуются конструкции двигателей. Идёт непрерывное усовершенствование топлива, дающего при сгорании меньше вредных веществ, а также технологии его сжигания. Активно разрабатываются альтернативные источники энергии, использующие ветер, солнечное излучение, энергию ядра. Уже выпускаются электромобили и автомобили, работающие на солнечной энергии.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Основы термодинамики. Тепловые явления — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Согласно второму началу термодинамики, тепловой двига­тель может непрерывно совершать периодически повторяющу­юся механическую работу за счет охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего те­ла (нагревателя), но при этом отдает теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Следовательно, на совершение работы идет не все количество теплоты, полученное от нагревателя, а только часть ее.

Таким образом, основными элементами любого теплового двигателя являются:

1) рабочее тело (газ или пар), совершающее работу;

2) нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу;

3) холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего те­ла.

Немецкий инженер Дизель нашел интересный выход из этого затруднения…

О паровых двигателях

Хронология этого изобретения ведёт свой отсчёт от эпохи Архимеда, придумавшего пушку, стрелявшую с помощью пара. Затем следует череда славных имён, предлагавших свои проекты. Наиболее эффективный вариант устройства принадлежит русскому изобретателю Ивану Ползунову. В отличие от своих предшественников он предложил непрерывный ход рабочего вала за счёт использования попеременной работы 2-х цилиндров.

Сгорание топлива и образование пара у паровых машин происходит вне рабочей камеры. Поэтому их называют двигателями внешнего сгорания.

По такому же принципу образуется рабочее тело в паровых и газовых турбинах. Их далеким прообразом явился шар, вращаемый паром. Автором этого механизма был учёный Герон, творивший свои машины и приборы, в древней Александрии.

Круговой (циклический) процесс — если в результате изменений система вернулась в исходное состояние, то говорят, что она совершила круговой процесс или цикл.

Тепловые двигатели.

Машины, преобразующие внутреннюю энергию механическую работу называют тепловыми двигателями

1690 — пароатмосферная машина Д.Папена (Франция) — теоретически

1698 — пароатмосферная машина Т.Севери (Англия)

1705 — пароатмосферная машина Т.Ньюкомена (Англия)

1763 — паровая машина И.Ползунова (Россия)

1774 — паровая машина Д.Уатта (Англия)

1860 — двигатель внутреннего сгорания Ленуара (Франция)

1865 — двигатель внутреннего сгорания Н.Отто (Германия)

1871 — холодильная машина К.Линде (Германия)

1887 — паровая турбина К.Лаваля (Швеция)

1897 — двигатель внутреннего сгорания Р.Дизеля (Германия)

Круговой (циклический) процесс — если в результате изменений система вернулась в исходное состояние, то говорят, что она совершила круговой процесс или цикл.

А1а21б2 — по модулю (из сравнения площадей).

А1б2Q = A’ + ΔU

Нагреватель передает тепло рабочему телу при температуре Т1.

Рабочее тело совершает полезную механическую работу A’.

Холодильник (охладитель) получает часть тепла, обеспечивая циклический процесс.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя:

Кпд реальных двигателей:

турбореактивный — 20 -30%; карбюраторный — 25 -30%, дизельный — 35-45%.

0 — 1 — впуск горючей смеси (изобара)

1 — 2 — сжатие (адиабата)

2 — загорание горючей смеси

2 -3 -резкое возрастание давления (изохора)

3 -4 — рабочий ход (адиабата)

Идеальная тепловая машина — машина Карно (Сади Карно, Франция, 1815).

Машина работает на идеальном газе.

1 — 2 — при тепловом контакте с нагревателем газ расширяется изотермически.

2 — 3 — газ расширяется адиабатно.

После контакта с холодильником:

3 — 4 — изотермическое сжатие;

4 — 1 — адиабатное сжатие.

КПД идеальной машины:

η является функцией только двух температур, не зависит от устройства машины и вида топлива.

Теорема Карно: кпд реальной тепловой машины не может быть больше кпд идеальной машины, работающей в том же интервале температур.

Цикл Карно обратим. Машина, работающая по обратному циклу наз. холодильной машиной.

Законы термодинамики позволяют вычислить максимальный возможный КПД для данного теплового двигателя. Впервые это сделал ученый и инженер Сади Карно. Карно справедливо рассудил, что максимальный КПД будет у идеализированной тепловой машины. В этой тепловой машине рабочим телом был идеальный газ, а цикл состоял из двух изотерм и двух адиабат:

Урок 57. Физика 10 класс

Конспект урока «Принцип действия тепловых двигателей. КПД»

В восьмом классе мы уже затрагивали тему тепловых двигателей. Напомним, что тепловым двигателем называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую энергию.

Для примера рассмотрим газ, находящийся в цилиндре под поршнем. Очевидно, что для того, чтобы привести поршень в движение, необходима разность давления по обе стороны поршня. В тепловых двигателях эта разность достигается путем повышения температуры газа. Нагретый газ обладает достаточно большой внутренней энергией и, расширяясь, совершает работу.

Однако, по мере расширения газ охлаждается, теряя свою внутреннюю энергию. Конечно, для нормальной работы двигателя необходима цикличность. То есть, после совершения работы, газ необходимо перевести в первоначальное состояние.

Итак, принципиальная схема работы теплового двигателя такова: от нагревателя рабочему телу (то есть газу) передается некоторое количество теплоты.

Под этим подразумевается сжигание топлива, в результате которого температура газа повышается на сотни градусов. Внутренняя энергия газа увеличивается и, за счет неё он совершает работу до тех пор, пока не охладится до температуры холодильника (роль холодильника, как правило, выполняет окружающая среда). Очевидно, что газ не может потерять всю свою внутреннюю энергию (если только не охладится до абсолютного нуля). Поэтому, некоторое количество теплоты будет передано холодильнику.

Важными характеристиками теплового двигателя являются следующие величины: количество теплоты, полученное от нагревателя, температура нагревателя (то есть температура образовавшегося газа), температура холодильника, количество теплоты, переданное холодильнику и полезная работа. Полезная работа определяется как разность между количеством теплоты, полученным от нагревателя и количеством теплоты, отданном холодильнику:

Конечно же, любой двигатель характеризуется такой величиной как коэффициент полезного действия. Для теплового двигателя коэффициент полезного действия равен отношению совершенной двигателем работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Если мы подставим в это уравнение выражение для полезной работы, то убедимся, что КПД теплового двигателя не может быть больше единицы (то есть не может превышать 100%):

Для наглядности мы можем изобразить графически работу теплового двигателя.

Законы термодинамики позволяют вычислить максимальный возможный КПД для данного теплового двигателя. Впервые это сделал ученый и инженер Сади Карно. Карно справедливо рассудил, что максимальный КПД будет у идеализированной тепловой машины. В этой тепловой машине рабочим телом был идеальный газ, а цикл состоял из двух изотерм и двух адиабат:

Таким образом, цикл Карно описывает максимальную возможную работу газа с минимальными потерями энергии. Итак, максимальный возможный КПД данной тепловой машины определяется отношением разности температуры нагревателя и температуры холодильника к температуре нагревателя:

Необходимо отметить, что в данном уравнении следует использовать абсолютную температурную шкалу. Как видно из формулы, и этот КПД не может быть больше единицы, если только температура холодильника не равна абсолютному нулю. Исходя из всего выше перечисленного, мы можем заключить следующее: КПД любого теплового двигателя не может превышать КПД идеального теплового двигателя.

Примеры решения задач.

Задача 1. Температура холодильника равна 20 ℃. Какова должна быть температура нагревателя, чтобы стало возможным достичь значения КПД теплового двигателя, равное 85%?

Задача 2. Двигатель внутреннего сгорания совершил полезную работу, равную 45 МДж. Если КПД этого двигателя составляет 55%, то, сколько литров бензина было израсходовано на совершение данной работы? Плотность бензина равна 710 кг/м .

Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.

Вспомните, что такое термодинамическая система и какими параметрами характеризуется её состояние.

Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии ещё недостаточно. Необходимо так же уметь за счёт энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели.

Принцип действия тепловых двигателей. Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счёт повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T1. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т1 называют температурой нагревателя.

Роль холодильника. По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т2, которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Её называют температурой холодильника. Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры окружающего воздуха.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть тепла неизбежно передаётся холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин.

Эта часть внутренней энергии топлива теряется. Тепловой двигатель совершает работу за счёт внутренней энергии рабочего тела. Причём в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику). Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 13.13.

3. раскрыть роль тепловых двигателей в современной цивилизации.

Конспект урока физики

для 10 класса учителя МОУ СОШ №14 Лужновой Г.В.

Тема урока: Тепловые двигатели.

1. ввести понятие о тепловом двигателе и его устройстве;

2. показать взаимосвязь развития физики и техники на примере принципов действия тепловых двигателей;

3. раскрыть роль тепловых двигателей в современной цивилизации.

Приемы и методы

Актуализация знаний. Постановка проблемы.

Изучение нового материала.

История и теория тепловых двигателей, характеристики, применение и проблемы.

Лекция с демонстрацией компьютерной презентации.

Записи в тетрадях.

Совершенствование знаний и умений.

Запись в дневниках.

I Вопросы для организации фронтального повторения:

1. Допускает ли первый закон термодинамики теплообмен от менее нагретого тела к более нагретому?

Ответ: Первый закон не запрещает этого процесса, он требует лишь сохранения энергии.

2. Наблюдаются ли такие процессы в природе и технике?

Ответ: В природе – нет, в технике – да.

3. Какие параметры газа меняются при сжатии?

Ответ: Давление возрастает, объем уменьшается, температура увеличивается.

4. О чем говорит второй закон термодинамики? Можно ли его сформулировать так: без совершения работы тепло переходит лишь от более нагретого тела к менее нагретому, а не наоборот?

Мощный расцвет промышленности и транспорта в 19 веке был связан с изобретением и совершенствованием тепловых двигателей. Наша цивилизация – машинная цивилизация, причем большая часть машин – это тепловые машины разных видов. Принцип их работы основан на законах термодинамики. Без тепловых двигателей жизнь общества резко затормозилась бы. Не ездили бы машины, не летали бы самолеты, электроэнергия была бы в дефиците… вот почему так важно изучить работу тепловых двигателей.

На уроке мы рассмотрим следующие вопросы:

· Определение понятия «тепловой двигатель»

· Устройство тепловых двигателей

· Принцип действия тепловых двигателей

· Применение тепловых двигателей

Идея создания теплового двигателя состоит в превращении части внутренней энергии тела (топлива) в механическую энергию других тел. Таким образом возникает возможность совершения механической работы.

Тепловой двигатель — устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую.

1. В каком случае термодинамическая система совершает работу?

Ответ: При расширении.

2. В каких процессах работа совершается наиболее эффективно?

Ответ: В изотермическом и адиабатном.

Идея преобразования внутренней энергии топлива в механическую работу состоит в следующем: внутренняя энергия топлива при его сгорании преобразуется во внутреннюю энергию высокотемпературного газа и при расширении газа частично превращается в работу.

· ДВС – двигатель внутреннего сгорания ( слайд 5)

· Турбореактивный ( слайд 6)

· Ракетный ( слайд 7).

Разные двигатели устроены по-разному, но у всех есть общие элементы:

1. Объект, который совершает работу – это газ, его называют рабочим телом.

2. Элемент по преобразованию внутренней энергии топлива во внутреннюю энергию газа – нагреватель.

3. Не вся энергия превращается в работу, часть ее отдается холодильнику.

Как обеспечивается постоянная работа теплового двигателя? С теоретической точки зрения процесс должен быть круговым, т.е. система должна возвращаться в первоначальное состояние. Рассмотрим машины, которые выполняют работу в результате реализации круговых процессов – циклов.

Цикл работы ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход и выхлоп, поэтому такой двигатель называют четырехтактным.

Проблему преобразования теплоты в полезную работу впервые исследовал Сади Карно в 1824 г. В своей работе он дал ответ на вопросы, актуальные и сейчас. Существует ли предел улучшения работы теплового двигателя?

Важнейшей характеристикой теплового двигателя является КПД – коэффициент полезного действия – отношение энергии, которая пошла на работу, ко всей энергии, полученной от сгорания топлива: h =

Разработка урока по теме «Принципы действия тепловых двигателей»

Муниципальное образовательное учреждение гимназия муниципального района

город Нерехта и Нерехтский район Костромской области

План урока по теме «Принципы действия тепловых двигателей» (10 класс).

Цель урока: раскрыть физические принципы действия тепловых двигателей, изучить основные типы двигателей, познакомиться с теоретическими аспектами повышения КПД тепловых двигателей. Выяснить экологическое воздействие тепловых двигателей на окружающую среду.

Задачи урока:

  1. Образовательные: продолжить формирование знаний, умений, навыков учащихся при изучении раздела «Термодинамика», изучить техническое применение законов теории.

  2. Воспитательные: содействовать формированию мировоззренческих идей о материальности мира, о познаваемости законов природы.

  3. Развивающие: содействовать формированию навыков сравнения, выделения главного и второстепенного в изучаемом материале, обобщения, логического мышления. 

Тип урока: Урок – объяснение нового материала

Оборудование: ТСО на базе интерактивной доски, комплект оборудования для проведения компьютерного демонстрационного эксперимента (лаборатория L-micro), Интерактивный курс физики «Открытая физика 1.1», презентационные иллюстративные материалы.

Ход урока

  1. Изучение нового материала.

(изложение теоретического материала сопровождается иллюстративным презентационным материалом (файл Princip_TD.ppt)).

Слайд 1

Основные части теплового двига­теля. В современной технике меха­ническую энергию получают глав­ным образом за счет внутренней энергии топлива. Устройства, в ко­торых происходит преобразование внутренней энергии в механическую, называют тепловыми двигателями.

Для совершения работы за счет внутренней энергии газа можно вос­пользоваться цилиндром, в котором расширяется газ и перемещает пор­шень. Газ, расширение которого вы­зывает перемещение поршня, назы­вают рабочим телом. Расширяется же газ потому, что его давление выше внешнего давления. Но при расширении газа его давление пада­ет, и рано или поздно оно станет равным внешнему давлению. Тогда расширение газа закончится, а сле­довательно, он перестанет совершать работу.

Слайд 2.

Как же следует поступить, чтобы работа теплового двигателя не прекращалась? Для того, чтобы дви­гатель работал непрерывно, необхо­димо, чтобы поршень после расшире­ния газа возвращался каждый раз в исходное положение, сжимая газ до первоначального состояния. Сжатие же газа может происходить только под действием внешней силы, кото­рая при этом совершает работу (сила давления газа в этом случае совершает отрицательную работу). После этого вновь могут происходить процессы расширения и

сжатия газа. Значит, работа теплового двигателя должна состоять из периодически по­вторяющихся процессов (циклов) расширения и сжатия.

В качестве примера рассмотрим принцип работы поршневого теп­лового двигателя, не останавливаясь подробно на его устройстве. В таком двигателе газ (рабочее тело) давит на поршень, который перемещается в цилиндре, как, например, в авто­мобильном двигателе. Для простоты рассуждений будем считать, что в двигателе используется все время од­на и та же порция газа.

Когда газ расширяется, он дви­жет поршень. Движение поршня пе­редается валу двигателя с сидящим на нем маховиком. Для сжатия газа поршень должен переместиться под действием внешней силы в противо­положном направлении. Это движе­ние совершается за счет кинетиче­ской энергии, запасенной маховиком в процессе расширения газа.

Если работа, совершаемая при сжатии газа под действием внеш­ней силы, по абсолютному значению равна работе, совершаемой при его расширении, то общая работа за цикл равна нулю. Отсюда следует, что если мы хотим получить полезную работу, то необходимо сделать ра­боту сжатия газа меньше работы расширения.

Для того же, чтобы работа при сжатии была по абсолютному зна­чению меньше работы расширения, нужно, чтобы каждому значению объема при сжатии соответствовало меньшее давление, чем при расшире­нии. Давление газа при одном и том же объеме тем меньше, чем ниже его температура. Поэтому газ перед сжа­тием должен быть охлажден. Для этого его необходимо привести в кон­такт с телом, имеющим более низкую температуру. Это тело называется холодильником.

Нагреватель, рабочее тело и хо­лодильник — основные части тепло­вого двигателя.

На рисунке 1 изображены гра­фически процессы расширения газа (линия АВ) и сжатия до первона­чального объема (линия CD). Работа газа в процессе расширения положительна (∆V>0) и численно равна площади фигуры ABEF. Работа газа при сжатии отрицательна (так как ∆V<0) и численно равна площади фигуры CDEF. Полезная работа за этот цикл численно равна разности площадей под кривыми АВ и CD (закрашена на рисунке).

II. Демонстрация циклического процесса в газе, состоящего из двух изотерм и двух изобар при помощи компьютерной измерительной лаборатории Lmicro.

Оборудование:

  • Прибор «Изотерма» с встроенным датчиком объёма газа.

  • Датчик абсолютного давления.

  • Шланг вакуумный (25 см).

  • Сосуд с водой (2 шт.).

  • Штатив.

  • Компьютерный измерительный блок.

  • Персональный компьютер.

  • Программное обеспечение компьютерной измерительной лаборатории «L-физика».

Краткое описание эксперимента:

Запускается программа L-физика, раздел «Молекулярная физика», «Газовые законы», «Циклический процесс» (фото 1 Приложение 1). После входа в режим проведения измерений и регистрации данных, сосуд с воздухом, прибор «Изотерма» с встроенным датчиком объёма и подсоединённым датчиком давления, опускается в сосуд с холодной водой (желательно с температурой 5 – 10 оС) (фото 3). Охлаждение газа осуществляется в течение 1 – 2 мин. Регистрирующие датчики фиксируют понижение давления при неизменном объёме (изохорный процесс). На экране дисплея компьютерного измерительного блока строится график. После установления теплового равновесия плавно, чтобы соблюсти изотермичность процесса, увеличивается объём газа до 65 мл. Датчики фиксируют увеличение объема при уменьшении давления газа. На экране дисплея строится изотермический участок процесса(фото 5). Затем сосуд с газом, прибор «Изотерма» помещается в сосуд с горячей водой (желательно с температурой 70 – 80 оС). Вновь ожидается установление теплового равновесия газа и жидкости. Датчики фиксируют увеличение давления газа при неизменном объёме. На экране дисплея строится изохорный участок процесса при более высокой температуре (фото 6). После установления теплового равновесия плавно уменьшаем объем газа до первоначального (40 мл). На экране строится изотермический участок, соответствующий более высокой температуре (фото 7). Затем сосуд с газом вновь опускается в сосуд с холодной водой до наступления теплового равновесия. Циклический процесс, отражаемый на дисплее компьютерной измерительной лаборатории, завершается (фото 8). После обработки результатов измерения на экран выводится значение работы, совершенной газом за цикл.

Акцентируется внимание учащихся, что значение работы газа меняет знак в зависимости от направления проведения циклического процесса (сначала сосуд с газом помещается в горячую воду, затем в холодную).

Таким образом, мы выяснили, что для получения при циклическом про­цессе полезной механической работы расширение газа (рабочего тела) должно происходить при более высо­кой температуре, чем сжатие, т. е. от нагревателя газ должен получить ко­личество теплоты Q1, которое больше количества теплоты Q2, отданного холодильнику при сжатии. Наличие нагревателя, рабочего тела и холо­дильника — принципиально необхо­димое условие для непрерывной цик­лической работы любого теплового двигателя.


Коэффициент полезного действия тепловой машины.

Рабочее тело, по­лучая некоторое количество теплоты Q1 от нагревателя, часть этого коли­чества теплоты, по модулю равную |Q2|, отдает холодильнику. Поэтому совершаемая работа не может быть больше А = Q 1 — | Q2 |. Отношение этой работы к количеству теплоты, полученной расширяющимся газом от нагревателя, называется коэф­фициентом полезного действия  теп­ловой машины:

Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше еди­ницы. Задача теплоэнергетики состо­ит в том, чтобы сделать КПД как можно более высоким, т. е. исполь­зовать для получения работы как можно большую часть теплоты, заим­ствованной от нагревателя. Как этого можно достигнуть?

Слайд 3. Тепловая машина с наибольшим КПД.

Мы знаем, что для совершения циклического процесса, кроме рабочего тела необходимы нагреватель и холодильник. Расширение газа должно происходить при более высокой, а сжатие — при более низ­кой температуре. Следовательно, газ перед сжатием должен быть охлажден. Но, с другой стороны, надо пом­нить, что для получения максималь­ной работы за счет внутренней энер­гии газа недопустимо его соприкос­новение с телом, температура которо­го отличается от температуры само­го газа. Ведь при соприкосновении двух тел с различными температу­рами часть внутренней энергии более нагретого тела необратимо перейдет к более холодному без совершения механической работы. Рабочее тело как раз и разделяет нагреватель и хо­лодильник. Какими же должны быть процессы расширения и сжатия, чтобы коэффициент полезного дейст­вия циклического двигателя был наи­большим при данных температурах нагревателя и холодильника?

Очевидно, при расширении или сжатии газа должны быть использо­ваны процессы, позволяющие исклю­чить уменьшение энергии горячего тела, которое происходило бы без со­вершения работы. Такие процессы су­ществуют — это изотермический и адиабатный процессы.

Адиабатный процесс протекает в условиях теплоизоляции, поэтому из­менение энергии рабочего тела проис­ходит только при совершении работы по изменению его объема. Изотерми­ческий процесс, как известно, проте­кает при постоянной температуре. Изотермичность процесса может быть обеспечена только в том слу­чае, если он протекает настолько медленно, что при малейшем расши­рении газа и незначительном пониже­нии при этом его температуры к не­му от нагревателя успевает поступить такое количество теплоты, которое тотчас же выравнивает их темпе­ратуры. Весь процесс расширения га­за происходит практически при по­стоянной температуре. Передача же

от нагревателя к газу некоторого количества теплоты происходит толь­ко при изменении его объема, т. е. при совершении работы.

Впервые наиболее совершенный циклический процесс, состоящий из изотерм и адиабат, был предложен французским физиком и инженером С. Карно в 1824 г.

Сади Карно искал пути решения актуальной для его времени задачи — установить причину несовершенства тепловых машин, найти пути наиболее эффективного их использования. Его труды — яркий в истории физики пример взаимного влия­ния науки и техники.

Цикл Карно.

Допустим, что сжа­тый газ, имеющий температуру ис­точника энергии Т1 (температуру на­гревателя), находится в цилиндре, стенки и поршень которого сделаны из теплоизоляционного материала, а дно — из материала с высокой тепло­проводностью. Объем, занимаемый газом, равен V1.

Приведем цилиндр в контакт с нагревателем (рис. 2, а). Предо­ставим газу возможность изотерми­чески расширяться и совершать работу (рис. 2, б). Газ получает при этом от нагревателя некоторое коли­чество теплоты Q1. Этот процесс графически изображается изотермой (кривая АВ, рис. 3).

Далее газ должен быть сжат, но, как уже было выяснено, при более низкой температуре, т. е. изотерма сжатия должна лежать на графике ниже изотермы расширения. Ведь только в этом случае работа сжатия будет меньше работы расширения. Но мы помним, что газ не следует охлаждать, приведя его в соприкосновение с более холодным телом, нужно исключить теплопередачу без совершения работы. Поэтому изотермический процесс расширения не доводят до конца хода поршня в цилиндре.

Когда объем газа становится равным некоторому значению V1’<V2, дно цилиндра изолируют от нагревателя (рис. 2, в), после этого газ расширяется адиабатно до объема 1/2, соответствую­щего максимально возможному ходу поршня в цилиндре (адиабата ВС, рис. 3). При этом газ охлажда­ется до температуры T2<T1.

Теперь охлажденный газ можно изотермически сжимать при температуре Т2. Для этого его нужно привести в контакт с телом, имеющим ту же температуру Т2, т. е. с холодильником (рис. 2, г), и сжимать газ внешней силой. Однако в этом процессе газ не вернется в пер­воначальное состояние — температура его будет все время ниже, чем Т1 Поэтому изотермическое сжатие доводят до некоторого промежуточного объема V2’>V1 (изотерма CD, рис. 3). При этом газ отдает холодильнику некоторое количество теплоты Q2, равное совершаемой над ним работе сжатия. После этого газ сжимается адиабатно до объема V1 (рис. 2, д), при этом его темпера­тура повышается до T1 (адиабата DA, рис. 3). Теперь газ вернулся в первоначальное состояние, при котором объем его равен V1, температура— Т1, давление — р1, и цикл можно повторить вновь.

Итак, на участке ABC газ совер­шает работу (A’>0), а на участке CDA работа совершается над газом (A’<0). На участках ВС и AD работа совершается только за счет изменения внутренней энергии газа

Поскольку изменение внутренней энергии ∆UBC= – ∆UDA, то и рабо­ты при адиабатных процессах равны: ABC’ = – ADA. Следовательно, полная работа, совершаемая за цикл, опре­деляется разностью работ, совершае­мых при изотермических процессах (участки АВ и CD). Численно эта работа равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла ABCD (рис. 3.16).

На участке АВ газ получает некоторое количество теплоты QT1 от нагревателя с температурой Т1, а на участке CD газ непременно от­дает при сжатии количество тепло­ты QT2 холодильнику с температурой Т2. Значит, в полезную работу фактически преобразуется только часть количества теплоты QT1, полу­ченной от нагревателя, равная qT1 — |qT2|Итак, в цикле Карно по­лезная работа A’ = QT1 – |QT2|.

Если же газ не охлаждать пе­ред сжатием и, следовательно, неко­торое количество теплоты не будет отдаваться более холодному телу, то полезная работа за цикл будет равна нулю. В этом состоит принципиальная особенность совершения механической работы тепловыми двигате­лями: невозможно все количество теплоты, полученной от нагревателя, преобразовать в работу при циклическом процессе. Неизбежно приходится какую-то часть этого количества теплоты отдавать третьему телу с более низкой температурой. Таким образом, мы еще раз убежда­емся, что для работы тепловых ма­шин недостаточно иметь только источник энергии (нагреватель) и рабочее тело. Необходимо еще иметь и третье тело с более низкой температурой (холодильник). Таким холодильником часто служит окружаю­щая атмосфера.

Итак, цикл Карно был на всех стадиях проведен таким образом, что нигде не было соприкосновения тел с различными температурами. Это исключило возможность теплопередачи без совершения работы. Поэтому цикл Карно — самый эффективный из всех возможных при данных температурах нагревателя и холодильника. Максимальный коэффициент полезного действия идеального цикла, как показал С. Карно, может быть выражен через температуру нагревателя 1) и холодильника (T2):

В реальных двигателях не удается осуществить цикл, состоящий из идеальных изотермических и адиабатных процессов. Поэтому КПД цик­ла, осуществляемого в реальных двигателях, всегда меньше, чем КПД цикла Карно (при одних и тех же температурах нагревателей и холодильников):

Из формулы видно, что КПД двигателей тем больше, чем вы­ше температура нагревателя и чем ниже температура холодильника.

Конечно, КПД был бы равен 100%, если бы температура холодильника была равна абсолютному нулю.

III. Исследвательское задание с использованием интерактивного курса физики «Открытая физика 1.1»

1.Используя интерактивную модель «Термодинамические циклы», приложения «Открытая физика», выяснить: в каком из треугольных процессов, коэффициент полезного действия за цикл окажется наибольшим? Диапазон изменения давления установить от 40 до 160 кПа, диапазон изменения давления от 5 до 40 дм3.

2. Как изменится КПД циклического термодинамического процесса, состоящего из двух изохор и двух изобар в случае уменьшения диапазона изменения объёма?

В каком случае изменение КПД значительнее: в случае изменения начальной границы изменения объёма или конечной?

Диапазон изменения давления 40 – 160 кПа,

Диапазон изменения объёма 5 – 40 дм3

Верхняя граница изменения объема уменьшена на 20 дм3.

Нижняя граница изменения объема уменьшена на 20 дм3

Цикличексий процесс

КПД

3. Как изменится КПД циклического термодинамического процесса, состоящего из двух изохор и двух изобар в случае уменьшения диапазона изменения давления?

Диапазон изменения давления 40 – 140 кПа,

Диапазон изменения объёма 5 – 40 дм3

Верхняя граница изменения давления уменьшена на 40 кПа..

Нижняя граница изменения давления уменьшена на 40 кПа.

Цикличексий процесс

КПД

4. Исследуя интерактивную модель «Цикл Карно», приложения «Открытая физика» выяснить, как изменяется КПД идеальной тепловой машины при изменении температуры нагревателя и холодильника? Какой способ увеличения КПД тепловых двигателей Вы предложите?

Т1 = 480 К,

Т2 = 350 К

Уменьшили температуру холодильника

Т1 = 480 К,

Т2 = 270 К

Увеличили температуру нагревателя

Т1 = 600 К,

Т2 = 350 К

Цикличексий процесс

КПД

Способы увеличения КПД в современных тепловых двигателях

В современных двигателях обыч­но КПД увеличивают за счет повышения температуры нагревателя. В мощных паровых турбинах в настоящее время используют пар, температура которого достигает 600 °С. В газовых турбинах температура газа до­стигает 900 °С. Дальнейшее повышение температуры нагревателя огра­ничивается отсутствием достаточно жаростойких материалов. Холодильниками этих двигателей служит атмосфера с температурой порядка 20 °С. Вычисленный по формуле КПД тепловых машин при указанных температурах нагревате­ля и холодильника должен был бы достигать 66—75%, реальный же КПД этих двигателей равен 30— 35%.

IV. Экологические проблемы использования тепловых двигателей.

(сообщение, приготовленное учащимися, сопровождается презентационным материалом (файл Ekologija_TD.ppt)) Приложение № 2.

V. Закрепление нового материала.

Учащимся предлагается ответить на следующие вопросы:

  1. Из каких основных компонентов состоит тепловой двигатель?

  2. Каково назначение нагревателя и холодильника теплового двигателя?

  3. Почему КПД даже идеальной тепловой машины всегда меньше 100%?

  4. Чем ограничено достижение максимального КПД теплового двигателя?

VI. Домашнее задание § 84, Учащимся предлагается подумать над проблемой улучшения экологической безопасности современных тепловых двигателей.

Приложение 1

Проведение демонстрационного эксперимента «Циклический процесс в газе с использованием компьютерной измерительной системы Lmicro.



Фото 8. Поместим установку вновь в сосуд с холодной водой. Дождёмся наступления теплового равновесия. На экране строится изохора, завершающая циклический процесс.


Тепловые двигатели – обзор

2.1. Тепло как производственный инструмент и инструментальный реагент

Понятие огня (свет, пламя, пламя, теплота, калория и, в последнее время, даже энергия) полностью признается как интегрирующий элемент, рудиментарный на пути упорядочивания материи и общества [41] . Она имеет давнюю историю, пройдя через несколько неравных этапов в развитии цивилизации. Из хроник взаимодействия общества с огнем можно условно выделить около четырех периодов.Пожалуй, самым долгим веком можно назвать период без огня , так как первые люди боялись огня/пламени (как дикие звери), но, тем не менее, со временем обрели первые ощущения тепла и холода. Возраст первого рукотворного камина составляет около 300 000 лет, но артефакты из пепла, оставшегося от различных сгоревших поленьев (очевидно, неестественно составленного ранним человеком), могут быть даже связаны с доисторическим homo erectus , датируемым полтора миллиона лет назад. ( Кооби Фора, Кения ).Другая длительная эпоха была связана с ростом непрерывного опыта с использованием огня , который фактически помог окончательно отделить людей от животных (огонь как оружие или как сознательный источник тепла), существенно помогая приготовлению мяса как чтобы сделать его более легко усваиваемым. Связанное с этим развитие кулинарии также расширило ассортимент вкусных продуктов и позволило тратить больше времени на другие занятия, помимо охоты.

Определенный прогресс произошел с недавним, но коротким периодом добывания огня, до которого предшествовало использование огня , которое включало приручение огня и его использование в качестве инструмента и источника энергии до нынешнего использования тепла в качестве источника энергии. инструментальный реагент.Даже способность использовать огонь для многих конкретных целей обусловлена ​​наименьшим пламенем, определяемым балансом между объемом доступного горючего материала и площадью поверхности, на которой воздух/кислород может подпитывать реакцию горения. По мере того, как объем горючего материала становится меньше, поверхность становится слишком маленькой для сохранения пламени, и оно гаснет. Небольшие устойчивые языки пламени хорошо подходят для нужд существ человеческого размера , на их высоту влияет направленная вниз сила гравитации.Противоположное направление (плавучесть) тепла рассматривалось как сила, противоречащая гравитации, удерживающая привязанных к земле людей, заставляющая все тела кончать в покое (т. е. эквивалентность движения и покоя для брошенного камня). Более того, люди были свидетелями того, что небольшое возгорание (искра, толчок) может привести к катастрофическим последствиям (пожары, лавины), т. е. уникальные обстоятельства (сингулярность) могут уступить место скрытой в системе скрытой потенции.

Было обнаружено любопытным, но уместным, что наша земная атмосфера содержит агрессивные газы, такие как кислород, которые должны легко вступать в реакцию, но вместо этого сосуществуют и образуют смесь, далекую от химического равновесия, представляя, таким образом, открытую, неравновесную систему, характеризующуюся постоянным неоднородным потоком. энергии и материи.Доля свободного кислорода в конечном итоге стабилизировалась на уровне 21%, что в значительной степени определяется его диапазоном воспламеняемости. Если уровень упадет ниже 15%, организмы не смогут дышать, и горение будет затруднено, а при превышении 25% возгорание может стать самопроизвольным, и по всей планете могут бушевать пожары. Кислород, по сути, был токсичным побочным продуктом изначально массивного фотосинтеза сине-зеленых бактерий (при расщеплении молекул воды на их компоненты), и его повышенное «загрязнение» атмосферы привело к самоуничтожению этих бактерий (рассматриваемому как значительное «глобальная катастрофа»).

Самые ранние изобретения человечества всегда были связаны с применением огня для получения и/или обработки не только продуктов питания, но и получения природных или обработанных материалов для придания им полезного или декоративно-привлекательного вида. Первые рукотворные артефакты были вылеплены вручную из глины, известной еще примерно за 15 000 лет до нашей эры, а первобытные керамические предметы появились 7 000 лет спустя в период мезолита. Название «керамика» происходит от греческого слова «keramos», , т. е. гончарная глина или сосуд, но его происхождение может быть еще более древним, от санскрита, где подобное слово означает «обжиг».«Гончарный круг» — великое изобретение Месопотамии, относящееся к 3-му тысячелетию до нашей эры, которое способствовало значительному улучшению керамических технологий и культурной жизни.

На основе опыта производства глазурованной керамики путем выплавки медных руд и приготовления минеральных красителей, люди открыли способ получения эмалированных поверхностей путем плавки на огне легкодоступной смеси кремнезема, песка, извести, золы, соды и поташа . Первые шаги в этом направлении были сделаны еще около 7000 лет назад, когда были приняты на вооружение 90 005 природных стекол, 90 006 «тектитов» (предположительно метеоритного происхождения), обсидианы (стекловидные вулканические породы), «пемза» (пеностекло образуется газами, выделяющимися из раствора в лаве) и «лешательерит» (плавленый кварц в пустынях в результате осветления ударяющегося песка или удара метеорита).На протяжении всей истории считалось, что стекло имеет магическое происхождение: достаточно было взять большое количество песка и пепла растений и, подвергая их воздействию огня, превращать их в расплав, который при охлаждении мог бы принимать бесконечное множество форм, которые могли бы затвердевать в прозрачный материал с видом твердой воды, гладкий и прохладный на ощупь, был и остается магией стекольного искусства.

Изобретение рукотворного стекла было совершено где-то на восточном побережье Средиземного моря до 3000 г. до н.э., но ни одного полого стеклянного сосуда, датируемого ранее второго тысячелетия до н.э., не найдено.Технология изготовления стекла достигла высокого уровня совершенства в Месопотамии и Египте, особенно где-то в 500 г. до н.э., когда было изобретено одно из самых важных изобретений, «дудка» , (около 50 г. до н.э., вероятно, в Сирии), которая превратила стекло в дешевый товар и послужил стимулом для распространения изделий из стекла по всей Римской империи.

Почти столь же стара и технология вяжущих материалов, получаемых обжигом извести, для приготовления известково-гипсовых растворов. Эти материалы уже использовались в Финикии и Египте около 3000 г. до н.э.Именно римляне изобрели бетон из извести с гидравлическими добавками, известными как «пуццолана», и вулканического туфа. В г. Месопотамии г. опыт обжига керамики применялся также для плавки меди, а позднее золота и серебра, что привело, наконец, к металлургическому выделению меди из оксидных руд. Однако медь была известна в Белуджистане уже к 4000 г. до н.э., а бронза – к 3500 г. до н.э. Около 2500 г. до н.э. были обнаружены превосходные свойства сплава меди (серебро, золото, мышьяк), затем олова в 1500 г. до н.э. и железа примерно 500 лет спустя.Около 3000 г. до н.э. также появились статьи о свинце, а начиная с 2500 г. до н.э. индийцы стали монополизировать металлургию. Если бронзы представляли собой смешанные фазы, приготовленные преднамеренно, то примесь углерода в чугун, а затем и в сталь была введена случайно, и его уникальная роль до недавнего времени не могла быть объяснена. Даже древнекитайские металлурги ясно понимали, что относительное количество меди и олова в бронзе должно варьироваться в зависимости от того, для чего предназначались изделия.

Железо можно было плавить и лить уже примерно к 500 г. до н.э., а сталь появилась уже к 200 г. до н.э. в зависимости от термической и механической обработки. Средневековое умение персов ковать мечи исключительного качества основывалось на умении отливать биметаллические полосы малой (жесткой) и высокой (хрупкой) углеродосодержащей стали с последующим их длительным механическим взаимопроникновением. Весь этот прогресс был тесно связан с навыками и знаниями мастеров, работающих с огнем, таких как кузнецы по металлу, которые должны были иметь экспериментальное ноу-хау, например, насколько интенсивным должен быть огонь, чтобы сделать металл ковким, как быстро закалить слиток и как изменить тип горна в соответствии с используемым металлом.

Оперативные материалы, называемые материалами, всегда играли важную роль в формировании и прогрессе цивилизаций [7, 9]. Он всегда был связан с соответствующим уровнем общения (общение) и понимания (информация). Мы можем узнать об их истории из археологических раскопок, а также из недавних свалок и мусорных контейнеров. Недавний колоссальный рост определенных групп индивидуалистических материалов со временем неизбежно будет ограничен в пользу тех материалов, которые способны перерабатывать себя, таким образом, создавая наименьшую угрозу для природы.

Применимость материалов традиционно основывается на обработке их исходной («литой») массы для придания окончательной и усовершенствованной структуры. Сегодняшняя наука, однако, стремится максимально точно имитировать естественную обработку и, таким образом, меньше тратит впустую, размещая определенные части в соответствующих местах. Эта способность лежит в основе разработки так называемых «нанотехнологий». Ученые давно мечтают построить микроскопические машины, такие как двигатели, клапаны или датчики на молекулярном уровне.Их можно было бы имплантировать в более крупные структуры, где они могли бы выполнять свои невидимые функции, возможно, контролируя внутренние потоки или даже некоторые жизненно важные биологические функции. Например, недавно созданные дендримеров, древовидных синтетических молекул, могут обладать способностью захватывать более мелкие молекулы в свои полости, что делает их идеальными для борьбы с биологическими и химическими загрязнителями. Считается, что со временем они смогут обнаруживать раковые клетки и уничтожать их, доставляя определенное лекарство или генную терапию.Они могут стать способными проникать в лейкоциты астронавтов в космосе для обнаружения ранних признаков радиационного поражения и даже могут действовать как сканеры токсикантов в борьбе с биотерроризмом.

Живые конструкции становятся все более и более наглядным примером, особенно при условии синергии различных компонентов в комбинированных материалах. Такие композиты распространены не только в природе, но и известны в человеческом искусстве: от вавилонских времен (3000 г. до н.э.), когда использовался пропитанный смолой папирус или ткань, вплоть до недавнего времени, когда на обледенелых аэродромах Гренландии применялись сэндвич-композиты из упрочненного хрупкого льда. слоями газеты.Похоже, что мы должны следовать моделям наиболее эффективных природных композитов, таких как полые фибриллы в целлюлозной матрице, из которых состоит древесина, или коллагеновые волокна, такие как гидроксиапатит, содержащийся в наших зубах.

В воспроизводимости технологических процессов решающую роль в прогрессе цивилизаций сыграло искусственное производство стекла и цемента (первоначально вулканического и шлакового) и железа (преимущественно метеоритного), производство которых в последнее время достигло колоссального уровня 10 11 кг в год (при общей мировой потребности в источниках энергии около десяти гигатонн нефтяного эквивалента).Воспроизводимость технологических процессов, в которых керамика и металлы обрабатывались для получения желаемых изделий, могла быть обеспечена только опытными знаниями (информация, хранение данных), а также вытекающими из них привычными методами измерения. Его развитие могло произойти только после того, как люди научились мыслить абстрактными категориями, такими, какие используются в математике, начало которой относится еще к четвертому тысячелетию до нашей эры. Производство стало возможным только после того, как оно созрело для сознательной детерминации, сохранения постоянных и оптимальных величин, таких как массовые соотношения вводимого сырья.Таким образом, как и другие, египтяне знали весы с двойным плечом еще в 3000 г. до н.э. Представление о равенстве моментов как сил, действующих на концы равноплечего рычага, несомненно, было одним из первых физических законов, открытых человеком и примененных на практике. Взвешивание (вливание воды) даже использовалось как удобное средство для более точного измерения временных интервалов.

Помимо роста индустриализации, мы также должны понимать, что чем более мощными и далеко идущими являются преимущества технологии, тем более серьезными являются побочные продукты неправильного использования или неудачи технологий.Чем больше хаотичности может привнести перспективный производственный процесс, тем дальше его продукты отклоняются от теплового равновесия и тем труднее обратить вспять процесс, породивший их. По мере того, как мы проецируем будущее растущего технического прогресса, мы можем столкнуться с будущим, которое является продвинутым, но все более опасным и восприимчивым к необратимым катастрофам.

Чтобы добиться технического прогресса, человечество должно было освоить прогрессивные методы получения достаточно высоких температур.Сначала они применили регулируемый нагрев не только с помощью закрытых печей, но и с помощью сидячих печей или плавильных печей в регионах, подверженных сильным ветрам. Роль воздуха нужно было понять, чтобы координировать процесс горения. Также было жизненно важно поддерживать постоянную определенную температуру; следовательно, было необходимо ввести некоторые ранние экспериментальные температурные шкалы. Взаимосвязь между входными смесями, режимом огневой обработки и результирующими свойствами была первоначально выявлена, а затем экспериментально проверена при приготовлении других соединений, таких как лекарства, красящие материалы и, что не менее важно, в кулинарии.Все это привело к раннему признанию трех принципов ранней термической обработки и анализа [44], т. е. количество огня (температура) может быть уравновешенным, прикладной огонь по-разному воздействует на разные материалы, и что материалы стабильны при обычных условиях. температуры могут реагировать, чтобы дать новые продукты при обжиге.

Понятно, что огонь всегда играл значительную роль как явный инструмент либо в форме промышленной силы (применяемой людьми в качестве рабочих материалов давным-давно в процессе производства товаров), либо позже как инструментальный реактив (для современного анализа свойств материалов).В отличие от механической машины, совершающей полезную работу за счет потребления потенциальной энергии, получаемой из окружающего мира, было признано, что всякое практическое использование теплоты должно включать в себя изменения, происходящие в самой исследуемой системе. В принципиальной области динамомеханики (в идеальном мире, отстраненном от возмущений, вызванных, например, трением) эффективность взаимных преобразований между потенциальной и кинетической энергиями может приближаться к теоретической 100%.

Тепловые двигатели, однако, не могут быть только пассивным механизмом – они просто защищают два компонента с разными температурами от контакта или нет в нужный момент друг с другом (аналогично ограничению двух частей, движущихся с разными скорости, входить или не входить в требуемый механический контакт друг с другом).Мы должны помнить, что обратимые изменения дают возможность воздействовать на систему и управлять ею — исходная обусловленность может ограничивать динамику объекта. Аналогичным образом может быть задано модельное термодинамическое поведение, если для равновесного состояния доступны четко определенные обратимые изменения. Поэтому всякая необратимость воспринимается негативно, так как реализуется живыми неудержимыми изменениями, когда система выходит из-под стандартного контроля. Отсюда следует, что тепловыми системами можно управлять лишь частично; случайно они могут прийти к спонтанной стадии неожиданного характера.

Рис. 7. Самый необычный способ обращения с внешними отходами естественным образом проделывает священный скарабей в Египте (слева). Этот торговец таблетками известен тем, что использует экскременты других животных довольно оригинальным способом, одновременно упражняясь в искусных движениях ног, чтобы сформировать и скатать шарик из экскрементов других животных. Такой биологический прототип обращения с отходами, который природа создала путем длительной оптимизации, является лучшей моделью для нашей обработки отходов и дает возможность предвещать символическое продвижение более налаженного процесса футуристической переработки отходов жизнедеятельности человека.(Кроме того, покровы жука изготовлены из самых прочных и долговечных композитных материалов, что опять-таки заслуживает повышенного внимания инженеров-материаловедов для лучшего пошива материалов и использования нанотехнологий.) С другой стороны, прогресс цивилизации сделал возможным расширение человечества. его эксплуатация огня (справа) до такой степени, что Земля наводнена избытком отработанного тепла и его побочного материала, мусора. Однако он выступает против первостепенной роли природных пожаров, которые изначально способствовали созданию ландшафтов за счет регулярного выгорания локальных участков из-за молнии.Благодаря пожарам удалось сохранить сельскую мозаику и разнообразие растений, а с другой стороны, благодаря мозаичной структуре, масштабы ущерба от пожаров ограничены на местном уровне. Однако этот естественный ход был нарушен искусственными лесами и монокультивированием в связи с сельским хозяйством, что делает национальные пожары более разрушительными в региональном масштабе. Еще более радикальной тенденцией является окончательное небытие леса, когда земля сплошь вырубается и используется под производство, что препятствует природным циклам, просто производя антропогенный мусор, бесполезный (и даже вредный) с точки зрения экосистемы.

Какие части и компоненты тепловой машины?

В этом разделе мы описываем различные части теплового двигателя. Тепловые двигатели имеют много типов, однако мы сосредоточимся на дизельном двигателе и бензиновом двигателе (цикл Отто).

Несмотря на то, что это разные двигатели, они имеют много общих частей, поэтому представленная схема будет служить для обозначения номенклатуры каждого элемента.

Важнейшие элементы двигателей внутреннего сгорания, общие для дизельных двигателей и двигателей внутреннего сгорания, подразделяются на две основные группы:

  • Неподвижные элементы теплового двигателя: блок, головка блока цилиндров, картер.
  • Подвижные элементы теплового двигателя: поршень, шатун, коленчатый вал и маховик.

 

1.- Скамейка.
2.- Цилиндр.
3.- Поддон маслобака
4.- Коленчатый вал.
5.- Шатун
6.- Плунжер
палец 7.- Поршень.
8.- Кольца компрессионные
9.- Коленчатый вал
10.- Свеча зажигания.
11.- Пружина клапана
12.- Распределительный вал
13.- Коромысло
14.- Выпускной клапан
15.- Впускной клапан
16.- Клапанная головка

Цилиндр представляет собой емкость цилиндрической формы, в которой поршень движется с альтернативным прямолинейным движением. Цилиндр является частью блока цилиндров или моноблока, как его раньше называли. Это, в свою очередь, является частью станины, которую мы можем рассматривать как основную конструкцию двигателя. Во многих случаях блок цилиндров отделяется от станины, с которой он соединяется болтами.

Верхняя часть цилиндра закрыта головкой блока цилиндров.

Объем в цилиндре между головкой блока цилиндров и поршнем представляет собой камеру сгорания, в которой сгорает смесь воздуха и топлива, то есть активная жидкость.

Что такое неподвижные элементы тепловой машины?

Блок двигателя

Блок — элемент, содержащий цилиндры. Внутри блока двигателя находятся приводные элементы (поршни, шатуны и коленчатый вал), который служит опорой или скамьей. Как правило, изготавливается из серого чугуна (сплав железа с содержанием углерода от 2 до 4.5%) или алюминиевого сплава. Форма и размеры зависят от количества и расположения цилиндров.

Снаружи блока крепятся остальные элементы конструкции теплового двигателя: головка блока цилиндров вверху и картер внизу. На одном конце расположены элементы управления распределительными и вспомогательными органами двигателя, такими как генератор переменного тока, компрессор кондиционера и т. д., а на противоположном конце коробка передач.

В блоке также элементы для крепления двигателя к шасси, опоры, имеющие упругие элементы для поглощения вибраций двигателя, что предотвращает их передачу на кузов.

Цилиндры двигателя

Цилиндры являются наиболее важной частью блока. Внутри цилиндра поршень перемещается между крайними положениями (верхняя мертвая точка PMS и нижняя мертвая точка PMI), которые он занимает при своем возвратно-поступательном движении.

В случае бензинового двигателя (цикл Отто) обязательно наличие свечи зажигания. В этом случае свеча зажигания будет отвечать за создание искры внутри цилиндра, чтобы начать воспламенение топлива, в данном случае бензина.

В соответствии с процедурой получения цилиндров мы различаем три типа блока:

  • Цельный блок: Цилиндры изготавливаются из материала одного блока.
  • Блок сухих гильз: В этом случае в каждое отверстие блока вставляется тонкостенный цилиндр или гильза. Эти вкладыши запрессовываются, соприкасаются со стенкой блока, так что их можно охлаждать.
  • Блок мокрых гильз: Гильзы имеют толстые стенки и находятся в прямом контакте с охлаждающей жидкостью, которая представляет собой настоящий цилиндр.Они легко снимаются и снабжены уплотняющими прокладками, предотвращающими попадание жидкости на почтальона.

Головка блока цилиндров двигателя

Головка блока цилиндров крепится винтами или шпильками на верхней плоскости блока. Головка блока цилиндров служит водонепроницаемой крышкой для цилиндров, поскольку в ней находится вся или часть камеры сгорания, за исключением случая, когда она образована в головке поршня.

Клапаны устанавливаются в числе прочих элементов в 4-тактный двигатель с механизмами их приведения в действие; элементы зажигания и впрыска, впускной и выпускной коллекторы и т.д.В головке блока цилиндров также механически обработаны камеры охлаждающей жидкости.

Головки цилиндров обычно изготавливаются из алюминиевого сплава, материала с низким удельным весом и хорошей теплопроводностью, что позволяет быстро отводить тепло. Головки блока цилиндров для 2-х тактного двигателя (мотоциклы с малым объемом цилиндров) устроены проще, так как не имеют раздатки, и многие имеют воздушное охлаждение.

Для обеспечения идеального уплотнения между головкой блока цилиндров и блоком цилиндров и с учетом того, что он должен выдерживать высокие давления и температуры, между двумя элементами, называемыми прокладками головки цилиндров, делается прокладка из синтетических волокон вместо асбест, очень вредный для здоровья.

Поддон

Картер представляет собой емкость, в которой находится смазочное масло от теплового двигателя. Он крепится к нижней части блока с помощью винтов и с прокладкой для облегчения герметизации. Обычно он изготавливается из листовой стали, хотя может быть и из алюминиевого сплава, благодаря хорошей теплопроводности этого металла и снижению уровня шума двигателя.

Внутри картера имеются перегородки для остановки движения масла во время движения автомобиля.Внизу добавлена ​​завинчивающаяся крышка для слива масла.

Что такое движущиеся элементы тепловой машины?

Поршень

Поршень представляет собой подвижный элемент, который перемещается внутри цилиндра с альтернативным прямолинейным движением. Это движение создается в момент взрыва силой газов, а в другое время — шатуном. Он состоит из двух частей: головы и юбки. Головка воспринимает давление, вызванное взрывом, и работает при очень высоких температурах (от 300 ºC до 400 ºC).Он имеет канавки, в которых размещаются сегменты, обеспечивающие уплотнение. Обычно он изготавливается из алюминия со сплавами меди, кремния и никеля для его упрочнения.

Поршень крепится к шатуну с помощью болта, что обеспечивает колебательное движение между двумя элементами. Болт изготовлен из цементированной стали, материала высокой твердости и ударной вязкости, и имеет форму полого цилиндра для облегчения его веса и, следовательно, для уменьшения инерции.

Сегменты

Представляют собой упругие кольца, расположенные в переменном количестве на канавках, выполненных в головке поршня.

Выполняют следующие функции:

  • Обеспечивают герметичность и смазку цилиндра.
  • Отвод тепла в цилиндр.
  • Предотвращает попадание масла в камеру сгорания.

Есть два типа: сжатие и ontaje.

Компрессионные сегменты: обычно монтируются два, противопожарный и уплотнительный:

  • Противопожарный сегмент: устанавливается в самой высокой части головки поршня и подвергается очень жестким условиям работы из-за давления и высоких температур. которым она подвергается.Для повышения стойкости его обычно покрывают хромом.
  • Водонепроницаемый сегмент: располагается после противопожарного сегмента и обычно имеет коническую форму. Самый большой сегмент ниже. Он подвергается менее жестким условиям, чем пожарный сегмент.

Сегмент мази: расположен после уплотнительного сегмента и имеет по периферии ряд

Прорези, которые позволяют собирать масло, осевшее на стенках цилиндра, во время вытеснения

От поршня и направлять его в поршень к смазать болт.

Белый

Шатун передает на коленчатый вал силу, с которой взрыв газов толкает поршень. В то же время он является частью набора, преобразующего альтернативное прямолинейное движение во вращательное. Обычно он изготавливается из сплава углеродистой стали с хромом, марганцем или молибденом.

Состоит из трех частей: головы, тела и ноги. Головка — это та часть, которая крепится к коленчатому валу через промежуточные шатунные полуподшипники, также называемые антифрикционными.Корпус имеет двойной Т-образный или Н-образный профиль; и он подвергается большим растягивающим, сжимающим и изгибающим напряжениям, а верхняя часть, называемая опорой шатуна, образует соединение с поршнем через болт и с промежуточным положением бронзового подшипника.

Коленчатый вал

Коленчатый вал воспринимает силы, возникающие при взрыве, и преобразует посредством шатуна возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение. Он передает движение и движущую силу на связанные с ним элементы трансмиссии.Он подвергается нагрузкам при кручении и изгибе и имеет прочную и очень устойчивую структуру. Коленчатые валы, которые можно получить методами литья или ковки, изготавливают из стали со сплавами Cr, Ni, Mo и др.

Коленчатый вал состоит из опор, обычно пяти для рядного четырехцилиндрового двигателя, к которым крепятся к блочной кровати. У него также есть колена, называемые цапфами, к которым крепятся шатуны. В продолжении каждого колена находятся противовесы, служащие для уравновешивания коленчатого вала.На одном конце коленчатого вала установлена ​​шестерня ГРМ, а на другом — маховик.

Маховик

Маховик выполняет функцию накопления кинетической энергии для плавного и упорядоченного вращения теплового двигателя. Эта энергия аккумулирует ее во время движения (взрыв) и передает ее во время пассивного или резистивного времени (впуск, сжатие и выпуск). №

Маховик изготовлен из серого чугуна, а по периферии — герметичная дверца, зубчатый венец из штампованной и цементированной стали, на котором установлен электрический стартер автомобиля.Его вес и габариты идеально рассчитаны для каждого типа двигателя.

Тепловая машина – введение, типы, детали и часто задаваемые вопросы

Тепловая машина – это устройство, которое превращает тепло в механическую энергию, которую затем можно использовать для выполнения работы. Это достигается за счет понижения температуры рабочего тела от более высокой температуры состояния. Источник тепла производит тепловую энергию, которая повышает температуру рабочего тела. Рабочее тело производит работу в рабочем органе двигателя, отдавая тепло более холодному стоку, пока не достигнет низкотемпературного состояния.

Используя свойства рабочего тела, часть тепловой энергии в ходе этого процесса превращается в работу. В качестве рабочего тела может быть использована любая система с ненулевой теплоемкостью, однако чаще всего это газ или жидкость. Некоторое количество тепла обычно теряется в окружающей среде во время этого процесса и не преобразуется в работу. Трение и сопротивление также делают часть энергии неэффективной.

Типы тепловых двигателей

Тепловые двигатели классифицируются в соответствии с концепцией, регулирующей их работу.Несмотря на то, что все идеи исходят из термодинамики, каждый тип тепловой машины преобразует тепловую энергию в механическую работу по разным принципам. Ниже приведены примеры различных типов тепловых двигателей, встречающихся в термодинамике:

  1. Двигатель внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС или двигатель внутреннего сгорания) представляет собой тепловой двигатель, в котором топливо сжигается в камере сгорания, являющейся частью схема протока рабочей жидкости с окислителем (обычно воздух). Расширение высокотемпературных и высоконапорных газов, образующихся при сгорании, воздействует непосредственно на компонент двигателя внутреннего сгорания.Поршни, лопатки турбины, ротор или сопло обычно являются объектами воздействия силы. Эта сила приводит в движение, перемещает или приводит в действие все, к чему прикреплен двигатель, путем преобразования химической энергии в полезную кинетическую энергию. Для приложений, где вес или размер двигателя имеют решающее значение, он заменил двигатель внешнего сгорания.

  2. Двигатель Стирлинга. Двигатель Стирлинга — это тепловой двигатель, который работает за счет циклического сжатия и расширения воздуха или другого газа (рабочей жидкости) при различных температурах, преобразуя тепловую энергию в механическую работу.Двигатель Стирлинга, в частности, представляет собой регенеративную тепловую машину замкнутого цикла с постоянным газообразным рабочим телом.

Части тепловой машины-

Есть 3 важные части тепловой машины, а именно:

  1. Источник- Должен быть источник тепла с бесконечной теплоемкостью, который поддерживается при постоянной высокой температуре так что какое бы количество тепла ни было взято или добавлено к нему, оно не влияет на его температуру.

  2. Рабочее вещество. Это должно быть какое-то вещество, которое поглощает или отводит тепло в раковину.Это действующее вещество.

  3. Поглотитель. Должен существовать поглотитель с конечной теплоемкостью, и он должен поддерживаться при постоянной высокой температуре, чтобы к нему не отводилось и не подавалось никакого количества тепла, а температура не менялась.

Что такое идеальная тепловая машина?

Невозможно построить тепловую машину, единственной целью которой является поглощение тепла из высокотемпературной среды и преобразование всего этого в работу.

То есть нет возможности сконструировать тепловую машину, не выделяющую тепло в атмосферу.

В качестве альтернативы невозможно создать тепловую машину с КПД 1,00 или 100 %.

Заключение

Это все о тепловом двигателе, его различных типах и о том, как определить идеальный двигатель. Узнайте, как работает двигатель, и хорошо усвойте концепцию.

Эффективность, двигатель Карно, типы, детали

Что такое тепловой двигатель?

Тепловая машина может быть описана как устройство, преобразующее химическую энергию топлива в тепловую энергию, которая используется для выполнения другой работы.Тепловая машина преобразует заблокированную энергию топлива в силу и движение.

Используемые виды топлива: уголь, бензин, природный газ, древесина и торф. При сгорании в двигателе они высвобождают накопленную энергию, используемую для питания локомотивов и заводского оборудования. Отсюда и название тепловая машина, так как при сгорании топлива выделяется накопленное тепло.

Класс 11 Физика Термодинамика: важные вопросы

Функции тепловой машины

Работа тепловой машины заключается в преобразовании тепловой энергии в полезную механическую работу.

Это можно сделать, взяв рабочее вещество. Сначала его нагревают до высокой температуры, а затем охлаждают. Таким образом, мы можем извлечь выгоду из тепловой машины. Независимо от вида тепловых двигателей и циклов, единственной основной функцией тепловой системы является преобразование тепловой энергии в полезную механическую работу.

Типы нагревательных двигателей

Отопительные системы бывают двух видов, первый из которых — это двигатель внутреннего сгорания, а другой — двигатель внешнего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания включает сжигание топлива в системе, т. е. эти двигатели работают, когда топливо сжигается в двигателе или когда происходит сжигание ископаемого топлива. Двигатель внутреннего сгорания работает по принципу цикла Отто, и устройство, необходимое во время этой процедуры, обычно представляет собой поршень.

  • Поршень отвечает за подачу топливно-воздушной смеси в тепловую машину, что является самым первым этапом процесса.Эти поршни вращаются вертикально внутри цилиндров тепловых двигателей. Это однократное движение поршня вверх или вниз внутри цилиндра известно как ход .
  • На втором этапе смесь чрезвычайно адиабатически сжимается.
  • На третьем этапе он проходит через процесс воспламенения, который резко повышает величину давления и температуры.
  • С ростом температуры поршень снова очищает газы по мере расширения процесса.

Двигатель внешнего сгорания

Эти тепловые двигатели работают, когда топливо сжигается вне двигателя или где сгорание топлива происходит вне двигателя. Здесь внутреннее рабочее тело нагревается за счет внешнего сгорания через стенку двигателя. За счет расширения и работы над механизмом двигателя это приводит к движению, создаваемому жидкостью, и полезной работе.

  • Как и в двигателе внутреннего сгорания, здесь также поршень отвечает за всасывание топливно-воздушной смеси в тепловую машину и ее подачу в первый цилиндр.
  • Газ в первом цилиндре нагревается до высокой температуры, что приводит к повышению давления. Его снова собирает Поршень, который превращает его в работу. Затем он перемещается в другой цилиндр.
  • Газ отличается от предыдущего уровня и также прост.
  • Теперь здесь будет выполняться операция охлаждения газа. Холодный резервуар помогает охлаждать газ перед его сжатием.
  • Наконец, сжатый газ возвращается в исходную камеру, где он собирается и преобразуется в производительную работу с помощью поршня.

Идеальная система отопления

Идеальная система отопления – это система, в которой все процессы выполняются циклически. Это означает, что где бы он ни останавливался снова, он заканчивается с этой самой точки. Идеальная система отопления включает в себя все обратимые процессы. Двигатель Карно является примером идеальной системы отопления.

Тепловой двигатель: детали

Оборудование теплового двигателя состоит из трех основных компонентов, каждый из которых служит для преобразования тепловой энергии в механическую работу.

Источник (высокая температура)

Является основным компонентом тепловой машины.

Иногда его называют горячим телом, поскольку основная функция тепловой машины заключается в преобразовании тепла в механическую работу. В результате источник подается в устройство для сбора тепла. Он всегда поддерживается с неограниченной теплоемкостью, что позволяет ему оставаться стабильным даже после создания значительного количества тепла.

Рабочий объект

Количество тепла, подаваемого к горячему источнику, будет собираться этим функционирующим материалом, которое может варьироваться.Функция же, с другой стороны, состоит в том, чтобы собирать из горячего источника и передавать его в сток.

Поглотитель тепла (при более низкой температуре)

Это полностью противоречит первому разделу, который является источником. Он просто имеет ограниченную тепловую способность и поглощает тепло от рабочего тела, кроме того, он также способствует сохранению механической работы, полученной от рабочего тела. Однако это не позволяет ему подвергаться влиянию внешних температур.

Тепловая машина: механизм

Базовая тепловая машина состоит из газа, содержащегося в цилиндре с помощью поршня.При нагревании газ расширяется, толкая поршень. Это немыслимо в реальном двигателе, так как движение прекращается, когда газ достигает равновесия.

В работающем двигателе поршень совершает циклические движения вперед и назад. При нагревании газа поршень движется вверх, а при охлаждении – вниз. Можно сказать, что для движения поршня вперед и назад требуется цикл нагрева и охлаждения.

Три ключевых момента всего цикла теплового двигателя:

  1. Поскольку тепло вводится в относительно высокой степени, он обозначается как Q H .
  2. Некоторая часть энергии, известная как добавленная энергия, используется для выполнения работы/задач.
  3. Наконец, оставшаяся или неиспользованная энергия удаляется относительно при низкой температуре, обозначаемой как Q C .

КПД тепловых двигателей

КПД теплового двигателя является важным показателем, поскольку он отражает, сколько полезной работы мы получаем на выходе двигателя, когда мы используем то же количество тепловой энергии, что и на входе. Давайте поговорим в математических терминах.

Предположим, что двигатель забирает тепло (Q1) из горячего резервуара с температурой (T1) и отдает тепло (Q2) в холодный резервуар с температурой (T2), таким образом, совершая работу W в окружающую среду.

Эффективность теплового двигателя: η = 1- Q 2 2 / Q 1

, где η = W / Q 1

Примечание:

  • Q 1 = подвод тепла за 1 цикл
  • Q 2 = работа, выполненная за 1 цикл.

Примечание: Не существует тепловой машины со 100% КПД. Всегда есть определенная потеря тепла в окружающей среде.

Что следует помнить

  • Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее тепло в механическую энергию.
  • Системы отопления бывают двух типов: двигатели внутреннего сгорания и двигатели внешнего сгорания.
  • В двигателе внутреннего сгорания топливо сжигается внутри системы. Двигатели работают, когда топливо сгорает в двигателе.
  • Двигатель внешнего сгорания – это двигатель, в котором топливо сжигается вне двигателя или где сгорание топлива происходит вне двигателя.
  • Двигатель Карно — идеальная тепловая машина, работающая по принципу обратимого замкнутого термодинамического цикла. Его четыре последовательные операции включают изотермическое расширение, адиабатическое расширение, изотермическое сжатие и адиабатическое сжатие
  • Оборудование тепловой машины состоит из трех основных компонентов: источник (высокая температура), рабочий объект и поглотитель тепла (низкая температура)
  • Базовая тепловая машина состоит из газа, заключенного в цилиндре поршнем.При нагревании газ расширяется, толкая поршень. В работающем двигателе поршень совершает циклы движения вперед и назад.
  • КПД теплового двигателя показывает, сколько полезной работы получается на выходе двигателя, когда такое же количество тепловой энергии используется в качестве входного.

Примеры вопросов

Вопросы. Какова функциональность системы отопления? (1 балл)

Отв. Основная функция тепловой машины — превращать тепло в работу.

Он забирает тепло из резервуара, затем выполняет некоторую работу, такую ​​как перемещение поршня, подъем тяжестей и т. д., прежде чем отдать часть тепловой энергии в раковину.

Вопросы. Почему двигатель Карно считается идеальной системой отопления? (1 балл)

Отв. Двигатель Карно является идеальной системой отопления, поскольку он является реверсивным двигателем, работающим в цикле между горячим и холодным резервуарами, и может иметь максимальную эффективность.

Вопросы. В двигателе Карно КПД равен 40 % при температуре горячего резервуара T. При КПД 50 % какой будет температура горячего резервуара? (2 балла)

Отв. Из приведенной выше формулы можно сказать:

КПД, η=выполненная работа/подведенная теплота

= Вт/Q

η=1−T2/T1 2=

5 температуры Раковина

и T1 = Температура горячего резервуара

40/100 = 1-T2 / T1

T12 / T1 = 0,60T2 = 0.6T1

Теперь, 50/100 = 1−T2/T1′

⇒T2/T1′=0,5

0.6T1′/T1′=0,5

T1′=0,6/0,5T1⇒T1′=6/5T1

T1=6/5T [?T1=T′]

Вопросы Как работает двигатель внутреннего сгорания? (2 балла)

Отв. Топливо в этих тепловых двигателях сгорает внутри цилиндра. Примером двигателя внутреннего сгорания является автомобильный двигатель. Поскольку при передаче тепла между котлом и цилиндром нет потерь энергии, двигатели внутреннего сгорания более эффективны, чем двигатели внешнего сгорания.

Вопросы. Какова пропорция заявленного теплового КПД к соответствующему КПД стандартного воздушного цикла? (1 балл)

Отв. Отношение заявленного теплового КПД к соответствующему КПД стандартного воздушного цикла называется относительным КПД.

Вопросы. КПД тепловой машины определяется как? (1 балл)

Отв. Эффективность тепловой машины можно определить как

Чистая выходная мощность/Общая тепловая мощность

Ques.Определите процесс, происходящий в цикле теплового двигателя? (2 балла)

Отв. В системе теплового двигателя происходят три основных процесса, а именно:

  • Пар конденсируется в конденсаторе.
  • Работа производится в роторе турбины
  • Тепло передается от топки к котлу.

Вопрос. Приведите пример поршневой паровой машины. (1 балл)

Отв. В некоторых случаях до сих пор используются поршневые двигатели, работающие на сжатом воздухе, паре или других горячих газах.Паровой двигатель является примером одного из них.

Вопросы. Что такое сгорание в двигателе с воспламенением от сжатия? (1 балл)

Отв. В двигателе с воспламенением происходит гетерогенное сгорание.

Вопросы. В циклическом процессе тепловая машина поглощает 500 Дж теплоты из горячего резервуара, совершает работу и выбрасывает в окружающую среду (холодный резервуар) количество теплоты 300 Дж. Рассчитать КПД тепловой машины? (2 балла)

Отв. КПД тепловой машины определяется по формуле:

n = 1 — QL/ QH

n=1-300/500

= 1-3/5

6

3 0,6 = 0,4

μ = 1 – 0,6 = 0,4

Таким образом, КПД тепловой машины составляет 40 %, т. е. только 40 % подводимой теплоты преобразуется в работу.

Из каких трех частей состоит тепловая машина?

Какие три части тепловой машины?

Двигатель состоит из трех основных частей. Горячее тело, называемое источником, рабочее тело и тело, называемое стоком .

Как работает тепловой двигатель шаг за шагом?

Газ получает энергию от источника тепла, расширяется, охлаждается и выталкивает поршень . Когда поршень возвращается в цилиндр, он сжимает и нагревает газ, так что газ завершает цикл при точно таком же давлении, объеме и температуре, с которых он начал.

Каков основной принцип работы тепловой машины?

Рабочее тело получает теплоту от высокотемпературного источника и часть этой теплоты преобразуется в работу, а остальное количество теплоты сохраняется в теплоотводе при низкой температуре .Это принцип работы тепловой машины.

Каковы основные части тепловой машины?

Молекулярная физика Устройство, которое превращает теплоту в работу, работая в цикле, называется тепловым двигателем. Для цикловой работы такого двигателя необходимы следующие узлы: подогреватель, рабочий орган и охладитель (холодильник) .

Какие существуют 2 типа тепловой машины?

Существуют две основные классификации тепловых двигателей, основанные на процессе сгорания.Двумя типами тепловых двигателей являются двигатели внутреннего сгорания и двигатели внешнего сгорания .

Как теплота превращается в работу?

Тепловая машина – это любая машина, преобразующая теплоту в полезную работу, например паровая машина или автомобильный двигатель. … Горячий резервуар — тепловая энергия создается в результате какого-либо процесса, такого как сжигание топлива, для получения тепловой энергии. Рабочий орган — преобразует тепловую энергию в работу.

Что является примером тепловой машины?

К повседневным примерам тепловых двигателей относятся тепловая электростанция , двигатель внутреннего сгорания, огнестрельное оружие, холодильники и тепловые насосы .Электростанции являются примерами тепловых двигателей, работающих в прямом направлении, в которых тепло вытекает из горячего резервуара и перетекает в холодный резервуар для выполнения работы в качестве желаемого продукта.

Что такое классификация тепловых двигателей?

Существуют две основные классификации тепловых двигателей, основанные на процессе сгорания. Двумя типами тепловых двигателей являются двигатели внутреннего сгорания и двигатели внешнего сгорания .

Что происходит в цикле тепловой машины?

При полном цикле тепловой машины происходят три вещи: Тепло добавляется.Это при относительно высокой температуре, поэтому тепло можно назвать QH. Часть энергии от этого подводимого тепла используется для выполнения работы (Вт).

Что является необходимым компонентом тепловой машины?

Таким образом, необходимым компонентом тепловой машины является наличие двух температур. На одном этапе система нагревается, на другом охлаждается. В полном цикле тепловой машины происходят три вещи: Тепло добавляется. Это при относительно высокой температуре, поэтому тепло можно назвать QH.

Какая часть теплопередачи используется двигателем?

Бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины — все это тепловые двигатели, работающие за счет использования части теплопередачи из какого-либо источника. Теплоотдача от горячего тела (или горячего резервуара) обозначается как Qh, теплопередача в холодный предмет (или холодный резервуар) Qc, а работа, совершаемая двигателем, равна W.

Как происходит преобразование тепла в механическую энергию в тепловом двигателе?

В термодинамике и технике тепловой двигатель представляет собой систему, которая преобразует теплоту в механическую энергию, которая затем может использоваться для выполнения механической работы.[1] [2] Он делает это, переводя рабочее вещество из состояния с более высокой температурой в состояние с более низкой температурой.

⇐ Каков диаметр 1 акра? Стоит ли слушать музыку во время занятий физикой? ⇒
Похожие сообщения:

ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ: ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ:)

ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Сегодня двигатели внутреннего сгорания в автомобилях, грузовиках, мотоциклах, самолетах, строительных машинах и многих других чаще всего используют четырехтактный цикл .

Четыре такта относятся к тактам впуска, сжатия, сгорания (мощности) и выпуска , которые происходят во время двух оборотов коленчатого вала за рабочий цикл бензинового двигателя и дизельного двигателя.

Цикл начинается в верхней мертвой точке * , когда поршень максимально удален от оси коленчатого вала. Под ходом понимается полный ход поршня от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки.

* мертвая точка  это положение поршня, в котором он находится дальше всего или ближе всего к коленчатому валу.

  • Четырехтактный цикл , используемый в бензиновых двигателях. Правая синяя сторона — это впуск, а левая желтая сторона — выпуск. Стенка цилиндра представляет собой тонкую гильзу, окруженную охлаждающей водой.

              В ходе всасывания или всасывания поршень опускается из верхней части цилиндра в нижнюю часть цилиндра, снижая давление внутри цилиндра. Смесь топлива и воздуха нагнетается атмосферным (или более высоким) давлением в цилиндр через впускное отверстие.Затем впускной клапан (клапаны) закройте.

СЖАТИЕ

         При закрытых впускном и выпускном клапанах поршень возвращается в верхнюю часть цилиндра, сжимая топливно-воздушную смесь. Это известно как ход сжатия  .

Сжигание или мощность

, в то время как поршень близки к верхпушему мертвому центру, смесь сжатого воздушного топлива зажигают, обычно на зажигания (для бензина или двигатель с циклом Отто) или теплотой и давлением сжатия (для дизельного двигателя или двигателя с воспламенением от сжатия ). Возникающее огромное давление от сгорания сжатой топливно-воздушной смеси толкает поршень обратно вниз к нижней мертвой точке с огромной силой. Это известно как мощность такт, который является основным источником крутящего момента и мощности двигателя.

ВЫПУСК

                     Во время такта выпуска  , поршень снова возвращается в верхнюю мертвую точку, а выпускной клапан открыт. Это действие удаляет продукты сгорания из цилиндра, проталкивая отработавшую топливно-воздушную смесь через выпускной(ые) клапан(ы).

ДАВЛЕНИЕ-ОБЪЕМ При сгорании топлива происходит анизохорный процесс с последующим адиабатическим расширением, характеризующим мощность (С) такта.Цикл замыкается изохорным процессом и изобарическим сжатием, характеризующим такт выпуска (D).

ТЕПЛОВОЙ КПД ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛИ



         Работоспособность тепловой машины определяется ее недостатком. Тепловой КПД тепловой машины – это отношение требуемой мощности к подводимой мощности. Для теплового двигателя желаемый результат — это работа, а вход — тепло, подаваемое источником.


η Тепловой двигатель = Желаемая мощность / Подводимая мощность = Вт / Q (ΔQ- ΔW) = 0

⇒ Q 1 1 + (Q 2 ) — (+ W) = 0


⇒ Q 1 — Q 2 2 = W

из уравнений (1) и (2)

η Тепловой двигатель = Q 1 — Q 2 2 / Q 1 = 1 — Q 2 / Q

/ Q

1

Пример:

Завод требует 300 мр. в час зимой на отопление.Тепловой насос используется для поглощения тепла из окружающей среды и передачи его на обогрев установки. Работа, необходимая для работы теплового насоса, составляет 30 МДж/ч. Определить КПД и теплоту, отводимую от окружающей среды.

Решение: Учитывая, что: Q 1 = 300 MJ / HR

W = 30 MJ / HR

Q 1 1 — Q 9 2 = W

(COP) HP HP = Q 1 / Q 1 — Q 2

= Q = Q = Q 1 / W

= 300/30 MJ / HR / MJ / HR

⇒ (COP) HP = 10

Тепло тепла от окружающей среды = Q 2 2

Q 1 — Q 2 = 30

30013

300 — Q 2 = 30 = 30

Q 2 = 270 MJ / HR


Тепловая машина – исследование QS

Принцип действия тепловой машины

Тепловая машина – это устройство, преобразующее тепло в работу.Он берет тепло из резервуара, затем выполняет некоторую работу, например, перемещает поршень, поднимает вес и т. д., и, наконец, отдает часть тепловой энергии в раковину. В каждом двигателе находится одно рабочее тело. Например, в паровом двигателе рабочим веществом является пар, в бензиновом двигателе опять же рабочим телом является бензин. Рабочее тело получает теплоту от высокотемпературного источника и часть этой теплоты преобразуется в работу, а остальное количество теплоты уходит в теплоотвод при низкой температуре.Это принцип работы тепловой машины.

Это означает, что двигатель, с помощью которого тепловая энергия может быть преобразована в механическую энергию, называется тепловым двигателем. Например, паровой двигатель, бензиновый двигатель, дизельный двигатель и т. д. В общем случае тепловой двигатель представляет собой устройство, которое преобразует химическую энергию в тепловую или тепловую энергию, а затем в механическую энергию или в электрическую энергию.

Температура источника, откуда двигатель получает тепло, должна быть выше температуры радиатора.Это означает, что двигатель получает теплоту от источника с более высокой температурой, часть этого тепла преобразуется в работу, а остальная часть отбрасывается в теплоотвод с более низкой температурой, и двигатель возвращается в исходное состояние. Чтобы получить от двигателя работу непрерывно, цикл должен быть изменен таким образом.

Согласно рисунку, рабочее тело получает Q количества теплоты от источника при температуре T. В этом двигателе часть теплоты в энергии превращается в механическую энергию, а часть теплоты отбрасывается в теплоотвод и становится холодным, чтобы двигатель снова мог получать тепло от источника.Если количество теплоты, отведенное в радиатор, равно Q 2 при температуре T 2 , количество теплоты, используемой для преобразования в работу, равно W = Q 1 – Q 2 . Двигатель, который может преобразовать большую часть тепловой энергии в работу, имеет более высокий КПД. Бензиновый двигатель имеет более высокий КПД, чем паровой двигатель.

Использование

Это устройство обычно использует энергию в виде тепла для выполнения работы, а затем отводит тепло, которое не может быть использовано для выполнения работы.Термодинамика – это наука о взаимосвязях между теплотой и работой. Первый закон и второй закон термодинамики ограничивают работу тепловой машины.

Типы

  • Двигатель внешнего сгорания – В этих тепловых двигателях топливо сгорает снаружи и вдали от основного двигателя, где создаются сила и движение. Паровой двигатель является примером двигателя внешнего сгорания.
  • Двигатель внутреннего сгорания – В этих тепловых двигателях топливо сгорает внутри цилиндра.Автомобильный двигатель является примером двигателя внутреннего сгорания.

Двигатели внутреннего сгорания, как правило, гораздо более эффективны, чем двигатели внешнего сгорания, потому что энергия не тратится впустую на передачу тепла от огня и котла к цилиндру; все происходит в одном месте.

Автор: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.