Принцип действия тепловых двигателей: Принцип работы теплового двигателя

Содержание

Принцип работы теплового двигателя

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

Согласно 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.

 

Тепловые двигатели: принцип действия, устройство, схема

Рассмотрим тепловые двигатели, принцип действия этих механизмов. В земной коре и мировом океане запасы внутренней энергии можно считать неограниченными. Для того чтобы решать практические задачи, ее явно недостаточно. Устройство и принцип действия теплового двигателя необходимо знать для того, чтобы приводить в движение токарные станки, транспортные средства. Человек нуждается в таких устройствах, которые могут совершать полезную работу.

Тепловые двигатели, принцип действия которых мы рассмотрим, являются основными на нашей планете. Именно в них происходит превращение внутренней энергии в механический вид.

Особенности теплового двигателя

Каков принцип действия теплового двигателя? Кратко его можно представить на простом опыте. Если в пробирку налить воду, закрыть пробкой, довести до кипения, она вылетит. Причина выскакивания пробки заключается в совершении паром внутренней работы. Процесс сопровождается превращением внутренней энергии пара в кинетическую величину для пробки. Тепловые двигатели, принцип действия которых аналогичен описанному эксперименту, отличаются строением. Вместо пробирки используется металлический цилиндр. Пробка заменена поршнем, плотно прилегающим к стенкам, перемещающимся вдоль цилиндра.

Алгоритм действия

Тепловыми машинами называют механизмы, где наблюдается превращение внутренней энергии топлива в механический вид.

Для совершения двигателем полезной работы, должна быть создана разность давлений с обеих сторон поршня либо лопастей мощной турбины. Для достижения такой разности давлений происходит повышение температуры рабочего тела на тысячи градусов в сравнении с ее средним показателем в окружающей среде. Происходит подобное повышение температуры в процессе сгорания топлива.

Изменения температур

У всех современных тепловых машин выделяют рабочее тело. Им принято называть газ, совершающий в процессе расширения полезную работу. Начальную температуру, обозначаемую Т1, он приобретает в паровом котле машины или турбины. Называют этот показатель температурой нагревателя. В процессе совершения работы происходит постепенная потеря газом энергии. Это приводит к неизбежному охлаждению рабочего тела до некоторого показателя Т2. Значение температуры должно быть ниже показателя окружающей среды, иначе давление газа будет иметь меньший показатель, чем атмосферное давление, и работа двигателем не будет совершена.

Показатель Т2 называют температурой холодильника. В его качестве выступает атмосфера либо специальное устройство, необходимое для конденсации и охлаждения отработанного пара.

Некоторые факты

Итак, тепловые двигатели, принцип действия которых основывается на расширении рабочего тела, не способны отдавать для совершения работы всю внутреннюю энергию. В любом случае часть тепла будет передаваться атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром либо выхлопными газами турбин или двигателей внутреннего сгорания.

КПД тепловых машин

Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Схема его понятна и проста, доступна даже ученикам средней школы. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Изобретение тепловой машины

Первым изобретателем машины, использующей тепло, стал Сади Карно. Он разработал идеальную машину, в которой рабочим телом выступал идеальный газ. Кроме того, ученому удалось определить показатель КПД для такого устройства, используя значения температуры холодильника и нагревателя.

Карно удалось определить зависимость между реальной тепловой машиной, функционирующей на основе нагревателя, и холодильником, в качестве которого выступает воздух или конденсатор. Благодаря математической формуле, предложенной Карно для его первой идеальной тепловой машины, определяется максимальное значение КПД. Между температурой нагревателя и холодильника существует прямая связь.

Для того чтобы машина полноценно функционировала, значение температуры не должно быть меньше ее показателя в окружающем воздухе. При желании можно повышать температуру нагревателя, не забывая о том, что у каждого твердого тела есть определенная жаропрочность. По мере нагревания оно теряет свою упругость, а при достижении температуры плавления просто плавится.

Благодаря инновациям, которые достигнуты в современной инженерной промышленности, происходит постепенное повышение КПД теплового двигателя. Например, снижается трение между его отдельными частями, устраняются потери, возникающие из-за неполного сгорания топлива.

Двигатель внутреннего сгорания

Он представляет собой тепловую машину, где в виде рабочего тела применяют высокотемпературные газы, получаемые в процессе сгорания разного вида топлива внутри камеры. Выделяют четыре такта в работе автомобильного двигателя. Среди составных его частей назовем впускной и выпускной клапаны, камеру сгорания, поршень, цилиндр, свечу, шатун, а также маховик.

На первом этапе наблюдается плавное передвижение клапана вниз, процесс происходит благодаря заполнению камеры рабочей смесью. В конце первого такта впускной клапан закрывается. Далее поршень передвигается вверх, при этом происходит сжатие рабочей смеси. Появление искры в свече приводит к воспламенению горючей смеси. Давление, которое оказывают пары воздуха и бензина на поршень, приводят к его самопроизвольному движению вниз, поэтому такт называют «рабочим ходом». В движение приводится коленчатый вал. На четвертом этапе открывается выпускной клапан, происходит выталкивание в атмосферу отработанных газов.

Принципы действия тепловых машин

 

КПД тепловых машин

Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Как работают тепловые двигатели

Функция тепловых двигателей – преобразование тепловой энергии в полезную механическую работу. Рабочим телом в таких установках служит газ. Он с усилием давит на лопатки турбины или на поршень, приводя их в движение. Самые простые примеры тепловых двигателей – это паровые машины, а также карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания.

Инструкция

  1. Поршневые тепловые двигатели имеют в своем составе один или несколько цилиндров, внутри которых находится поршень. В объеме цилиндра происходит расширение горячего газа. При этом поршень под воздействием газа перемещается и совершает механическую работу. Такой тепловой двигатель преобразует возвратно-поступательное движение поршневой системы во вращение вала. Для этой цели двигатель оснащается кривошипно-шатунным механизмом.
  2. К тепловым двигателям внешнего сгорания относятся паровые машины, в которых рабочее тело разогревается в момент сжигания топлива за пределами двигателя. Нагретый газ или пар под сильным давлением и при высокой температуре подается в цилиндр. Поршень при этом перемещается, а газ постепенно охлаждается, после чего давление в системе становится почти равным атмосферному.
  3. Отработавший свое газ выводится из цилиндра, в который немедленно подается очередная порция. Для возврата поршня в начальное положение применяют маховики, которые крепят на вал кривошипа. Подобные тепловые двигатели могут обеспечивать одинарное или двойное действие. В двигателях с двойным действием на один оборот вала приходится две стадии рабочего хода поршня, в установках одинарного действия поршень совершает за то же время один ход.
  4. Отличие двигателей внутреннего сгорания от описанных выше систем состоит в том, что горячий газ здесь получается при сжигании топливно-воздушной смеси непосредственно в цилиндре, а не вне его. Подвод очередной порции горючего и выведение отработанных газов производится через систему клапанов. Они позволяют подавать горючее в строго ограниченном количестве и в нужное время.
  5. Источник тепла в двигателях внутреннего сгорания – химическая энергия топливной смеси. Для данного типа теплового двигателя не нужен котел или нагреватель внешнего типа. В качестве рабочего тела здесь выступают самые разные горючие вещества, из которых самым распространенным являются бензин или дизельное топливо. К недостаткам двигателей внутреннего сгорания можно отнести их высокую чувствительность к качеству топливной смеси.
  6. Двигатели внутреннего сгорания по своей конструкции могут быть двух- и четырехтактными. Устройства первого вида проще в конструкции и не так массивны, но при одинаковой мощности требуют значительно больше топлива, чем четырехтактные. Двигатели, работа которых построена на двух тактах, чаще всего применяют в небольших мотоциклах или газонокосилках. Более серьезные машины оснащают тепловыми двигателями четырехтактного типа.

Видео по теме

//www.youtube.com/embed/wfZuvZiU4Qk

Как устроены и как работают тепловые двигатели

Наша сегодняшняя встреча посвящена тепловым двигателям. Именно они приводят в движение большинство видов транспорта, позволяют получать электроэнергию, несущую нам тепло, свет и комфорт. Как устроены и каков принцип действия тепловых машин?

Понятие и виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели — устройства, обеспечивающие превращение химической энергии топлива в механическую работу.

Осуществляется это следующим образом: расширяющийся газ давит либо на поршень, вызывая его перемещение, либо на лопасти турбины, сообщая ей вращение.

Взаимодействие газа (пара) с поршнем имеет место в паровых машинах, карбюраторных и дизельных двигателях (ДВС).

Примером действия газа, создающим вращение является работа авиационных турбореактивный двигателей.

Структурная схема работы теплового двигателя

Несмотря на отличия в их конструкции, все тепловые машины имеют нагреватель, рабочее вещество (газ или пар) и холодильник.

В нагревателе происходит сгорание топлива, в результате чего выделяется количество теплоты Q1, а сам нагреватель при этом нагревается до температуры T1. Рабочее вещество, расширяясь, совершает работу A.

Но теплота Q1 не может полностью превратится в работу. Определенная ее часть Q2 через теплопередачу от нагревшегося корпуса, выделяется в окружающую среду, условно называемую холодильником с температурой T2.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 10 чел.
Средний рейтинг: 4.4 из 5.

Принцип действия и КПД тепловых двигателей. Физика. 10 класс. — Паровая турбина.КПД теплового двигателя.

Комментарии преподавателя

Прин­цип дей­ствия теп­ло­во­го дви­га­те­ля

Темой про­шло­го урока был пер­вый закон тер­мо­ди­на­ми­ки, ко­то­рый за­да­вал связь между неко­то­рым ко­ли­че­ством теп­ло­ты, ко­то­рое было пе­ре­да­но пор­ции газа, и ра­бо­той, со­вер­ша­е­мой этим газом при рас­ши­ре­нии. И те­перь при­шло время ска­зать, что эта фор­му­ла вы­зы­ва­ет ин­те­рес не толь­ко при неких тео­ре­ти­че­ских рас­чё­тах, но и во вполне прак­ти­че­ском при­ме­не­нии, ведь ра­бо­та газа есть не что иное как по­лез­ная ра­бо­та, какую мы из­вле­ка­ем при ис­поль­зо­ва­нии теп­ло­вых дви­га­те­лей.

Опре­де­ле­ние. Теп­ло­вой дви­га­тель – устрой­ство, в ко­то­ром внут­рен­няя энер­гия топ­ли­ва пре­об­ра­зу­ет­ся в ме­ха­ни­че­скую ра­бо­ту (рис. 1).

Рис. 1. Раз­лич­ные при­ме­ры теп­ло­вых дви­га­те­лей (Ис­точ­ник), (Ис­точ­ник)

Как видно из ри­сун­ка, теп­ло­вы­ми дви­га­те­ля­ми яв­ля­ют­ся любые устрой­ства, ра­бо­та­ю­щие по вы­ше­ука­зан­но­му прин­ци­пу, и они ва­рьи­ру­ют­ся от неве­ро­ят­но про­стых до очень слож­ных по кон­струк­ции.

Все без ис­клю­че­ния теп­ло­вые дви­га­те­ли функ­ци­о­наль­но де­лят­ся на три со­став­ля­ю­щие (см. рис. 2):

  • На­гре­ва­тель
  • Ра­бо­чее тело
  • Хо­ло­диль­ник

Рис. 2. Функ­ци­о­наль­ная схема теп­ло­во­го дви­га­те­ля (Ис­точ­ник)

На­гре­ва­те­лем яв­ля­ет­ся про­цесс сго­ра­ния топ­ли­ва, ко­то­рое при сго­ра­нии пе­ре­да­ёт боль­шое ко­ли­че­ство теп­ло­ты  газу, на­гре­вая тот до боль­ших тем­пе­ра­тур. Го­ря­чий газ, ко­то­рый яв­ля­ет­ся ра­бо­чим телом, вслед­ствие по­вы­ше­ния тем­пе­ра­ту­ры, а сле­до­ва­тель­но, и дав­ле­ния, рас­ши­ря­ет­ся, со­вер­шая ра­бо­ту . Ко­неч­но же, так как все­гда су­ще­ству­ет теп­ло­пе­ре­да­ча с кор­пу­сом дви­га­те­ля, окру­жа­ю­щим воз­ду­хом и т. д., ра­бо­та не будет чис­лен­но рав­нять­ся пе­ре­дан­ной теп­ло­те – часть энер­гии  ухо­дит на хо­ло­диль­ник, ко­то­рым, как пра­ви­ло, яв­ля­ет­ся окру­жа­ю­щая среда.

Проще всего можно пред­ста­вить себе про­цесс, про­ис­хо­дя­щий в про­стом ци­лин­дре под по­движ­ным порш­нем (на­при­мер, ци­линдр дви­га­те­ля внут­рен­не­го сго­ра­ния). Есте­ствен­но, чтобы дви­га­тель ра­бо­тал и в нём был смысл, про­цесс дол­жен про­ис­хо­дить цик­ли­че­ски, а не ра­зо­во. То есть после каж­до­го рас­ши­ре­ния газ дол­жен воз­вра­щать­ся в пер­во­на­чаль­ное по­ло­же­ние (рис. 3).

Рис. 3. При­мер цик­ли­че­ской ра­бо­ты теп­ло­во­го дви­га­те­ля (Ис­точ­ник)

Для того чтобы газ воз­вра­щал­ся в на­чаль­ное по­ло­же­ние, над ним необ­хо­ди­мо вы­пол­нить некую ра­бо­ту (ра­бо­та внеш­них сил). А так как ра­бо­та газа равна ра­бо­те над газом с про­ти­во­по­лож­ным зна­ком, для того чтобы за весь цикл газ вы­пол­нил сум­мар­но по­ло­жи­тель­ную ра­бо­ту (иначе в дви­га­те­ле не было бы смыс­ла), необ­хо­ди­мо, чтобы ра­бо­та внеш­них сил была мень­ше ра­бо­ты газа. То есть гра­фик цик­ли­че­ско­го про­цес­са в ко­ор­ди­на­тах P-V дол­жен иметь вид: за­мкну­тый кон­тур с об­хо­дом по ча­со­вой стрел­ке. При дан­ном усло­вии ра­бо­та газа (на том участ­ке гра­фи­ка, где объём рас­тёт) боль­ше ра­бо­ты над газом (на том участ­ке, где объём умень­ша­ет­ся) (рис. 4).

 

Рис. 4. При­мер гра­фи­ка про­цес­са, про­те­ка­ю­ще­го в теп­ло­вом дви­га­те­ле

Раз мы го­во­рим о неко­ем ме­ха­низ­ме, обя­за­тель­но нужно ска­зать, каков его КПД.

В современной технике широко применяют другой тип теплового двигателя. В нём пар или нагретый до высокой температуры газ вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. Такие двигатели называют турбинами.

Ротор паровой турбины

Схема устройства простейшей паровой турбины приведена на рисунке 28. На вал 5 насажен диск 4, по ободу которого закреплены лопатки 2. Около лопаток расположены трубы — сопла 1, в которые поступает пар 3 из котла. Струи пара, вырывающиеся из сопел, оказывают значительное давление на лопатки и приводят диск турбины в быстрое вращательное движение.

Схема паровой турбины

В современных турбинах применяют не один, а несколько дисков, насаженных на общий вал. Пар последовательно проходит через лопатки всех дисков, отдавая каждому из них часть своей энергии.

На электростанциях с турбиной соединён генератор электрического тока. Частота вращения вала турбин достигает 3000 оборотов в минуту, что является очень удобным для приведения в движение генераторов электрического тока.

В нашей стране строят паровые турбины мощностью от нескольких киловатт до 1 200 000 кВт.

Применяют турбины на тепловых электростанциях и на кораблях.

Постепенно находят всё более широкое применение газовые турбины, в которых вместо пара используются продукты сгорания газа.

Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только незначительную часть энергии, которая выделяется топливом. Большая часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве.

Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты. Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу за счёт своей внутренней энергии. Часть энергии передаётся атмосфере — холодильнику — вместе с отработанным паром или выхлопными газами.

Очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее.

Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия двигателя — КПД.

Отношение совершённой полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя.

Коэффициент полезного действия обозначают η (греч. буква «эта»).

КПД теплового двигателя определяют по формуле

где Ап — полезная работа, Q1 — количество теплоты, полученное от нагревателя, Q2 — количество теплоты, отданное холодильнику, Q1 — Q2 — количество теплоты, которое пошло на совершение работы. КПД выражается в процентах.

Например, двигатель из всей энергии, выделившейся при сгорании топлива, расходует на совершение полезной работы только одну четвёртую часть. Тогда коэффициент полезного действия двигателя равен ¼, или 25% .

КПД двигателя обычно выражают в процентах. Он всегда меньше единицы, т. е. меньше 100% . Например, КПД двигателей внутреннего сгорания 20—40%, паровых турбин — немногим выше 30%.

Домашняя работа

Задание 1. Ответить на вопросы.

  1. Какие тепловые двигатели называют паровыми турбинами?
  2. В чём отличие в устройстве турбин и поршневых машин?
  3. Из каких частей состоит паровая турбина и как она работает?
  4. Почему в тепловых двигателях только часть энергии топлива превращается в механическую энергию?
  5. Что называют КПД теплового двигателя?
  6. Почему КПД двигателя не может быть не только больше 100%, но и равен 100%?

Задание 2. Решить задачи.
☝    При равномерном перемещении груза массой 30 кг по наклонной плоскости была приложена сила 80 Н.  Вычисли КПД плоскости, если ее длина 3,6 м, а высота – 60 см.
☝    Какова длина наклонной плоскости, если при перемещении груза массой 1 кг была приложена сила 5 Н? Высота наклонной плоскости 0,2 м, а КПД 80%.
☝    Груз массой 300 кг подняли с помощью рычага на высоту 0,5 м. При этом к длинному плечу рычага была приложена сила 500 Н, а точка приложения силы опустилась на 4 м. Вычислите КПД рычага.
☝    Какая сила была приложена к длинному плечу рычага с КПД 40%, если груз массой 100 кг был поднят на высоту 10 см, а длинное плечо рычага опустилось на 50 см?

ИНТЕРЕСНО

1. Мощные механизмы приводят в движение не паровыми поршневыми машинами, а паровыми турбинами. Ведь поршневые машины при той же мощности имеют большие размеры и вес и меньший кпд. В ряде случаев это технически неудобно и экономически невыгодно.

2. Чтобы поднять КПД парового двигателя стенки парового котла лучше делать из железа или меди.
Эти металлы улучшат теплопроводность котла и этим поднимут его КПД. Кстати, слой накипи ухудшает теплопроводность котла и приводит к появлению на нем трещин и, в конце концов, к порче котла, поэтому-то так необходимо очищать котел от накипи.

К занятию прикреплен файл  «Изобретение и распространение паровых турбин.». Вы можете скачать файл в любое удобное для вас время.

Использованные источники: 

  • http://interneturok.ru/ru/school/physics/10-klass/
  • http://www.youtube.com/watch?v=AMFRpRQnMRM
  • http://www.youtube.com/watch?v=iDDGCf9eyes
  • http://www.youtube.com/watch?v=Ny2YDArHerY
  • http://www.youtube.com/watch?v=G3RtYsmE_Jw
     

Конспект урока «Принципы действия тепловых двигателей. КПД тепловых двигателей» 10 класс

6

приносила несравненно больше, отчего ее почти полстолетия применяли в

шахтах.

(Слайд 7) Создатель первой в России паровой машины и первого в мире

двухцилиндрового парового двигателя Иван Иванович Ползунов был

специалистом в горнозаводском деле на Алтае. Э. Г. Лаксман, посетивший

в 1765 году Барнаул писал: «муж, делающий честь своему отечеству. Он

строит теперь огненную машину, совсем отличную от венгерской и

английской». Изобретение было по достоинству оценено Екатериной II, но

изобретатель умер от чахотки за неделю до пробного пуска машины. Сама

же машина была испытана учениками Ползунова, окупила себя и успела

даже принести прибыль. Однако после поломки после трех месяцев работы

была разобрана.

(Слайд 8) В 1974 году шотландец Джеймс Уатт сконструировал новый

вариант двигателя. Машина Уатта получила широкое распространение, т.к.

была компактная, но достаточно мощная. Созданная Уаттом паровая

машина стала приводить в движение промышленные станки, стала

основным тепловым двигателем конца XVIII – середины XIX века, и это

время называют «веком пара». Мы еще раз убеждаемся в том, что

развитие науки тесно связано с развитием производства и общества в

целом.

Необходимость перевозки большого количества товаров требовала

надежного транспорта.

(Слайд 9) Создателем первого парохода считается Роберт Фултон. В

1807 году он построил корабль «Клермонт», который совершал рейсы по

реке Гудзон, развивая по тем временам немыслимую скорость — 5 узлов (9

км/ч). А вот первый отечественный пароход — «Елизавета» — был построен

на верфях Санкт-Петербурга в ноябре 1815 года. (Слайд 10)

Презентация урока по теме: «Принцип действия тепловых двигателей» | Презентация к уроку по физике на тему:

Слайд 1

Принцип действия тепловых двигателей. КПД тепловых двигателей Цель урока: раскрыть физические принципы действия тепловых двигателей

Слайд 2

ПОВТОРЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО 1. Как определить изменения внутренней энергии системы согласно первому закону термодинамики? 2. На что расходуется, согласно первому закону термодинамики, количество теплоты, подведенное к системе? 3. Какой процесс называется адиабатическим? 4. Сформулируйте первый закон термодинамики для адиабатного процесса. 5.Почему при адиабатном расширении температура падает, а при сжатии возрастает?

Слайд 3

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать запасами недостаточно. Необходимо за счет энергии уметь приводить в действие устройства, способные совершать работу. Тепловые двигатели – устройство превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Слайд 4

ВИДЫ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ДВС) ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ТУРБИНЫ ДИЗЕЛЬНЫЕ КАРБЮРАТОРНЫЕ ПАРОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ (ПД) ГАЗОВЫЕ ПАРОВЫЕ

Слайд 5

ИЗОБРИТАТЕЛИ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 1698г. – англичанин Т.Севери 1707г. – француз Д.Папен 1763г. – русский И.И.Ползунов 1774г. – англичанин Д.Ж.Уатт 1860г. – француз Ленуар 1876г. – немец Отто 1889г. – швед К.Лаваль – паровая турбина ПД ДВС

Слайд 6

Принцип работы тепловых двигателей НАГРЕВАТЕЛЬ РАБОЧЕЕ ТЕЛО ХОЛОДИЛЬНИК Qı Q 2 ПАР ГАЗ Т 1 Т 2 А= Q 1- Q 2

Слайд 7

ОБЩИЕ ЧЕРТЫ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ 1. Энергия топлива → механическая энергия. 2. Необходимо наличие двух тел с различными температурами. (нагреватель и холодильник) 3. Работа любого двигателя циклична.

Слайд 8

КПД ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ η = A/Q 1 = (Q 1 – |Q 2 |)/Q 1 Для идеального двигателя цикл Карно : η = (Т 1 – Т 2 )/Т 1 а ) η не зависит от Q, p, V, m топлива. б ) η является функцией только двух температур.

Слайд 9

Применение тепловых двигателей Тепловые электростанции (80процентов всей электроэнергии ) Атомные электростанции Автомобильный транспорт Железнодорожный транспорт Водный транспорт Авиационный транспорт Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима.

Слайд 10

Охрана окружающей среды Выброс в атмосферу токсических продуктов горения, продуктов неполного сгорания органического топлива – оказывают вредное воздействие на флору и фауну. Все это ставит ряд серьезных проблем перед обществом. Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива, а так же эффективно использовать и экономить энергию.

Слайд 11

Домашнее задание § 64. Упражнение 15 (15,16), подготовить сообщение по теме «Вечный двигатель»

Принцип действия тепловых двигателей. КПД теплового двигателя

Физика. 8 класс. Барьяхтар

Физически развитый человек может за сутки выполнить работу, равную примерно 1 млн джоулей. Среднесуточное потребление энергии одним жителем Земли больше в сотни раз. Из всей энергии, потребляемой человеком, около 90 % — энергия топлива. На обогрев помещений и приготовление пищи идет только незначительная часть этой энергии — в основном люди используют энергию топлива, превращая ее в механическую. Как это происходит и при каких условиях возможно такое превращение?

1. Знакомимся с принципом действия тепловых двигателей

Проведем опыт. Плотно закупорим носик чайника и поставим чайник с водой на горелку газовой плиты. Через некоторое время крышка чайника начнет подпрыгивать. Выясним почему.

Вода в чайнике закипает, и давление пара под крышкой увеличивается. Наконец наступает момент, когда сила давления пара, действующая на крышку, становится больше силы тяжести, и крышка подпрыгивает. В этот момент часть пара выходит наружу, давление пара под крышкой уменьшается и сила тяжести возвращает ее на место (рис. 16.1). Если нагревание продолжить, процесс повторится.

Рис. 16.1. На крышку чайника действуют сила тяжести (Fтяж = mg) и сила давления пара. Если Fдавл пара > Fтяж, крышка подпрыгивает; если Fдавл пара < Fтяж, крышка возвращается на место

В описанной системе, состоящей из газовой горелки, чайника с крышкой и кипящей воды, за счет энергии, выделяющейся при сгорании топлива, выполняется механическая работа, при этом часть энергии отдается окружающей среде.

Если с крышкой чайника соединить какой-нибудь механизм, получим простейшую модель теплового двигателя.

Тепловой двигатель — это циклично работающая машина, которая преобразует энергию топлива в механическую работу.

Кроме тепловых двигателей существуют другие виды тепловых машин (подробнее об этом вы узнаете в старших классах). Выясним на примере с чайником, из каких основных частей должна состоять тепловая машина.

Во-первых, в данной системе механическую работу выполняет пар, который нагревается и, расширяясь, поднимает крышку. Газ, выполняющий работу во время своего расширения, называют рабочим телом.

Во-вторых, пар под крышкой чайника расширяется в результате получения энергии от газовой горелки. Устройство, от которого рабочее тело получает теплоту, называют нагревателем.

В-третьих, во время опыта водяной пар периодически отдает часть энергии окружающей среде (если бы этого не происходило, «двигатель» не смог бы работать циклично — крышка не возвращалась бы в исходное положение и процесс не повторялся бы). Объект, которому рабочее тело отдает некоторое количество теплоты, называют холодильником.

Любая тепловая машина состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела, холодильника (рис. 16.2).

Рис. 16.2. Принцип действия тепловых машин: рабочее тело получает некоторое количество теплоты (Q1) от нагревателя, эта теплота частично преобразуется в механическую энергию (рабочее тело выполняет работу А), а частично (Q2) передается холодильнику

2. Определяем КПД теплового двигателя

В любом тепловом двигателе на выполнение работы расходуется только часть энергии, «запасенной» в топливе. Часть выделившейся энергии передается окружающей среде (теряется), кроме того, топливо сгорает не полностью. При этом потери энергии в тепловых двигателях не ограничиваются тепловыми потерями. Часть энергии также расходуется на выполнение работы против сил трения частей и механизмов двигателя. Такие потери энергии называют механическими.

Очевидно: чем меньше тепловые и механические потери в двигателе, тем меньше топлива нужно израсходовать, чтобы выполнить ту же самую полезную работу, и тем экономичнее двигатель.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя — это физическая величина, характеризующая экономичность теплового двигателя и показывающая, какая часть всей энергии, «запасенной» в топливе, преобразуется в полезную работу.

Коэффициент полезного действия двигателя η вычисляют по формуле:

где Аполезн — полезная работа; Qполн — количество теплоты, которое может выделиться в процессе полного сгорания топлива.

Полезная работа всегда меньше количества теплоты, выделяющегося в процессе полного сгорания топлива, поэтому КПД теплового двигателя всегда меньше 100 %. Обычно КПД тепловых двигателей составляет 20-40 % (рис. 16.3).

Рис. 16.3. КПД паровых тепловых двигателей и схема потерь энергии

Подводим итоги

Тепловой двигатель — это циклично работающая машина, которая преобразует энергию топлива в механическую работу.

Любая тепловая машина состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела, холодильника.

Принцип действия тепловых машин: рабочее тело получает некоторое количество теплоты от нагревателя; часть этой теплоты преобразуется в механическую энергию (рабочее тело выполняет работу), а часть отдается холодильнику.

Коэффициент полезного действия η теплового двигателя — это физическая величина, характеризующая экономичность двигателя и показывающая, какая часть всей энергии Qполн, «запасенной» в топливе, преобразуется в полезную работу Aполезн.

КПД теплового двигателя вычисляют по формуле:

Контрольные вопросы

1. Что такое тепловой двигатель? 2. Назовите основные части теплового двигателя. 3. В чем состоит принцип действия теплового двигателя? 4. Назовите основные виды потерь энергии в тепловых двигателях. 5. Дайте определение КПД теплового двигателя. 6. Почему КПД теплового двигателя всегда меньше 100 %?

Упражнение № 16

1. В двигателе при полном сгорании топлива выделилось 500 кДж теплоты. В результате двигатель выполнил полезную работу, равную 125 кДж. Определите КПД теплового двигателя.

2. Во время работы теплового двигателя использовали 0,5 кг дизельного топлива. При этом двигатель выполнил полезную работу, равную 7 МДж. Вычислите КПД двигателя.

3. Тепловой двигатель, КПД которого равно 20 %, израсходовал 10 л бензина. Какую полезную работу выполнил двигатель?

4. Какую среднюю мощность развивает двигатель мотоцикла, если при скорости движения 90 км/ч расход бензина составляет 4 кг на 100 км пути? КПД двигателя 25 %.

5. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте о первых тепловых машинах, созданных человеком.

Экспериментальное задание

«Картофельный выстрел». Возьмите стеклянную бутылку, сполосните ее водой и закупорьте картофелиной (осторожно вдавите горлышко бутылки в картофелину и уберите остатки картофелины). Поставьте закупоренную бутылку в кастрюлю с водой и начните нагревать воду. Через некоторое время «пробка» вылетит (см. рисунок). Объясните это явление.

(Во время проведения опыта нельзя наклоняться над кастрюлей!)

Физика и техника в Украине

Производственное объединение «Южмаш» и конструкторское бюро «Южное» (Днепр)

В начале 50-х гг. прошлого века большой автомобильный завод в Днепропетровске был переоборудован в завод по производству космических ракет, а также было создано конструкторское бюро (КБ) для их разработки. С того времени КБ «Южное» и завод «Южмаш» много лет определяли мировой уровень основных направлений и достижений в ракетно-космической области.

Под руководством таких выдающихся конструкторов, как В. С. Будник, М. К. Янгель, В. Ф. Уткин, С. Н. Конюхов, в КБ «Южное» было разработано 67 типов космических аппаратов и 12 космических комплексов. КБ «Южное» и «Южмаш» создали комплекс «Зенит» — один из самых совершенных в мировой ракетно-космической технике по конструктивному исполнению и автоматизации подготовки к пуску; всего было изготовлено и выведено на орбиту свыше тысячи космических аппаратов.



§ 16. Принцип действия тепловых двигателей. КПД теплового двигателя

Физически развитый человек может за сутки выполнить работу, равную примерно 1 млн джоулей. Среднесуточное потребление энергии одним жителем Земли больше в сотни раз. из всей энергии, потребляемой человеком, около 90 % — энергия топлива. на обогрев помещений и приготовление пищи идет только незначительная часть этой энергии — в основном люди используют энергию топлива, превращая ее в механическую. Как это происходит и при каких условиях возможно такое превращение?

Знакомимся с принципом действия тепловых двигателей

Проведем опыт. Плотно закупорим носик чайника и поставим чайник с водой на горелку газовой плиты. Через некоторое время крышка чайника начнет подпрыгивать. Выясним почему.

Вода в чайнике закипает, и давление пара под крышкой увеличивается. Наконец наступает момент, когда сила давления пара, действующая на крышку, становится больше силы тяжести, и крышка подпрыгивает. В этот момент часть пара выходит наружу, давление пара под крышкой уменьшается и сила тяжести возвращает ее на место (рис. 16.1). Если нагревание продолжить, процесс повторится.

В описанной системе, состоящей из газовой горелки, чайника с крышкой и кипящей воды, за счет энергии, выделяющейся при сгорании топлива, выполняется механическая работа, при этом часть энергии отдается окружающей среде.

Если с крышкой чайника соединить какой-нибудь механизм, получим простейшую модель теплового двигателя.

Тепловой двигатель — это циклично работающая машина, которая преобразует энергию топлива в механическую работу.

Кроме тепловых двигателей существуют другие виды тепловых машин (подробнее об этом вы узнаете в старших классах). Выясним на примере с чайником, из каких основных частей должна состоять тепловая машина.

Во-первых, в данной системе механическую работу выполняет пар, который нагревается и, расширяясь, поднимает крышку. Газ, выполняющий

работу во время своего расширения, называют рабочим телом.

 

Во-вторых, пар под крышкой чайника расширяется в результате получения энергии от газовой горелки. Устройство, от которого рабочее тело получает теплоту, называют нагревателем.

В-третьих, во время опыта водяной пар периодически отдает часть энергии окружающей среде (если бы этого не происходило, «двигатель» не смог бы работать циклично — крышка не возвращалась бы в исходное положение и процесс не повторялся бы). Объект, которому рабочее тело отдает некоторое количество теплоты, называют холодильником.

Любая тепловая машина состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела, холодильника (рис. 16.2).

Определяем КПД теплового двигателя

В любом тепловом двигателе на выполнение работы расходуется только часть энергии, «запасенной» в топливе. Часть выделившейся энергии передается окружающей среде (теряется), кроме того, топливо сгорает не полностью. При этом потери энергии в тепловых двигателях не ограничиваются тепловыми потерями. Часть энергии также расходуется на выполнение работы против сил трения частей и механизмов двигателя. Такие потери энергии называют механическими.

Очевидно: чем меньше тепловые и механические потери в двигателе, тем меньше топлива нужно израсходовать, чтобы выполнить ту же самую полезную работу, и тем экономичнее двигатель.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя — это физическая величина, характеризующая экономичность теплового двигателя и показывающая, какая часть всей энергии, «запасенной» в топливе, преобразуется в полезную работу.

Коэффициент полезного действия двигателя η вычисляют по формуле:

 

где Аполезн — полезная работа; Qiioth — количество теплоты, которое может выделиться в процессе полного сгорания топлива.

Полезная работа всегда меньше количества теплоты, выделяющегося в процессе полного сгорания топлива, поэтому КПД теплового двига-

теля всегда меньше 100 %. Обычно КПД тепловых двигателей составляет 20-40 % (рис. 16.3).

 

Подводим итоги

Тепловой двигатель — это циклично работающая машина, которая преобразует энергию топлива в механическую работу.

Любая тепловая машина состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела, холодильника.

Принцип действия тепловых машин: рабочее тело получает некоторое количество теплоты от нагревателя; часть этой теплоты преобразуется в механическую энергию (рабочее тело выполняет работу), а часть отдается холодильнику.

Коэффициент полезного действия η теплового двигателя — это физическая величина, характеризующая экономичность двигателя и показывающая, какая часть всей энергии фполн, «запасенной» в топливе, преобразуется в полезную работу

A

полезн *

КПД теплового двигателя вычисляют по формуле:

 

Контрольные вопросы    —

’1. Что такое тепловой двигатель? 2. Назовите основные части теплового двигателя. 3. В чем состоит принцип действия теплового двигателя? 4. Назовите основные виды потерь энергии в тепловых двигателях. 5. Дайте определение КПД теплового двигателя. 6. Почему КПД теплового двигателя всегда меньше 100 %?

Упражнение № 16

1.    В двигателе при полном сгорании топлива выделилось 500 кДж теплоты. В результате двигатель выполнил полезную работу, равную 125 кДж. Определите КПД теплового двигателя.

2.    Во время работы теплового двигателя использовали 0,5 кг дизельного топлива. При этом двигатель выполнил полезную работу, равную 7 МДж. Вычислите КПД двигателя.

3.    Тепловой двигатель, КПД которого равно 20 %, израсходовал 10 л бензина. Какую полезную работу выполнил двигатель?

 

4.    Какую среднюю мощность развивает двигатель мотоцикла, если при скорости движения 90 км/ч расход бензина составляет 4 кг на 100 км пути? КПД двигателя 25 %.

5.    Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте о первых тепловых машинах, созданных человеком.

 

Экспериментальное задание

«Картофельный выстрел». Возьмите стеклянную бутылку, сполосните ее водой и закупорьте картофелиной (осторожно вдавите горлышко бутылки в картофелину и уберите остатки картофелины). Поставьте закупоренную бутылку в кастрюлю с водой и начните нагревать воду. Через некоторое время «пробка» вылетит (см. рисунок). Объясните это явление.

(Во время проведения опыта нельзя наклоняться над кастрюлей!)

Физика и техника в Украине

 

Производственное объединение «Южмаш» и конструкторское бюро «Южное» (Днепр)

В начале 50-х гг. прошлого века большой автомобильный завод в Днепропетровске был переоборудован в завод по производству космических ракет, а также было создано конструкторское бюро (КБ) для их разработки. С того времени КБ «Южное» и завод «Южмаш» много лет определяли мировой уровень основных направлений и достижений в ракетно-космической области.

Под руководством таких выдающихся конструкторов, как В. С. Будник, М. К. Янгель, В. Ф. Уткин, С. Н. Конюхов, в КБ «Южное» было разработано 67 типов космических аппаратов и 12 космических комплексов. КБ «Южное» и «Южмаш» создали комплекс «Зенит» — один из самых совершенных в мировой ракетно-космической технике по конструктивному исполнению и автоматизации подготовки к пуску; всего было изготовлено и выведено на орбиту свыше тысячи космических аппаратов.

Презентацмя к уроку «Принцип действия тепловых двигателей. Цикл Карно в идеальных тепловых машинах».

Презентация является сопровождеием к уроку с одноимённым названием. Здесь в иллюстрированной форме показаны мстория создания тепловых машин и применение законов термодинамики на пути к получению идеальной тепловой машины.

Просмотр содержимого документа
«Презентацмя к уроку «Принцип действия тепловых двигателей. Цикл Карно в идеальных тепловых машинах».»

Ветряная мельница и водяное колесо

Паровая машина Томаса Ньюкомена

Принцип действия тепловых двигателей. Цикл КАРНО в идеальных тепловых машинах. КПД теплового двигателя.

Цель: познакомиться с принципами работы теплового двигателя, с его устройством и назначением его составных частей, уяснить для себя, каков же может быть КПД этого двигателя ,и почему он никогда не сможет быть 100% .И как можно создать идеальную тепловую машину.

Оцените справедливость утверждений

  • 1. Внутренняя энергия газа изменяется при теплопередаче и совершении работы.
  • 2. Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и работу внешних сил.
  • 3 .Газ может совершать работу при любых, происходящих с ним процессах.
  • 4 .В природе встречаются процессы передачи теплоты от более холодного тела более горячему
  • 5 .Можно ли утверждать, что система обладает внутренней энергией, но нельзя утверждать, что она обладает запасом определенного количества теплоты или работы.

Тепловой двигатель- устройство, преобразующее внутреннюю энергию тела в механическую работу.

Схема тепловой машины

Нагреватель .( тело с высокой температурой)

Рабочее тело ( тело, способное выполнить механическую работу, в нашем случае, тело, которое при нагревании хорошо расширяется

Первый закон термодинамики

При изотермическом процессе работа определяется по площади под изотермой

Схема тепловой машины

Второй закон термодинамики

  • В циклическом действующем тепловом двигателе невозможно преобразовать все количество теплоты, полученное от нагревателя, в механическую работу.

Теплопередача – процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом называется теплопередачей

Рефлексия

  • сегодня я узнал… было трудно… я понял, что… я научился… я смог… было интересно узнать, что… меня удивило… мне захотелось…
  • сегодня я узнал…
  • было трудно…
  • я понял, что…
  • я научился…
  • я смог…
  • было интересно узнать, что…
  • меня удивило…
  • мне захотелось…

Лестница успеха

Объясните принцип работы тепловой машины. Определите его эффективность. Опишите аналитический метод определения проделанной работы — Sarthaks eConnect

Это устройство, которое непрерывно преобразует тепловую энергию в механическую в циклическом процессе.

Как показано на рисунке, тепловая энергия состоит из следующих основных частей: 

(i) Источник: Это резервуар тепла при более высокой температуре T 1 Предполагается, что он имеет бесконечную теплоемкость, так что любое количество тепла может быть извлечено из него без изменения температуры.

(ii) Раковина: Это резервуар тепла при более низкой температуре T 2 . Он также обладает бесконечной теплоемкостью, так что к нему можно добавить любое количество тепла без изменения его температуры.

(iii) Рабочее вещество: Рабочее вещество – это любой материал (твердый, жидкий или газообразный), который совершает механическую работу при подводе к нему тепла. Например, смесь паров топлива и воздуха используется в бензиновом или дизельном двигателе или пар в паровом двигателе.

Рабочая: В каждом цикле работы рабочее тело поглощает определенное количество теплоты Q 1 от источника более высокой температуры T 1 , преобразует часть этой тепловой энергии в механическую работу W и отдает оставшуюся нагревать Q 2 до понижения при более низкой температуре T 2 . Совершаемая за цикл работа W передается в окружающую среду каким-либо устройством, например, рабочее тело может находиться в цилиндре с движущимся поршнем, передающим механическую энергию колесам транспортного средства через вал.

КПД тепловой машины: КПД тепловой машины определяется как отношение полезной работы, совершаемой двигателем за один цикл, к количеству тепла, поглощаемому рабочим телом от источника.

При возвращении рабочего тела в исходное состояние после совершения одного цикла его внутренняя энергия не изменяется. Следовательно, согласно первому закону термодинамики, чистая теплота, поглощаемая в цикле, = выполненной работе

.

т.е. Q 1 — Q 2 = W

Эффективность тепловой машины определяется выражением

.

Отсюда η = 1 — Q 2 /Q 1  

КПД тепловой машины всегда меньше единицы.Ясно, что при Q 2 = 0, η = 1 или 100%.

Тепловые машины чрезвычайной эффективности и общий принцип их работы[v1]

Препринт Статья Версия 1 Сохранено в портике. Эта версия не рецензируется.

Версия 1 : Получено: 10 апреля 2017 г. / Утверждено: 10 апреля 2017 г. / В сети: 10 апреля 2017 г. (18:00:41 CEST)

Корнуолл, Р. Тепловые двигатели чрезвычайной эффективности и общий принцип их работы. Препринты 2017 , 2017040057 (doi: 10.20944/препринты201704.0057.v1). Корнуолл, Р. Тепловые двигатели чрезвычайной эффективности и общий принцип их работы. Препринты 2017 г., 2017040057 (doi: 10.20944/preprints201704.0057.v1). Копировать

Цитировать как:

Корнуолл, Р. Тепловые двигатели чрезвычайной эффективности и общий принцип их работы. Препринты 2017 , 2017040057 (doi: 10.20944/preprints201704.0057.v1). Корнуолл, Р. Тепловые двигатели чрезвычайной эффективности и общий принцип их работы.Препринты 2017 г., 2017040057 (doi: 10.20944/preprints201704.0057.v1). Копировать

ОТМЕНА КОПИРОВАТЬ ДЕТАЛИ ЦИТАТА

Абстрактный

Цель этой статьи состоит в том, чтобы объяснить новые типы тепловых двигателей с необычайной эффективностью, в частности, чтобы в конечном итоге сосредоточиться на исследованиях автора в области устройства с временной магнитной остаточной намагниченностью. Сначала мы расширяем определение тепловых двигателей через диаграммную классификационную схему и отмечаем парадоксальное несовпадение между Карно, Кельвином-Планком и другими формами 2-го закона, между секторами диаграммы.Затем между секторами диаграммы видно, как сверхэффективные тепловые двигатели могут уменьшать степени свободы, возникающие в результате изменения химического потенциала, по сравнению с простым выделением тепла; пока в правом секторе диаграммы не опровергается расхожее мнение о необходимости двух резервуаров. Краткий обзор проблемы демона Максвелла не обнаруживает никаких проблем с теоретико-информационными построениями. Представлено наше продолжающееся экспериментальное исследование цикла временной магнитной остаточной намагниченности с использованием стандартной кинетической теории, термодинамики и электродинамики, но возникает противоречие со 2-м законом, помещающим его в правый сектор классификационной диаграммы.

Ключевые слова

Демон Максвелла, Фазовый переход, Феррожидкость, Магнитокалорический эффект, Стрела времени

Тема

ФИЗИЧЕСКИЕ НАУКИ, общая и теоретическая физика

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы.

Комментарии (0)

Мы приветствуем комментарии и отзывы широкого круга читателей.См. критерии для комментариев и наше заявление о разнообразии.


что это?

Добавьте запись об этом обзоре в Publons, чтобы отслеживать и демонстрировать свой опыт рецензирования в журналах со всего мира.

×

Узнайте о применении теплового двигателя

В действительности двигатель должен быть быстродействующим, т. е. цикл должен выполняться как можно быстрее. Таким образом, эти факторы необходимо учитывать при проектировании машины. Двигатель Карно практически исключен, так как процесс очень медленный.

В двигателе Отто поглощение тепла происходит практически мгновенно.

Первоначально был предложен цикл Отто с двигателем, состоящим из цилиндра и поршня. Цилиндр снабжен впускными клапанами для воздуха и газа. На рисунке представлена ​​четырехтактная схема двигателя Отто.

Полный цикл состоит из четырех тактов.

  • Такт зарядки/впуска: впускные клапаны открываются, и подходящая смесь газа и воздуха всасывается в цилиндр за счет движения поршня вперед.

  • Такт сжатия: Все клапаны закрыты; горючая смесь адиабатически сжимается за счет обратного движения поршня.

  • Рабочий ход/ход расширения: Поршень выбрасывается вперед с огромной силой, благодаря сгоранию выделяется большое количество тепла, что повышает температуру и создается соответствующее высокое давление.

  • Такт выпуска: После третьего такта цилиндр заполняется смесью газов, бесполезной для дальнейшей работы.Выпускные клапаны открыты, и поршень движется назад, чтобы вытолкнуть смесь.

КПД двигателя Отто низкий. Низкий КПД двигателя Отто побудил некоторых ученых начать исследования с идеи о том, что эффективность цикла Карно может быть достигнута некоторыми процессами.

В дизельном цикле топливо воспламеняется за счет тепла, выделяющегося при сжатии воздуха в камере сгорания. Во время сжатия в дизельный двигатель не подается газ или бензин.Индикаторная диаграмма приведена для идеализированного дизельного цикла. Дизельный цикл может выполняться в цилиндре, снабженном воздухозаборниками, подводами масла и выпускными клапанами.

Дизельные двигатели применяются в автомобилях, самолетах, тепловозах, кораблях, подводных лодках и т. д. 

Выше показан четырехтактный идеализированный дизельный двигатель.

  • Впускной клапан открыт: начинается такт всасывания.

  • Все клапаны закрыты: такт сжатия.

  • Окончание впрыска топлива, все клапаны закрыты: рабочий ход в процессе.

  • Начало такта выпуска: выпускной клапан открыт.

Некоторые недостатки дизельных двигателей:

Большая степень сжатия, развитие огромного давления и т. д. Степень сжатия относится к степени, при которой топливная смесь (например, газ + воздух, масло + воздух и т. д.) любого теплового двигателя сжимается до начала зажигания.

Большая степень сжатия увеличивает вес двигателя.Таким образом, стоимость становится высокой также.

Генерация огромного давления оказывает большую нагрузку на компоненты двигателя, что также приводит к интенсивному сгоранию топлива.

Чтобы избежать этих проблем, был изобретен другой тип двигателя, известный как полудизельный двигатель.

2.1 Тепловые двигатели и холодильники

2.1 Тепловые двигатели и холодильники
Следующий: 2.2 Второй закон термодинамики Предыдущий: 2. Классическая термодинамика: второй закон

Выносное сообщение: производство работы за счет тепла требует температурного градиента.Это неэффективный процесс — большая часть энергии теряется в виде отработанного тепла

Сначала прочтите введение в тепловые двигатели здесь.

В любом тепловом двигателе тепло извлекается из горячего источника (например, из горячих продуктов сгорания в двигателе автомобиля). Двигатель работает на окружающую среду, а отработанное тепло отводится в холодный резервуар (например, во внешний воздух). воздуха). Это экспериментальный факт, что отходящее тепло невозможно устранить, как бы желательно это ни было. быть. Действительно, в практических двигателях больше энергии, извлекаемой из горячего источника, тратится впустую, чем превращается в работу.

КПД тепловой машины есть отношение выполненной работы к теплоте, полученной от Горячий источник:

Если — отброшенное тепло, то по закону сохранения энергии


Пример расчета эффективности для конкретного цикла (цикла Отто) можно найти здесь.

Тепловые двигатели также могут использоваться для перекачки тепла от более холодных тел к более горячим. Это всегда требует ввода работы. Примерами являются холодильники, кондиционеры и тепловые насосы.Все они по сути одинаковы, но в первые два предназначены для охлаждения (или сохранения прохлады) холодильника, комнаты или здания, а в последнем цель заключается в обогреве (или поддержании тепла) здания. В этих случаях то, что мы называем эффективностью, отличается. В целом

В тепловом двигателе дорого стоит (например, бензин!)

В холодильнике или кондиционере дорого стоит работа (электричество) и желаемый результат. извлечение из комнаты или холодильника, поэтому

В тепловом насосе дорого стоит работа (электроэнергия), а желаемый результат пристройка к зданию, так что

Их иногда называют «коэффициентами тепловых характеристик», потому что студентов беспокоит «эффективность» больше единицы.В тепловом насосе не было бы смысла, если бы его эффективность, как мы определили его, были меньше единицы — вместо этого мы просто использовали бы электрический нагреватель (эффективность ровно один)!

Обратите внимание, что настоящие двигатели оптимизированы для работы вперед или назад и не являются реверсивными . в техническом смысле (трение есть, процессы не квазистатичны). Таким образом, относительные размеры , и будет зависеть от направления. Однако для идеализированных обратимых двигателей только знаки изменятся, а у нас

Часто мы имеем дело с двигателями, работающими только между двумя резервуарами — одним горячим и одним холодным.В этом В этом случае имеется стандартный способ обозначения тепловой машины, приведенный ниже с соответствующими цикл в сюжете. Если все стрелки перевернуты, это означает тепловой насос или холодильник.

Вопросы о тепловых двигателях и насосах часто связаны с наиболее эффективными возможными двигателями. не с конкретными циклами. Примеры таких вопросов можно найти в разделе Двигатели Карно.

Ссылки

  • ( Мандл 5.2)
  • Адкинс 4.2, 4,8
  • Земанский 6.1-5

Подразделы

Следующий: 2.2 Второй закон термодинамики Предыдущий: 2. Классическая термодинамика: второй закон
Джудит Макговерн 2004-03-17
.

Автор: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.