Устройство теплового двигателя: 520: Web server is returning an unknown error

Содержание

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

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

Подробности
Просмотров: 980

«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 < Q1.

Для того чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо рабочее тело вернуть в начальное состояние, при котором температура рабочего тела равна Т1. 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’ = Q1

— |Q2|,         (13.15)

где Q1 — 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 < 1.

Максимальное значение КПД тепловых двигателей.

Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, 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 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 < V1. Затем сосуд снова теплоизолируют, газ сжимается адиабатно до объёма V

1 и возвращается в первоначальное состояние. Для КПД этой машины было получено следующее выражение:

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

Насыщенный пар — Давление насыщенного пара — Влажность воздуха — Примеры решения задач по теме «Насыщенный пар. Влажность воздуха» — Кристаллические тела — Аморфные тела — Внутренняя энергия — Работа в термодинамике — Примеры решения задач по теме «Внутренняя энергия. Работа» — Количество теплоты. Уравнение теплового баланса — Примеры решения задач по теме: «Количество теплоты. Уравнение теплового баланса» — Первый закон термодинамики — Применение первого закона термодинамики к различным процессам — Примеры решения задач по теме: «Первый закон термодинамики» — Второй закон термодинамики — Статистический характер второго закона термодинамики — Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей — Примеры решения задач по теме: «КПД тепловых двигателей»

дизельных и карбираторных — доклад

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.

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.

О двигателях внутреннего сгорания

В конце XIX века немецким конструктором Августом Отто была предложена конструкция ДВС с карбюратором, где приготавливается топливовоздушная смесь.

Остановимся более подробно на его работе. Каждый цикл работы состоит из 4-х тактов: впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.

Во время первого такта горючая смесь впрыскивается в цилиндр и сжимается поршнем. Когда компрессия достигает максимума, срабатывает система электроподжига (искра от свечи). В результате этого микровзрыва температура в камере сгорания достигает 16 000 — 18 000 градусов. Образующиеся газы давят на поршень, толкают его, проворачивая соединенный с поршнем коленчатый вал. Это и есть рабочий ход, приводящий автомобиль в движение.

А охладившиеся газы через выпускной клапан выбрасываются в атмосферу. Пытаясь улучшить эффективность работы устройства, разработчики увеличивали степень сжатия горючей смеси, но тогда она самовоспламенялась «досрочно».

Немецкий инженер Дизель нашел интересный выход из этого затруднения…

В цилиндрах дизеля за счёт движения поршня сжимается чистый воздух. Это позволило в несколько раз увеличить степень сжатия. Температура в камере сгорания достигает 900 град. В конце такта сжатия туда впрыскивается солярка. Её мелкие капли, смешавшись со столь разогретым воздухом, самовоспламеняются. Образующиеся газы, расширяясь, давят на поршень, осуществляя рабочий ход.

Итак, дизельные двигатели отличаются от карбюраторных:

  • По роду используемого топлива. Карбюраторные двигатели — бензиновые. Дизельные — потребляют исключительно солярку.
  • Дизель на 15–20 % экономичнее карбюраторных двигателей за счёт большей степени сжатия, но его обслуживание дороже, чем у его соперника — бензинового двигателя.
  • В числе минусов дизеля — в холодные российские зимы солярка загустевает, нужен её подогрев.
  • Последние исследования американских учёных показали, что выбросы от дизельных двигателей по составу менее вредны, чем от их бензиновых аналогов.

Многолетняя конкуренция между двумя видами ДВС завершилась распределением сферы их использования. Дизельные двигатели как более мощные устанавливаются на морском транспорте, на тракторах и автомобилях большой грузоподъёмности, а карбюраторные — на автомобили малой и средней грузоподъемности, на моторные лодки, мотоциклы и т. д.

Коэффициент полезного действия (КПД)

Эффективность эксплуатации любого механизма определяется его КПД. Паровой двигатель, выпускающий отработанный пар в атмосферу, имеет весьма низкий КПД от 1 до 8%, бензиновые двигатели до 30%, обычный дизельный двигатель до 40%. Безусловно, во все времена инженерная мысль не останавливалась и искала пути повышения КПД.

Талантливый французский инженер Сади Карно разработал теорию работы идеального теплового двигателя.

Его рассуждения были следующими: чтобы обеспечить повторяемость циклов, необходимо, чтобы расширение рабочего вещества при нагревании сменялось его сжатием до первоначального состояния. Этот процесс может совершаться только за счёт работы внешних сил. Причём работа этих сил должна быть меньше полезной работы самого рабочего тела. Для этого следует понизить его давление путём охлаждения в холодильнике. Тогда график всего цикла будет иметь вид замкнутого контура, он то и стал называться циклом Карно. Максимальный КПД идеального двигателя вычисляется по формуле:

Где η сам коэффициент полезного действия, T1 и T2 абсолютные температуры нагревателя и холодильника. Они вычисляются по формуле T= t+273, где t температура по Цельсию. Из формулы видно, что для увеличения КПД необходимо увеличить температуру нагревателя, что ограничено жаропрочностью материала, или понизить температуру холодильника. Максимальный КПД будет при Т= 0К, что также технически неосуществимо.

Реальный коэффициент всегда меньше КПД идеального теплового двигателя. Сравнивая реальный коэффициент с идеальным, можно определить резервы для совершенствования имеющегося двигателя.

Работая в этом направлении, конструкторы снабдили бензиновые двигатели последнего поколения инжекторными системами подачи топлива (впрыскивателями). Это позволяет с помощью электроники добиться его полного сгорания и соответственно увеличить КПД.

Изыскиваются пути уменьшения трения соприкасающихся деталей двигателя, а также улучшения качества используемого топлива.

Прежде природа угрожала человеку, а теперь человек угрожает природе

Со следствиями неразумной деятельности человека приходится сталкиваться уже нынешнему поколению. И значительный вклад в нарушение хрупкого равновесия природы вносит огромный объём тепловых двигателей, используемых на транспорте, в сельском хозяйстве, а также паровых турбин электростанций.

Это вредное воздействие проявляется в колоссальных выбросах и повышении содержания углекислого газа в атмосфере. Процесс сгорания топлива сопровождается потреблением атмосферного кислорода в таких масштабах, что это превышает его выработку всей земной растительностью.

Значительная часть тепла от двигателей рассеивается в окружающей среде. Этот процесс, усугубляемый парниковым эффектом, приводит к повышению среднегодовой температуры на Земле. А глобальное потепление чревато катастрофическими последствиями для всей цивилизации.

Чтобы ситуация не усугублялась, необходима эффективная очистка, отработанных газов, переход на новые экологические стандарты, предъявляющие более жёсткие требования к содержанию вредных веществ в выхлопных газах.

Очень важно использовать только качественное топливо. Хорошие перспективы ожидаются от использования в качестве горючего водорода, поскольку при его сгорании вместо вредных выбросов образуется вода.

В недалеком будущем значительная часть автомобилей, работающих на бензине, будет заменена электромобилями.

Только общими усилиями мы можем сохранить этот удивительный мир, которым природа одарила нашу планету.

Автор: Драчёва Светлана Семёновна


Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя в группе ВКонтакте. А ещё — спасибо, если ты нажмёшь на одну из кнопочек «лайков»:

Вы можете оставить комментарий к докладу.

Тепловой двигатель

Термодинамика возникла как наука с основной задачей – созданием наиболее эффективных тепловых машин.

Определение 1

Тепловая машина или тепловой двигатель – это периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получения теплоты.

Обычно совершение работы в тепловом двигателе производится газом при его расширении. Газ, находящийся в нем, получил название рабочего тела. Зачастую его заменяют на воздух или водяные пары. Расширение газа происходит по причине повышения его температуры и давления.

Определение 2

Устройство, от которого рабочее тело получает тепло Qn, называю нагревателем.

Это понимается как расширение от объема V1 к V2 V2>V1, затем сжатие до первоначального объема. Чтобы значение совершаемой работы за цикл было больше нуля, необходимо температуру и давление увеличить и сделать больше, чем при его сжатии. То есть при расширении телу сообщается определенное количество теплоты, а при сжатии отнимается. Значит, кроме нагревателя тепловой двигатель должен иметь холодильник, которому рабочее тело может отдавать тепло.

Рабочее тело совершает работу циклично. Очевидно, изменение внутренней энергии газа в двигателе равняется нулю. Если при расширении от нагревателя к рабочему телу передается теплота в количестве Qn, то при сжатии Q’ch теплота рабочего тела передается холодильнику по первому закону термодинамики, учитывая, что ∆U=0, то значение работы газа в круговом процессе запишется как:

A=Qn-Q’ch (1).

Отсюда теплота Q’ch≠0. Выгодность двигателя определяется по количеству выделенной и превращенной теплоты, полученной от нагревателя, в работу. Его эффективность характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД), определяющимся как:

η=AQn (2).

Запись уравнения (2) при учитывании (1) примет вид:

η=Qn-Q’chQn (3), КПД всегда.

Определение 3

Машина, отбирающая от тела с меньшей температурой определенное количество теплоты Qch и отдающая его Q’n телу с наиболее высокой температурой с Q’n>Qch, получила название холодильной машины.

Данная машина должна совершить работу A’ в течение цикла. Эффективность холодильной машины определяется по холодильному коэффициенту, вычисляемому:

a=Q’nA’=Q’nQ’n-Qch (4).

КПД необратимого теплового двигателя всегда меньше, чем работающего по обратимому циклу.

КПД теплового двигателя

Французским инженером Саади Карно была установлена зависимость КПД теплового двигателя от температуры нагревателя Tn и холодильника Tch. Форма конструкции теплового двигателя и выбор рабочего тела не влияет на КПД идеальной тепловой машины:

ηmax=Tn-TchTn (5).

Любой реальный тепловой двигатель может обладать КПД η≤ηmax.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Принцип работы теплового двигателя

Идеальная машина, модель которой разработал Карно, работает по обратимому циклу, состоящему из двух изотерм (1-2, 4-3) и двух адиабат (2-3, 4-1), изображенная на рисунке 1. В качестве рабочего тела выбран идеальный газ. Прохождение адиабатного процесса происходит без подвода и отвода тепла.

Рисунок 1

Участок 1-2 характеризуется сообщением рабочему телу от нагревателя с температурой Tn количества тепла Qn. При изотермическом процессе запись примет вид:

Qn=Tn(S2-S1) (6), где S1, S2 являются энтропиями в соответствующих точках цикла из рисунка 1.

Видно, что участок 3-4 характеризуется отдачей тепла холодильнику с температурой Tch идеальным газом, причем количество теплоты равняется получению газом теплоты -Qch, тогда:

-Qch=Tch(S1-S2) (7).

Выражение, записанное в скобках в (7), указывает на приращение энтропии процесса 3-4.

Принцип действия тепловых двигателей КПД

Произведем подстановку (6), (7) в определение КПД теплового двигателя и получаем:

η=Tn(S2-S1)+Tch(S1-S2)Tn(S2-S1)=Tn-TchTn (8).

В выведенном выражении (8) не выполнялось предположений о свойствах рабочего тела и устройстве теплового двигателя.

По уравнению (8) видно, что для увеличения КПД следует повышать Tn и понижать Tch. Достижение значения абсолютного нуля невозможно, поэтому единственное решение для роста КПД – увеличение Tn.

Задача по созданию теплового двигателя, совершающего работу без холодильника, очень интересна. В физике она получила название вечного двигателя второго рода. Такая задача не находится в противоречии с первым законом термодинамики. Данная проблема считается неразрешимой, как и создание вечного двигателя первого рода. Этот опытный факт в термодинамике приняли в качестве постулата – второго начала термодинамики.

Пример 1

Рассчитать КПД теплового двигателя с температурой нагревания 100 °С и температурой холодильника, равной 0 °С. Считать тепловую машину идеальной.

Решение

Необходимо применение выражения для КПД теплового двигателя, которое записывается как:

η=Tn-TchTn.

Используя систему СИ, получим:

Tn+100 °C+273=373 (К).Tch=0 °C+273=273 (К).

Подставляем числовые значения и вычисляем:

η=373-273373=0,27=27%.

Ответ: КПД теплового двигателя равняется 27%.

Пример 2

Найти КПД цикла, представленного на рисунке 2, если в его пределах объем идеального газа проходит изменения n раз. Считать рабочим веществом газ с показателем адиабаты γ.

Рисунок 2

Решение

Основная формула для вычисления КПД, необходимая для решения данной задачи:

η=Qn-Q’nQn (2.1).

Получения тепла газом происходит во время процесса 1-2Q12=Qn:

Q12=∆U12+A12 (2.2), где A12=0 потому как является изохорным процессом. Отсюда следует:

Q12=∆U12=i2RT2-T1 (2.3).

Процесс, когда газ отдает тепло, обозначается как 3-4, считается изохорным -Q34=Q’ch. Формула примет вид:

Q34=∆U34=i2vRT4-T3 (2.4).

Адиабатные процессы проходят без подвода и отвода тепла.

Произведем подстановку полученных количеств теплоты в выражение для КПД, тогда:

η=i2vRT2-T1+i2vRT4-T3i2vRT2-T1=T2-T1+T4-T3T2-T1=1-T3-T4T2-T1 (2.5).

Следует применить уравнение для адиабаты процессу 2-3:

T2V1γ-1=T3V2γ-1→T2=T3V2γ-1V1γ-1=T3nγ-1 (2.6).

Используем выражение для адиабаты процесса 4-1:

T1V1γ-1=T3V2γ-1→T1=T4V2γ-1V1γ-1=T4nγ-1 (2.7).

Перейдем к нахождению разности температур T2-T1:

T2-T1=T3-T4nГ-1 (2.8).

Произведем подстановку из (2.8) в (2.5):

η=1-T3-T4T3-T4nγ-1=1-1nγ-1=1-n1-γ (2.9).

Ответ: КПД цикла равняется η=1-n1-Г.

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/м𝟑.

Тепловые двигатели. Принцип действия тепловых двигателей. КПД двигателей.

Двигатель, в котором происходит превращение внутренней энергии топлива, которое сгорает, в механическую работу.

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: нагревателярабочего тела (газ, жидкость и др.) и холодильника. В основе работы двигателя лежит циклический процесс (это процесс, в результате которого система возвращается в исходное состояние).

Прямой цикл теплового двигателя

Общее свойство всех циклических (или круговых) процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q1 (происходит расширение) и отдает холодильнику количество теплоты Q2, когда возвращается в исходное состояние и сжимается. Полное количество теплоты Q=Q1-Q2, полученное рабочим телом за цикл, равно работе, которую выполняет рабочее тело за один цикл.

Обратный цикл холодильной машины

При обратном цикле расширение происходит при меньшем давлении, а сжатие — при большем. Поэтому работа сжатия больше, чем работа расширения, работу выполняет не рабочее тело, а внешние силы. Эта работа превращается в теплоту. Таким образом, в холодильной машине рабочее тело забирает от холодильника некоторое количество теплоты Q1 и передает нагревателю большее количество теплоты Q2.

Коэффициент полезного действия

Прямой цикл:

Показатель эффективности холодильной машины:

Цикл Карно

В тепловых двигателях стремятся достигнуть наиболее полного превращения тепловой энергии в механическую. Максимальное КПД.

На рисунке изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном двигателе и в дизельном двигателе. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30%, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Французский физик С.Карно разработал работу идеального теплового двигателя. Рабочую часть двигателя Карно можно представить себе в виде поршня в заполненном газом цилиндре. Поскольку двигатель Карно — машина чисто теоретическая, то есть идеальная, силы трения между поршнем и цилиндром и тепловые потери считаются равными нулю. Механическая работа максимальна, если рабочее тело выполняет цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот цикл называют циклом Карно.

участок 1-2: газ получает от нагревателя количество теплоты Q1 и изотермически расширяется при температуре T1
участок 2-3: газ адиабатически расширяется, температура снижается до температуры холодильника T2
участок 3-4: газ экзотермически сжимается, при этом он отдает холодильнику количество теплоты Q2
участок 4-1: газ сжимается адиабатически до тех пор, пока его температура не повысится до T1.
Работа, которую выполняет рабочее тело — площадь полученной фигуры 1234.

Функционирует такой двигатель следующим образом:

1. Сначала цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром, и идеальный газ расширяется при постоянной температуре. На этой фазе газ получает от горячего резервуара некое количество тепла.
2. Затем цилиндр окружается идеальной теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется, и газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.
3. На третьей фазе теплоизоляция снимается, и газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.
4. Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией, и газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого теплоизоляция удаляется и цикл повторяется вновь с первой фазы.

КПД цикла Карно не зависит от вида рабочего тела

для холодильной машины

В реальных тепловых двигателях нельзя создать условия, при которых их рабочий цикл был бы циклом Карно. Так как процессы в них происходят быстрее, чем это необходимо для изотермического процесса, и в то же время не настолько быстрые, чтоб быть адиабатическими.

Тепловые двигатели. 8-й класс

Цель урока: изучение устройства, принципа действия и назначения тепловых машин на примере двигателя внутреннего сгорания.

Задачи:

  • Образовательные:
    • выявить возможность превращения внутренней энергии в механическую в процессе решения поставленной ситуации;
    • дать определение теплового двигателя;
    • выяснить принцип действия теплового двигателя;
    • познакомиться с устройством теплового двигателя;
    • выяснить назначение теплового двигателя.
  • Развивающие
    • развитие логического мышления;  умения анализировать, сравнивать, систематизировать информацию;
  • Воспитательные:
    • способствовать формированию культуры умственного труда;
    • формировать ответственность в выполнении учебной задачи.

Предметные результаты: понимание физических основ  устройства и принципа действия теплового двигателя.

Метапредметные результаты: анализ учебного текстового материала; составление схемы теплового двигателя.

Личностные результаты: представление о роли теплового двигателя в жизни человека, понимание важности охраны окружающей среды.

Оборудование: компьютер,  интерактивная доска, мультимедийный проектор, Приложение 1 (презентация в программе Power Point), Приложение 2 (флеш-анимации в программе Smart notebook), модель теплового двигателя.

Этап

Деятельность учителя

Деятельность учащихся

1. Организационный момент

Приветствие учащихся

Взаимодействуют с учителем

2. Актуализация темы (постановка учебной проблемы)

Ситуация. Что произойдет, если нагревать пробирку с водой, плотно закрытую пробкой?
Эксперимент 1.
Постановка цели урока

Выдвигают гипотезы, включаются в диалог с учителем по формированию учебной проблемы

3. Изучение нового материала

Каким образом сконструировать машину, которая могла бы совершать полезную работу?
Эксперимент 2.
Вводится понятие теплового двигателя.
Рассматривается принцип действия и устройство теплового двигателя. Разновидности тепловых двигателей.
Вводится понятие КПД теплового двигателя. Сравниваются эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

Учащиеся наблюдают, выдвигают гипотезы, делают выводы.

Работают с конспектом.

Учащиеся слушают и записывают в тетрадь

4. Первичное закрепление нового материала (решение качественных и расчетных задач)

Какие устройства называют ТД?
Можно ли огнестрельное оружие отнести к ТД?
Можно ли организм человека отнести к ТД?
КПД = 45% ? Что это значит?
Задача №1140 (Лукашик В.И.)

Отвечают на вопросы, обсуждают, доказывают.

5. Первичная проверка знаний

Выполнение компьютерного теста (на интерактивной доске)

Работают самостоятельно

6. Итог. Рефлексия

Что изучали на уроке?
Что вас удивило?
Что больше всего понравилось?
Какое открытие вы сегодня сделали?
Выставление оценок. Благодарность учащимся за работу.

Анализируют свою деятельность на уроке

7. Организация работы дома

  1. §21-24.
  2. Подготовить сообщения  об истории создания ТД.
  3. Экологические проблемы, связанные с применением тепловых двигателей.

 

Записывают домашнее задание

ХОД УРОКА

1. Организационный момент

2. Актуализация темы (постановка учебной проблемы).

Ситуация. Что произойдет, если нагревать пробирку с водой, плотно закрытую пробкой?
Учащиеся выдвигают гипотезы.

Эксперимент 1. Укрепляем  на подставке пробирку. Наливаем  в неё   воды и плотно заткнём  пробкой. Под пробиркой зажигаем горелку. Вода закипает и вышибает пробку. При горении выделяется теплота. Эта теплота израсходуется на повышение температуры воды в пробирке до температуры кипения воды и на её испарение. Пар давит на пробку, при этом внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию пробки. Делаем вывод; тепловая энергия превращается в механическую энергию (Приложение 1, слайд 1). Приведите примеры ситуаций, когда внутренняя энергия переходит в механическую и наоборот.

Учитель. На этом принципе основана работа оружия. Например, пушка Архимеда. А каким образом сконструировать машину, которая могла бы совершать полезную работу, например,  перевозить груз?
В ходе эвристической беседы приходим к выводу, что пробирку можно заменить цилиндром, а пробку – поршнем. Таким образом, мы приходим к понятию теплового двигателя. Вместе с учащимися формулируется цель урока – изучение машины, которая могла бы совершать полезную работу за счет внутренней энергии.

3. Изучение нового материала

Тепловым двигателем называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

Учитель. Что можно сказать о длительности процесса в рассмотренном примере? (кратковременный)
Что нужно сделать, чтобы движение продолжалось?  (повторять процесс перехода внутренней энергии в механическую энергию, т.е.  всю систему нужно перевести в исходное состояние).

Эксперимент 2. Демонстрируется опыт или отрывок учебного фильма (создан совместно с учащимися 8 класса). При нагревании колбы в горячей воде, воздух расширяется и выталкивает воду из U – образной трубки и поплавок поднимается. Если опустить колбу в холодную воду, то воздух снова сжимается. Процесс можно повторить. Сделаем вывод: для того, чтобы вернуть систему в исходное состояние, ее необходимо охлаждать, т.е. чтобы процесс мог повториться всю систему нужно перевести в исходное состояние Рассмотренный принцип используется в тепловых двигателях (слайд 2).

Учитель. Рассмотрим принцип работы теплового двигателя на модели двигателя внутреннего сгорания. Отмечаем, что в двигателе внутреннего сгорания топливо быстро сгорает непосредственно внутри цилиндра. При этом горячие газы производят большое давление как на стенки цилиндра, так и на подвижный поршень.

Учащиеся работают в тетрадях, изображают принцип работы теплового двигателя (слайд 3). Тепловой двигатель состоит из нагревателя (устройства, где сгорает топливо), рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты (Q1). Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу (Ап) за счет своей внутренней энергии. Часть энергии (Q2) передается холодильнику вместе с отработанным паром или выхлопными газами.
После этого с помощью интерактивной модели (Приложение 2) изучаем четыре такта ДВС (слайд 4). Подчеркивается роль рабочего хода и роль маховика в накоплении энергии для осуществления последующих ходов поршня.

1 такт – впуск. Поршень опускается вниз, при этом в камере создается  разреженное пространство, в это время открывается первый клапан и в цилиндр поступает горючая смесь.
2 такт – сжатие. Клапан закрывается. Поршень поднимается вверх, сжимая горючую смесь. В конце такта горючая смесь воспламеняется от электрической искры и сгорает.
3 такт – рабочий ход. Образующиеся при сгорании газы расширяются и толкают при этом поршень. Поршень совершает  работу.
4 такт – выпуск. Поршень по инерции поднимается вверх, открывается второй клапан, через который выходят отработанные газы.

В автомобилях используются 4-х цилиндровые двигатели внутреннего сгорания. Цилиндры отрегулированы так, что в них поочередно происходит рабочий ход, и вал все время получает энергию от одного из поршней.
Учащиеся работают с учебником, знакомятся с устройством теплового двигателя: цилиндр, поршень, коленчатый вал, 2 клапана (впуск и выпуск), свеча. Крайние положения поршня в цилиндре называют мертвыми точками. Расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой, называют ходом поршня. Один ход поршня, или один такт двигателя, совершается за пол-оборота коленчатого вала.

Учитель. Тепловые двигатели имеют широкое применение. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. Они приводят в движение самолеты, ракеты, тепловозы, паровозы, наземный и водный транспорт. Рассматривается классификация тепловых двигателей (слайд 5). На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. На водном транспорте также использовались вначале паровые двигатели, сейчас используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные турбины для крупных судов.

Учитель. Для описания тепловых процессов мы используем понятие «энергия». На данный момент, с физической точки зрения, почти все процессы изучены и поставлены на службу человеку. Сегодня мы говорим о  превращениях энергии.  Давайте повторим, какие превращения энергии мы сегодня уже рассматривали?  Как называются машины, предназначенные для этих превращений энергии? Известно, что никогда невозможно достичь условия полного превращения или преобразования одного вида энергии в другой. Почему? Какая физическая величина определяет долю пользы от затрат в любых процессах?
Вводится понятие КПД теплового двигателя (слайд 6):

Где Ап– полезная работа, Q1 – количество теплоты, полученное от нагревателя, Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику.

Анализ формулы.

Сравните значения Q1 и Q2. (Q1 > Q2),  

  • Как определить  полезную работу? (Ап  =Q1 – Q2).
  • Сравните значения (Q1 – Q2) и Q1. (Q1 – Q2 < Q1).
  • Что можно сказать о значении дроби (меньше 1) . Значит, КПД всегда меньше 1, а если его выразить в процентах, то меньше 100%.

Первые паровые машины имели КПД = 0,3%. В последствии Дж. Уатт, усовершенствовав паровую машину, добился повышения КПД до 2,8%.

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей (слайд 7-9).

Вид двигателя

Достоинства

Недостатки

Паровая машина

Простота, хорошая тяговая характеристика

Низкий КПД, малая скорость, большой вес, загрязнение окружающей среды

ДВС:
карбюраторный
дизельный

Мощность, кВт     КПД, %
 1-200                   25
15-2200                35

Выхлопные газы, шум

Турбина

Мощность 300000-1300000 кВт    КПД  – 30%

Шумовое загрязнение

Реактивный двигатель

Мощность до 30000000 кВт    КПД – 80%

Шумовое загрязнение

4. Первичное закрепление нового материала

Решение качественных и расчетных задач (слайд 10).

      • Чему равен КПД теплового двигателя, если в полезную работу превращается четверть энергии топлива? (25%)
      • Какие устройства называют ТД ?
      • Можно ли огнестрельное оружие отнести к ТД?
      • Можно ли организм человека отнести к ТД ?
      • КПД =45% ? Что это значит?
      • Задача №1440 (Лукашик)

5. Первичная проверка знаний

Выполнение компьютерного теста. (Приложение 2)

6. Итог. Рефлексия

– Что изучали на уроке?
– Что вас удивило?
– Что больше всего понравилось?
– Какое открытие вы сегодня сделали?

Выставление оценок. Благодарность учащимся за работу.

7. Домашнее задание

§21-24.
Подготовить сообщения (Приложение 2) об истории создания ТД.
Экологические проблемы, связанные с применением тепловых двигателей.

Список использованной литературы:

  1. Перышкин А.В. Физика. 8 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2009.
  2. Наглядная физика. Интерактивное учебное пособие. – М.: Экзамен-медиа, 2012.
  3. Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7-9 классов общеобразовательных учреждений.– М.: Просвещение, 2009.

План конспект урока Принцип действия тепловых двигателей

Принцип действия тепловых двигателей

Цель урока: Изучить устройство и принцип действия теплового двигателя

Ход урока.

1.Организационный момент. Приветствие учащихся, проверка отсутствующих, ознакомление с планом урока.

2. Актуализация знаний.

3.Изучение нового материала. Сегодня мы поговорим о практическом применении 1-го закона термодинамики. Об этом мы уже говорили, целью 1-го закона термодинамики являлось преобразование внутренней энергии в механическую работу. Данное устройство называется тепловым двигателем.

Тепловой двигатель— это устройства, преобразующие внутреннюю энергию топлива в механическую работу (стр.231)

Рассмотрим составные части двигателя внутреннего сгорания.

  1. Нагреватель- тело с высокой температурой.

  2. Рабочее тело (газ, пар)

  3. Охладитель- «холодильник» (тело с более низкой температурой)

Изобразим процесс перехода энергии выделяемого нагревателем в работу.

Qн=Aг+Qх

Qн — количество теплоты переданное от нагревателя [Дж]

Aг –работа газа [Дж]

Qх— количество теплоты переданное холодильнику [Дж]

Обратите внимание от чего зависит работа газа? Как добиться максимального значения? Qх=0 Дж. Но такого состояния мы в реальных условиях не сможем. Соответственно все тепловые двигатели будут отличаться по Qх. Величина характеризующая тепловой двигатель называется КПД

ή= Aг= Qн— Qх Засчет того, что тепловой двигатель всегда будет передавать тепло холодильнику, то ή<1. Т.е. основной проблемой тепловых двигателей является теплопередача.

Как можно избавиться от теплопередачи? Использовать теплоизолирующие материалы или чтобы температура нагревателя и холодильника были одинаковыми.

Теперь давайте вспомним, как называются процессы, которые проходят при постоянной температуре и без теплопередачи Q=0.

На основе этого французский физик Сади Карно придумал цикл, который состоит из 2-х изотермических и 2-х адиабатных процессах.

1-2- подводиться нагреватель с температурой равной температуре рабочего тела

2-3 газ адиабатно расширяется

3-4 тепло отводиться, чтобы газ сжался, начав цикл расширения занаво.

4-1 газ адиабатно сжимают до состояния .

ή= тепловая машина работающая по циклу Карно будет иметь максимальное значение. Но такие процессы не возможны.

4.Закрепление материала.

Паровая машина мощностью N = 14,7 кВт потребляет за 1 ч работы топливо массой m = 8,1 кг, с удельной теплотой сгорания q = 3,3 • 107 Дж/кг. Температура котла 200 °С, холодильника 58 °С. Определите КПД этой машины и сравните его с КПД идеальной тепловой машины.

5.Домашнее задание. §82 Упр. 15 (11,12)

Тепловой двигатель — Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

В технике и термодинамике тепловой двигатель преобразует тепловую энергию в механическую работу, используя разницу температур между горячим «источником» и холодным «стоком». Тепло передается от источника через «рабочее тело» двигателя к «поглотителю», и в этом процессе часть тепла превращается в работу за счет использования свойств газа или жидкости внутри двигателя.

Есть много видов тепловых двигателей.У каждого есть термодинамический цикл. Тепловые двигатели часто называют в честь термодинамического цикла, который они используют, например, цикла Карно. Они часто выбирают повседневные названия, такие как бензин / бензин, турбина или паровые двигатели.

Двигатели внутреннего сгорания выделяют тепло внутри самого двигателя. Другие тепловые двигатели могут поглощать тепло от внешнего источника. Тепловые двигатели могут быть открытыми для воздуха или закрытыми и закрытыми снаружи (это называется открытым или закрытым циклом).

Рисунок 1: Схема теплового двигателя .T H является источником тепла, а T C — холодным отводом. Q H — это тепло, поступающее в двигатель. Q C — это отработанное тепло, попадающее в холодный сток. W — полезная работа двигателя.

Когда ученые изучают тепловые двигатели, они придумывают идеи для двигателей, которые на самом деле не могут быть построены. Их называют идеальными двигателями или циклами. Настоящие тепловые двигатели часто путают с идеальными двигателями или циклами, которые они пытаются имитировать.

Обычно при описании физического устройства используется термин «двигатель».При описании идеала используется термин «цикл».

Можно сказать, что термодинамический цикл — идеальный случай механического двигателя. В равной степени можно сказать, что модель не совсем идеально соответствует механическому двигателю. Однако большую пользу можно получить от упрощенных моделей и идеальных случаев, которые они могут представлять.

В целом, чем больше разница в температуре между горячим источником и холодным стоком, тем эффективнее цикл или двигатель. На Земле холодная сторона любого теплового двигателя ограничена температурой воздуха в том месте, где находится двигатель.

Большинство усилий по повышению эффективности тепловых двигателей направлено на повышение температуры источника тепла, но при очень высоких температурах металл двигателя начинает размягчаться.

Эффективность различных тепловых двигателей, предлагаемых или используемых сегодня, колеблется от 3 процентов (97 процентов отходящего тепла) для предложения OTEC по производству энергии для океана через 25 процентов для большинства автомобильных двигателей, до 45 процентов для сверхкритических угольных электростанций и примерно до 60 процентов для газовая турбина комбинированного цикла с паровым охлаждением.Все эти процессы получают свою эффективность (или ее отсутствие) из-за перепада температуры на них.

Наименее эффективный, OTEC, использует разницу температур океанской воды на поверхности и океанской воды с глубины, небольшую разницу, возможно, в 25 градусов Цельсия, поэтому эффективность должна быть низкой.

Самая эффективная газовая турбина с комбинированным циклом сжигает природный газ для нагрева воздуха почти до 1530 градусов по Цельсию, большая разница температур составляет 1500 градусов по Цельсию, поэтому эффективность может быть очень большой при добавлении цикла парового охлаждения. [1]

Люди в основном используют тепловые двигатели, где тепло исходит от огня, который расширяет рабочую жидкость (обычно воду или воздух), а теплоотводом является либо водоем, либо атмосфера, как в градирне.

К знакомым моделям, использующим расширение нагретых газов, относятся: паровой двигатель, дизельный двигатель и бензиновый (бензиновый) двигатель в автомобиле.

Двигатель Стирлинга встречается гораздо реже, но он встречается в небольших моделях, которые могут работать от тепла руки.

Один из видов игрушечного теплового двигателя — это пьющая птица.

Биметаллическая полоса — это устройство, которое преобразует температуру в механическое движение и используется в термостатах для контроля температуры. Это тепловой двигатель, в котором не используются ни жидкость, ни газ.

  • Kroemer, Herbert; Киттель, Чарльз (1980). Теплофизика (2-е изд.). W.H. Компания Freeman. ISBN 0-7167-1088-9 .
  • Каллен, Герберт Б. (1985). Термодинамика и введение в термостатистику (2-е изд.). ISBN компании John Wiley & Sons, Inc. 0-471-86256-8 .

Как работают тепловые двигатели?

Как работают тепловые двигатели? — Объясни это Рекламное объявление

В наш век топливных элементов и электромобили, паровозы (и даже автомобили с бензиновым двигателем) может показаться ужасно старой технологией. Но посмотрите на историю шире, и вы увидите, что даже самые старые паровой двигатель — действительно очень современное изобретение.Люди были использовать инструменты для увеличения мышечной силы примерно на 2,5 миллионов лет, но только за последние 300 лет или около того мы усовершенствовали искусство создания «мускулов» — машин с приводом от двигателя — которые работают все сами по себе. Другими словами: люди были без двигатели для более чем 99,9 процента нашего существования на Земле!

Теперь у нас есть двигатели, без которых, конечно, не обойтись. их. Кто мог представить себе жизнь без машин, грузовиков, кораблей или самолеты — все они приводились в движение мощными двигателями.И двигатели не просто перемещают нас по миру, они помогают нам его кардинально изменить. От мостов и туннелей до небоскребов и плотины, практически каждое крупное здание и сооружение, построенное людьми за последние пару веков был построен с помощью двигатели — краны, экскаваторы, самосвалы, бульдозеры и т. д. их. Двигатели также подпитывают современную сельскохозяйственную революцию: подавляющая часть всех наших еда теперь собирается или транспортируется с помощью двигателя. Двигатели не заставляют мир идти раунд, но они участвуют практически во всем, что происходит на нашей планете.Давайте подробнее рассмотрим, что это такое и как они Работа!

Artwork: Основная концепция теплового двигателя: машина, которая преобразует тепловую энергию в работу, перемещаясь туда и обратно между высокой и низкой температурой. Типичный тепловой двигатель приводится в действие за счет сжигания топлива (внизу слева) и использует расширяющийся-сжимающийся поршень (вверху в центре) для передачи энергии топлива к вращающемуся колесу (внизу справа).

Что такое тепловая машина?

« Всем известно, что тепло может вызывать движение.В том, что он обладает огромной движущей силой, никто не может сомневаться …

Николя Сади Карно, 1824

Двигатель — это машина, которая энергия, заключенная в топливе, превращается в силу и движение. Уголь нет очевидное использование кто угодно: это грязный, старый, каменистый материал, похороненный под землей. Сжечь это в двигателем, и вы можете высвободить содержащуюся в нем энергию, чтобы силовые заводские машины, автомобили, лодки или локомотивы. То же самое верно других видов топлива, таких как природный газ, бензин, древесина и торф.С двигатели работают, сжигая топливо для выделения тепла, иногда они называется тепловых двигателей . Процесс сжигания топлива включает в себя химическая реакция, называемая сгорание , где топливо сгорает в кислород в воздухе для образования углекислого газа и пара. (Как правило, двигатели также загрязняют воздух, потому что топливо не всегда чистое на 100 процентов и не горит идеально.)

Есть два основных типа тепловых двигателей: внешнего сгорания и внутреннего сгорания. сжигание:

  • В ДВС топливо горит снаружи и вдали от основной части двигателя, где сила и движение производятся.Хороший пример — паровая машина: уголь горит на одном конце, который нагревает воду для образования пара. Пар подается в прочный металлический цилиндр , где он перемещает плотно прилегающий поршень называется поршень вперед-назад. В движущийся поршень приводит в действие все, к чему прикреплен двигатель (может быть, заводская машина или колеса локомотива). Это внешний двигатель внутреннего сгорания, потому что уголь горит снаружи, а некоторые расстояние от цилиндра и поршня.
  • В двигателе внутреннего сгорания топливо горит внутри цилиндр.Например, в обычном автомобильном двигателе есть что-то вроде четырех-шести отдельных цилиндров, внутри которых бензин постоянно горит кислородом, выделяя тепловую энергию. В цилиндры «зажигаются» поочередно, чтобы двигатель стабильный источник энергии, приводящий в движение колеса автомобиля.

Двигатели внутреннего сгорания обычно намного эффективнее, чем внешние двигатели внутреннего сгорания, потому что энергия не тратится впустую на передачу тепла от огонь и бойлер к баллону; все происходит в одном месте.

Художественное произведение: В двигателе внешнего сгорания (таком как паровой двигатель) топливо горит вне цилиндра, и тепло (обычно в виде горячего пара) необходимо отводить на некоторое расстояние. В двигателе внутреннего сгорания (таком как двигатель автомобиля) топливо сгорает прямо внутри цилиндров, что намного эффективнее.

Как двигатель приводит в действие машину?

В двигателях

используются поршни и цилиндры, поэтому мощность, которую они производят, равна непрерывное возвратно-поступательное движение, толкающее и вытягивающее или возвратно-поступательное движение.Проблема в том, что многие машины (и практически все автомобили) полагаются на на вращающихся колесах — другими словами, вращающихся движение. Существуют различные способы поворота возвратно-поступательного движения. движение во вращательное движение (или наоборот). Если вы когда-нибудь смотрели паровой двигатель гудит, вы заметите, как колеса ведомый кривошипом и шатуном: простой рычажный рычаг, который соединяет одну сторону колеса с поршнем, так что колесо вращается, когда поршень качается вперед и назад.

Альтернативный способ преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение использовать шестерни. Вот что гениальный шотландский инженер Джеймс Ватт (1736–1819) решил заняться этим в 1781 году, когда обнаружил кривошипно-шатунный механизм. потребовалось использовать в его усовершенствованной конструкции паровой машины, на самом деле, уже защищен патентом. Дизайн Ватта известен как солнце и планетарная передача шестерня) и состоит из двух и более передач колеса, одно из которых (планета) толкается вверх и вниз поршнем стержень, вращающийся вокруг другой шестерни (Солнца) и заставляющий ее вращаться.


Фото: Два способа преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное: Первое фото: Солнце и планетарная шестерня. Когда поршень движется вверх и вниз, шестерни вращаются. Второе фото: В этом токарном станке с ножным приводом просто решена проблема преобразования вертикального движения в круговое. Когда вы нажимаете вверх и вниз на педаль (педаль), вы заставляете струну подниматься и опускаться. Это заставляет вал, к которому прикреплена колонна, вращаться со скоростью, приводя в действие токарный станок и сверло или другой инструмент, прикрепленный к нему.Обе фотографии сделаны в Think Tank, музее науки в Бирмингеме, Англия.

Некоторым двигателям и машинам необходимо преобразовывать вращательное движение в возвратно-поступательное движение. Для этого вам нужно что-то, что работает в путь, противоположный коленчатому валу, а именно кулачок. Камера — это некруглое (обычно яйцевидное) колесо, имеющее что-то вроде бар, опирающийся на него. Когда ось поворачивает колесо, колесо заставляет штангу подниматься и опускаться. Не можете себе это представить? Попробуйте представить себе машину, колеса которой яйцевидной формы.Во время движения колеса (кулачки) поворачиваются как обычно, но кузов автомобиля подпрыгивает и вниз одновременно — поэтому вращательное движение производит возвратно-поступательное движение (подпрыгивание) у пассажиров!

Кулачки работают на всех типах машин. Есть камера в электрическая зубная щетка, которая делает щетка движется вперед и назад, когда внутри вращается электродвигатель.

Рекламные ссылки

Типы двигателей

Фото: Внешнее сгорание: Эта стационарная паровая машина использовалась для закачки природного газа в дома людей с 1864 года.Фотография сделана в Think Tank.

Существует около полдюжины основных типов двигателей, которые вырабатывают энергию за счет сжигания топлива:

Двигатели внешнего сгорания

Балочные двигатели (атмосферные двигатели)

Первые паровые машины были гигантскими машинами, которые заполняли целые здания. и они обычно использовались для откачки воды из затопленных шахт. Первопроходец англичанин Томас Ньюкомен (1663 / 4–1729) в начале 18 века они имели один цилиндр и поршень, прикрепленный к большой балке, которая раскачивалась взад и вперед.Тяжелая балка обычно наклонялась вниз так, чтобы поршень находился высоко в цилиндре. В цилиндр закачивался пар, затем вбрызгивалась вода, охлаждающая пар, создавая частичный вакуум и заставляя луч наклоняться назад наоборот, до того, как процесс повторится. Лучевые двигатели были важным технологическим достижением, но они были слишком большими, медленными и неэффективными, чтобы приводить в действие заводские машины и поезда.

Иллюстрация: Как работает атмосферный (пучковый) двигатель (упрощенно).Двигатель состоит из тяжелой балки (серая), установленной на башне (черная), которая может качаться вверх и вниз. Обычно балка наклоняется вниз и вправо под весом присоединенного к ней насосного оборудования. Водогрейный котел (1) выпускает пар (2) в цилиндр (3). Когда цилиндр заполнен, из бака (4) впрыскивается холодная вода. Это конденсирует пар, создавая более низкое давление в цилиндре. Поскольку атмосферное давление (воздух) над поршнем выше, чем давление под ним, поршень выталкивается вниз, вся балка наклоняется влево, а насос тянется вверх, вытягивая воду из шахты (5).

Двигатели паровые

В 1760-х годах Джеймс Ватт значительно усовершенствовал паровую машину Ньюкомена, сделав ее меньше, эффективнее и мощнее — и эффективно превращает пар двигатели в более практичные и доступные машины. Работа Ватта привела к стационарному пару двигатели, которые можно использовать на заводах, и компактные движущиеся двигатели которые могли приводить в действие паровозы. Подробнее читайте в нашей статье о паровых двигателях.

Двигатели Стирлинга

Не все двигатели внешнего сгорания огромны и неэффективны.Шотландский священник Роберт Стирлинг (1790–1878) изобрел очень умную двигатель, который имеет два цилиндра с поршнями, приводящими в действие два кривошипа вождение одного колеса. Один цилиндр постоянно горячий (нагревается внешней энергией). источник, который может быть чем угодно, от угольного костра до геотермальной энергии поставка), в то время как другой постоянно остается холодным. Двигатель работает перекачивает тот же объем газа (постоянно запечатанный внутри двигатель) вперед и назад между цилиндрами через устройство, называемое регенератор , который помогает сохранять энергию и значительно увеличивает КПД двигателя.Двигатели Стирлинга не обязательно предполагают сгорание, хотя они всегда питаются от внешнего источника тепла. Узнайте больше в нашей основной статье о двигателях Стирлинга.

Фото: Машинный зал Think Tank (научный музей в Бирмингеме, Англия) представляет собой удивительную коллекцию энергетических машин XVIII века. Среди экспонатов — огромный паровой двигатель Сметвик, самый старый действующий двигатель в мире. Это не показано на этом снимке, в основном потому, что оно было слишком большим, чтобы его можно было сфотографировать!

Двигатели внутреннего сгорания

Бензиновые двигатели

В середине 19 века несколько европейских инженеров, в том числе Француз Жозеф Этьен Ленуар (1822–1900) и немец Николаус Отто (1832–1891) усовершенствовал двигатели внутреннего сгорания, которые сжигали бензин.Для Карла Бенца (1844–1929) это был короткий шаг. подключить один из этих двигателей к трехколесному перевозки и создать первый в мире автомобиль, работающий на газе. Подробнее в нашей статье о автомобильных двигателях.

Фото: мощный бензиновый двигатель внутреннего сгорания от спортивного автомобиля Jaguar.

Дизельные двигатели

Позже, в 19 веке, другой немецкий инженер, Рудольф Дизель (1858–1913), понял, что может сделать гораздо более мощный внутренний двигатель внутреннего сгорания, который может работать на всех видах топлива.В отличие от бензиновых двигателей, дизельные двигатели сжимают топливо намного сильнее. он самопроизвольно загорается и выделяет тепловую энергию заперт внутри него. Сегодня дизельные двигатели по-прежнему являются предпочтительными машинами для вождения. тяжелые транспортные средства, такие как грузовики, корабли и строительные машины, а также многие автомобили. Подробнее читайте в нашей статье о дизельных двигателях.

Роторные двигатели

Одним из недостатков двигателей внутреннего сгорания является то, что они нужны цилиндры, поршни и вращающийся коленчатый вал, чтобы использовать их мощность: цилиндры неподвижны, поршни и коленчатый вал постоянно двигаются.Роторный двигатель — это кардинально другая конструкция двигателя внутреннего сгорания, в котором «цилиндры» (которые не всегда цилиндры по форме) вращаются вокруг неподвижного коленчатого вала. Хотя роторные двигатели восходят к 19 веку, возможно, наиболее известной конструкцией является относительно современный роторный двигатель Ванкеля , особенно используется в некоторых японских автомобилях Mazda. Статья в Википедии о Роторный двигатель Ванкеля — хорошее вступление с прекрасной небольшой анимацией.

Теоретические двигатели

Фото: Машинист: гениальный Николя Сади Карно, 17 лет.

Пионерами двигателей были инженеры, а не ученые. Ньюкомен и Ватт были скорее практическими «деятелями», чем ломающими голову теоретическими мыслителями. Лишь когда в 1824 году появился француз Николя Сади Карно (1796–1832), то есть спустя более века после того, как Ньюкомен построил свой первый паровой двигатель, были предприняты какие-либо попытки понять эту теорию. о том, как работают двигатели и как их можно улучшить с истинно научной точки зрения. Карно интересовался, как сделать двигатели более эффективными (в другими словами, как можно получить больше энергии из того же количества топлива).Вместо того, чтобы возиться с настоящим паровым двигателем и пытаться его улучшить методом проб и ошибок (такой подход, который использовал Ватт с двигателем Ньюкомена), он заставил себя теоретический двигатель — на бумаге — и вместо этого поигрался с математикой.

Фото: Паровые двигатели по своей сути неэффективны. Работа Карно говорит нам, что для максимальной эффективности пар в двигателе как будто это нужно перегреть (так что это выше его обычная температура кипения 100 ° C), а затем дать ему максимально расшириться и остыть в цилиндрах, чтобы передать как можно больше энергии поршням.

Цикл Карно

Тепловая машина Карно представляет собой довольно простую математическую модель. о том, как в теории может работать наилучший поршневой и цилиндровый двигатель, путем бесконечного повторения четырех шагов, которые теперь называются циклом Карно . Мы не собираемся здесь подробно останавливаться на теории или математике (если вам интересно, см. Страница цикла Карно НАСА и превосходные Тепловые двигатели: страница цикла Карно Майкла Фаулера с превосходной флэш-анимацией).

Базовый двигатель Карно состоит из газа, заключенного в цилиндр с поршнем. Газ забирает энергию от источника тепла, расширяется, охлаждается и выталкивает поршень. Когда поршень возвращается в цилиндр, он сжимает и нагревает газ, поэтому газ завершает цикл с точно такими же давлением, объемом и температурой, с которых он был начат. Двигатель Карно не теряет энергии на трение или окружающую среду. Это полностью обратимо — теоретически совершенная и совершенно теоретическая модель того, как работают двигатели.Но это также многое говорит нам о реальных двигателях.

Насколько эффективен двигатель?

Стоит отметить вывод, к которому пришел Карно: КПД двигателя (реальная или теоретическая) зависит от максимальной и минимальной температуры, между которыми работает . С математической точки зрения, эффективность двигателя Карно, работающего между Tmax (его максимальная температура) и Tmin (его минимальная температура):

(Tmax − Tmin) / Tmax

, где обе температуры измеряются в кельвинах (К).Повышение температуры жидкости внутри цилиндра в начале цикла делает его более эффективным; понижение температуры на противоположном конце цикла также делает его более эффективным. Другими словами, действительно эффективная тепловая машина работает между максимально возможной разницей температур. Другими словами, мы хотим, чтобы Tmax была как можно выше, а Tmin как можно меньше. Вот почему такие вещи, как паровые турбины на электростанциях, должны использовать градирни для максимального охлаждения пара: именно так они могут получить максимум энергии из пара и произвести больше электроэнергии.В реальном мире движущиеся транспортные средства, такие как автомобили и самолеты, очевидно, не могут иметь ничего похожего на градирни, и трудно достичь низких температур Tmin, поэтому мы обычно фокусируемся на повышении Tmax. Настоящие двигатели — в автомобилях, грузовиках, реактивных самолетах и ​​космических ракетах — работают. при чрезвычайно высоких температурах (поэтому они должны быть построены из высокотемпературных материалы, такие как сплавы и керамика).

« Мы не должны ожидать, что когда-либо сможем использовать на практике всю движущую силу горючих материалов.

Николя Сади Карно, 1824

Каков максимальный КПД двигателя?

Есть ли предел эффективности теплового двигателя? Да! Tmin никогда не может быть меньше нуля (при абсолютном нуле), поэтому, согласно Согласно приведенному выше уравнению, никакой двигатель не может быть эффективнее, чем Tmax / Tmax = 1, что равно 100-процентной эффективности, и большинство настоящие двигатели даже близко не подходят к этому. Если бы у вас был паровой двигатель, работающий при температуре от 50 ° C до 100 ° C, это будет около 13 процентов эффективности.Чтобы добиться 100-процентной эффективности, вам нужно охладить пар. до абсолютного нуля (−273 ° C или 0K), что, очевидно, невозможно. Даже если бы вы могли охладить его до заморозки (0 ° C или 273K), вы все равно сможете достичь эффективности только на 27 процентов.

Диаграмма

: Тепловые двигатели более эффективны, когда они работают при больших перепадах температур. Если предположить, что минимальная ледяная температура остается постоянной (0 ° C или 273K), эффективность медленно растет по мере увеличения максимальной температуры. Но обратите внимание, что мы получаем убывающую отдачу: с каждым повышением температуры на 50 ° C эффективность с каждым разом растет все меньше.Другими словами, мы никогда не сможем достичь 100-процентной эффективности, просто подняв максимальную температуру.

Это также помогает нам понять, почему более поздние паровые двигатели (впервые созданные такими инженерами, как Ричард Тревитик) и Оливер Эванс) использовали гораздо более высокие давления пара и паров, чем те, которые производились такими людьми, как Томас Ньюкомен. Двигатели с более высоким давлением были меньше, легче и их легче было установить на движущихся транспортных средствах, но они также были намного эффективнее: при более высоких давлениях вода закипает при более высоких температурах, и это дает нам большую эффективность.При двойном атмосферном давлении вода закипает при температуре около 120 ° C (393K), что дает КПД 30%. с минимальной температурой 0 ° C; при давлении, в четыре раза превышающем атмосферное, температура кипения составляет 143 ° C (417K), а эффективность приближается к 35 процентам. Это большое улучшение, но до 100 процентов еще далеко. Паровые турбины на электростанциях используют действительно высокое давление (в 200 раз превышающее атмосферное давление). типично). При 200 атмосфер вода закипает при температуре около 365 ° C (~ 640K), что дает максимальную теоретическую эффективность около 56 процентов, если мы также можем охладить воду вплоть до замерзания (и если нет других тепловых потерь или неэффективности).Даже в этих экстремальных и идеальных условиях мы все еще очень далеки от 100-процентной эффективности; реальные турбины, скорее всего, достигнут 35–45 процентов. Создать эффективные тепловые двигатели намного сложнее, чем кажется!

Рекламные ссылки

Узнать больше

На сайте

На других сайтах

Один из лучших способов понять движки — посмотреть их анимацию в действии. Вот два очень хороших сайта, которые исследуют широкий спектр различных движков:

  • Анимированные движки: этот замечательный сайт охватывает практически все виды движков, о которых вы только можете подумать, с простой для понимания анимацией и очень четкими письменными описаниями.
  • Посмотрите, как работают двигатели: Коллекция очень красиво нарисованных анимаций реальных двигателей из Лондонского музея науки. (Архивировано через Wayback Machine.)

Книги

Вводный
  • Шесть легких пьес Ричарда П. Фейнмана. Penguin, 1998. Глава 4 представляет собой очень оригинальное объяснение сохранения энергии, включая довольно простое объяснение того, почему ни один двигатель или машина не являются более эффективными, чем идеально обратимые (идеальные).
Более сложный
Детские книги

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США.Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Крис Вудфорд 2009, 2019. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитируйте эту страницу

Вудфорд, Крис.(2009/2019) Двигатели. Получено с https://www.explainthatstuff.com/engines.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

4.3: Тепловые двигатели — Физика LibreTexts

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Описать функции и компоненты теплового двигателя
  • Объясните эффективность двигателя
  • Рассчитать КПД двигателя для заданного цикла идеального газа

Тепловой двигатель — это устройство, используемое для извлечения тепла из источника и последующего преобразования его в механическую работу, которая используется для всех видов приложений.Например, паровой двигатель в поезде старого образца может производить работу, необходимую для вождения поезда. Несколько вопросов возникают при создании и применении тепловых двигателей. Например, каков максимальный процент извлеченного тепла, который можно использовать для работы? Оказывается, на этот вопрос можно ответить только с помощью второго закона термодинамики.

Второй закон термодинамики можно формально сформулировать несколькими способами. Одно из представленных утверждений касается направления спонтанного теплового потока, известного как утверждение Клаузиуса.Пара других утверждений основана на тепловых двигателях. Когда мы рассматриваем тепловые двигатели и сопутствующие устройства, такие как холодильники и тепловые насосы, мы не используем обычные условные обозначения для обозначения тепла и работы . Для удобства мы предполагаем, что символы \ (Q_h, \, Q_c \) и W представляют только количество переданного тепла и переданной работы, независимо от того, кто передает или принимает. Подача тепла в систему или выход из нее, работа с системой или с ее помощью указывается соответствующими знаками перед символами и направлениями стрелок на диаграммах.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): схематическое изображение тепловой машины. Энергия перетекает из горячего резервуара в холодный во время работы.

Оказывается, для создания теплового двигателя нам нужно более одного источника / поглотителя тепла. Мы вернемся к этому моменту позже в этой главе, когда сравним различные утверждения второго закона термодинамики. На данный момент мы предполагаем, что тепловая машина построена между источником тепла (высокотемпературным резервуаром или горячим резервуаром) и радиатором (низкотемпературным резервуаром или холодным резервуаром), схематически представленным на рисунке \ (\ PageIndex {1} \).Двигатель поглощает тепло \ (Q_h \) от источника тепла ( горячий резервуар ) с температурой Кельвина \ (T_h \), использует часть этой энергии для производства полезной работы Вт , а затем сбрасывает оставшуюся энергию в виде тепла \ (Q_c \) в радиатор ( холодный резервуар ) с температурой Кельвина \ (T_c \). Электростанции и двигатели внутреннего сгорания являются примерами тепловых двигателей. Электростанции используют пар, произведенный при высокой температуре, для приведения в действие электрогенераторов, одновременно отводя тепло в атмосферу или близлежащий водоем в качестве поглотителя тепла.В двигателе внутреннего сгорания горячая газо-воздушная смесь используется для толкания поршня, и тепло отводится в близлежащую атмосферу аналогичным образом.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Тепло, выбрасываемое атомной электростанцией, направляется в градирни, где оно выбрасывается в атмосферу.

Настоящие тепловые двигатели имеют много различных конструкций. Примеры включают двигатели внутреннего сгорания, такие как те, которые используются сегодня в большинстве автомобилей, и двигатели внешнего сгорания, такие как паровые двигатели, используемые в старых поездах с паровыми двигателями.На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) показана фотография действующей атомной электростанции. Атмосфера вокруг реакторов действует как холодный резервуар, а тепло, выделяемое в результате ядерной реакции, обеспечивает тепло из горячего резервуара.

Тепловые двигатели работают за счет переноса рабочего тела через цикл. В паровой электростанции рабочим веществом является вода, которая сначала превращается в жидкость, испаряется, затем используется для привода турбины и, наконец, конденсируется обратно в жидкое состояние.Как и в случае со всеми рабочими веществами в циклических процессах, когда вода возвращается в исходное состояние, она повторяет ту же последовательность.

На данный момент мы предполагаем, что циклы тепловых двигателей обратимы, поэтому потери энергии на трение или другие необратимые эффекты отсутствуют. Предположим, что двигатель на Рисунке \ (\ PageIndex {1} \) проходит один полный цикл и что \ (Q_h \), \ (Q_c \) и W представляют собой теплообменники и работу, выполненную для этого цикла. Поскольку начальное и конечное состояния системы одинаковы, \ (\ Delta E_ {int} = 0 \) для цикла.Следовательно, из первого закона термодинамики

\ [\ begin {align} W & = Q — \ Delta E_ {int} \\ [4pt] & = (Q_h — Q_c) — 0, \ label {eq1} \ end {align} \]

, так что

\ [W = Q_h — Q_c. \ Label {eq2} \]

Самым важным показателем теплового двигателя является его КПД ( e ) , который представляет собой просто «то, что мы получаем», деленное на «то, что мы вкладываем» в течение каждого цикла, как определено в

.

\ [e = \ dfrac {W_ {out}} {Q_ {in}}. \ label {eq3} \]

Когда тепловой двигатель работает между двумя тепловыми резервуарами, мы получаем \ (W \) и вставляем \ (Q_h \), поэтому КПД двигателя равен

.

\ [\ begin {align} e & = \ dfrac {W} {Q_h} \\ [4pt] & = 1 — \ dfrac {Q_c} {Q_h}.\ label {eq4} \ end {align} \]

Здесь мы использовали уравнение \ ref {eq2} на последнем этапе этого выражения для эффективности.

Пример \ (\ PageIndex {1} \): газонокосилка

Газонокосилка имеет КПД \ (25 \% \) и среднюю мощность 3,00 кВт. Что такое

  1. средняя работа и
  2. минимальный отвод тепла в воздух газонокосилкой за одну минуту использования?

Стратегия

Исходя из средней мощности, то есть скорости производства работы, мы можем вычислить работу, выполненную за заданное время.3 \ times 60 \ times 1.00 \, Дж \\ [4pt] & = 180 \, кДж. \ End {align} \]

  • Минимальное количество тепла, выделяемого в воздух, равно \ [\ begin {align} Q_c & = Q_h (1 — e) \\ [4pt] & = (Q_c + W) (1 — e), \ end {align} » \], что приводит к \ [\ begin {align} Q_c & = W (1 / e — 1) \\ [4pt] & = 180 \ times (1 / 0.25 — 1) кДж = 540 \, кДж. \ end {align} \]
  • Значение

    По мере повышения КПД минимальное количество выделяемого тепла падает. Это помогает нашей окружающей среде и атмосфере, поскольку не выделяется так много отработанного тепла.

    Авторы и авторство

    • Сэмюэл Дж. Линг (Государственный университет Трумэна), Джефф Санни (Университет Лойола Мэримаунт) и Билл Мобс со многими авторами. Эта работа лицензирована OpenStax University Physics в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License (4.0).

    Тепловые двигатели

    Тепловые двигатели
    Далее: Холодильники Up: Классическая термодинамика Предыдущий: Адиабатическая атмосфера Термодинамика была изобретена почти случайно в 1825 году молодым французским инженером. позвонил Сади Карно, который исследовал теоретические ограничения эффективности Паровые двигатели.Хотя нас не особо интересуют паровые машины, в настоящее время это все еще очень поучительно рассмотреть некоторые аргументы Карно. По наблюдениям мы знаем, что можно выполнять механическую работу. на устройстве, а затем для извлечения эквивалентного количества тепла, которое идет на увеличение внутренней энергии некоторого теплового резервуара. (Здесь мы используем маленькие буквы и для обозначения по существу положительных объемов работы и тепла соответственно.) Примером этого является классический эксперимент Джоуля, с помощью которого он подтвердил первый закон термодинамики: лопаточное колесо вращается в жидкости при падении вес, и работа, выполняемая весом на колесе преобразуется в тепло и поглощается жидкостью.Вопрос Карно был это оно можно обратить этот процесс и построить устройство, называемое тепловым двигателем , которое извлекает тепловую энергию из резервуара и преобразует ее в полезную макроскопическую работу? Например, можно ли извлечь тепло из океана и использовать его для работы? электрогенератор?

    Есть несколько предостережений по поводу вопроса Карно. Прежде всего, работа не должна выполняться за счет самого теплового двигателя, иначе преобразование тепла в работа не могла продолжаться бесконечно.Мы можем гарантировать, что это случай, если тепловая машина выполняет какой-то цикл, при котором он периодически возвращается в то же макросостояние, но в то же время извлекли тепло из резервуара и выполнили эквивалентный объем полезной работы. Более того, циклический процесс кажется разумным, потому что мы знаем, что оба паровые машины и внутренние горение двигатели выполняют непрерывные циклы. Второй нюанс заключается в том, что работа, проделанная тепловой двигатель должен быть таким, чтобы изменять один параметр какое-то внешнее устройство ( e.грамм. , подняв груз), не выполняя этого за счет влияния на другие степени свободы или энтропию этого устройства. Например, если мы извлекаем тепло из океана в генерировать электричество, мы хотим вращать вал электрогенератора без увеличения энтропия; то есть , в результате чего генератор нагреться или развалиться на куски.

    Рассмотрим возможность создания тепловой машины, используя законы термодинамика. Предположим, что тепловая машина выполняет один цикл.С вернулся в исходное макросостояние, его внутренняя энергия равна без изменений, и первый закон термодинамики говорит нам, что проделанная работа двигателем должно быть равно количеству тепла, отбираемого из резервуара, поэтому

    (341)

    Вышеупомянутое условие, безусловно, необходимо условие для возможного теплового двигателя, но является ли это также достаточным условием ? Другими словами, делает каждое устройство, которое удовлетворяет этому условию действительно работает? Давайте подумаем немного внимательнее о том, что мы на самом деле ожидаем от теплового двигателя.Мы хотим построить устройство, которое будет извлекать энергию из теплового резервуара, где она случайным образом распределяется по очень многим степеням свободы, и превращает это в энергию распределены по одной степени свободы, связанной с некоторым параметром внешнего устройство. После того, как мы выразили проблему таким образом, становится достаточно очевидно, что какие мы действительно просим — это спонтанный переход от вероятного к невероятному состояние, которое, как мы знаем, запрещено вторым законом термодинамики.Так, к сожалению, мы не можем запустить электрогенератор за счет тепла, извлеченного из океан, потому что это все равно что просить все молекулы в океане, которые колеблются во все стороны, чтобы все вдруг повернулись в одном направлении, чтобы приложить силу к некоторому рычагу, скажем, которая затем может быть преобразована в крутящий момент на вал генератора. Из нашего исследования статистической термодинамики мы знаем, что такой процесс в принципе возможен, но фантастически маловероятен .

    Невероятность описанного сценария резюмируется во втором законе. термодинамики. Это говорит о том, что полная энтропия изолированной системы никогда не может уменьшиться самопроизвольно, поэтому

    (342)

    В случае теплового двигателя изолированная система состоит из двигателя, резервуар, из которого он извлекает тепло, и внешнее устройство, на котором он работает. Сам двигатель периодически возвращается в то же состояние, так что его энтропия явно не меняется после каждого цикла.Мы уже указали, что там нет изменения энтропии внешнего устройства, на котором выполняется работа. На с другой стороны, изменение энтропии за цикл теплового резервуара, который находится при абсолютной температуре , скажем, задается
    (343)

    куда — бесконечно малая теплота, поглощаемая резервуаром, а интеграл берется за весь цикл теплового двигателя. Интеграл можно преобразовать в выражение, потому что количество тепла, извлекаемого двигателем, равно считается слишком малым, чтобы изменять температуру резервуара (это определение теплового резервуара), так что это постоянное значение в течение цикла.Второй закон термодинамики явно сводится к
    (344)

    или, используя первый закон термодинамики,
    (345)

    Поскольку мы хотим, чтобы работа двигателя была положительной, указанное выше соотношение четко не могут быть выполнены, что доказывает, что двигатель, преобразующий тепло непосредственно в работу термодинамически невозможно.

    вечный двигатель, который непрерывно выполняет цикл без отвода тепла от, или работая над его окрестностями, почти возможно согласно формуле. (345). На самом деле такое устройство соответствует знаку равенства в формуле. (342), что означает, что он должен быть полностью двусторонний . На самом деле полностью реверсивного двигателя не существует. Все двигатели, даже самые эффективные, имеют потери на трение, из-за которых они, по меньшей мере, слегка необратимый.Таким образом, знак равенства в формуле. (342) соответствует асимптотический предел, к которому реальность может близко приблизиться, но никогда полностью не достичь. Отсюда следует, что вечный двигатель термодинамически невозможен. Тем не менее, патентное ведомство США получает около 100 патентов. приложений в год по устройствам с вечным двигателем. Британское патентное ведомство, будучи немного менее открытым, чем его американский коллега, отказывается развлекать такие приложения на том основании, что вечные двигатели запрещены второй закон термодинамики.

    Согласно формуле. (345) нет никаких термодинамических возражений против тепловой двигатель, который вращается в обратном направлении и преобразует работу непосредственно в тепло. Этот это не удивительно, поскольку мы знаем, что именно в этом и заключаются силы трения. делать. Ясно, что здесь мы имеем еще один пример естественного процесса, который принципиально необратимый согласно второму закону термодинамики. Фактически, заявление

    Невозможно построить идеальный тепловой двигатель, который преобразует тепло прямо в работу
    называется формулировкой второго закона Кельвина.

    Мы продемонстрировали, что идеальный тепловой двигатель , который преобразует нагреть прямо в работу, невозможно. Но должен быть какой-то способ получение полезной работы за счет тепловой энергии, иначе паровые машины не работали бы. Что ж, причина в том, что наша предыдущая схема не работала из-за того, что она уменьшала энтропию теплового резервуара, при некоторой температуре, за счет отбора количества тепла за цикл, без какого-либо компенсирующего увеличения энтропии чего-либо еще, поэтому Второй закон термодинамики был нарушен.Как мы можем исправить эту ситуацию? Мы все еще хотим сам тепловой двигатель для выполнения периодических циклов (так, по определению, его энтропия не может увеличиваться за цикл), и мы тоже не хотите увеличить энтропию внешнего устройства, на котором работа сделана. Наш единственный другой вариант — увеличить энтропию какого-либо другого тело. Согласно анализу Карно, это другое тело второй тепловой резервуар при температуре. Мы можем увеличить энтропию второго резервуара, сбрасывая часть тепла, которое мы извлекали из первый резервуар в него.Предположим, что количество тепла за цикл, которое мы извлекаем из первого резервуар есть, а тепло за цикл мы отбрасываем во второй резервуар является . Пусть работа, выполняемая на внешнем устройстве, должна производиться за цикл. Первый закон термодинамики говорит нам, что

    (346)

    Обратите внимание, что если положительный результат (, т.е. , полезный) выполняется на внешнее устройство. Общее изменение энтропии за цикл происходит из-за тепла, извлеченного из первого резервуар и тепло, сбрасываемое во второй, и должно быть положительным (или нулевым) согласно второму закону термодинамики.Так,
    (347)

    Мы можем объединить два предыдущих уравнения, чтобы получить
    (348)

    или
    (349)

    Понятно, что двигатель будет выполнять только полезную работу ( т.е. , есть будет только положительным) если. Значит, второй резервуар должен быть на холоднее, чем на первое, если тепло, попадающее в первый, — это увеличить энтропия Вселенной более тепло, отводимое от последнего, уменьшает его.Полезно определить КПД теплового двигателя. Это соотношение работы, выполненной за цикл. на внешнем устройстве в тепловая энергия, поглощаемая за цикл из первого резервуара. Эффективность идеальный тепловой двигатель — это единство, но мы уже показали, что такой двигатель невозможно. Каков КПД реализуемого двигателя? Ясно из предыдущего уравнения, что
    (350)

    Обратите внимание, что эффективность всегда меньше единицы.Настоящий двигатель всегда должен отклонить часть энергии во второй резервуар тепла, чтобы удовлетворить второй закон термодинамики, поэтому меньше энергии доступно для внешних работа и эффективность двигателя уменьшено. Знак равенства в приведенном выше выражении соответствует к полностью реверсивному тепловому двигателю (, т.е. , квазистатический). Это является Понятно, что настоящие двигатели, которые всегда в какой-то степени необратимы, менее эффективен, чем реверсивные двигатели. Кроме того, все реверсивные двигатели которые работают между двумя температурами и должны иметь то же КПД,
    (351)

    независимо от того, как они действуют.

    Давайте рассмотрим, как мы могли бы построить одну из этих обратимых тепловых машин. Предположим, что у нас есть газ в цилиндре с поршнем без трения. Газ не обязательно является идеальным газом. Предположим, что у нас также есть две теплоты резервуаров при температурах и (где). Эти водоемы могут иметь форму больших водяных бань. Начнем с газ в тепловом контакте с первым резервуаром. Теперь вытаскиваем поршень очень медленно, так что тепловая энергия обратимо перетекает в газ из резервуар.Давайте теперь термически изолируем газ и медленно вытащим поршень еще немного. Во время этого адиабатического процесса температура газ падает (так как в него больше не поступает тепло, чтобы компенсировать работу, которую он выполняет с поршнем). Давайте продолжим этот процесс пока температура газа не упадет до. Теперь разместим газ в тепловом контакте со вторым резервуаром и медленно надавите на поршень дюйм. Во время этого изотермического технологическое тепло выходит из газа в резервуар. Мы следующие термически изолируйте газ второй раз и медленно сожмите его еще немного.В этом В процессе температура газа увеличивается. Останавливаем сжатие, когда температура достигает. Если мы выполним каждый шаг правильно, мы сможем вернуть газ в его начальное состояние, а затем повторить цикл до бесконечности . Теперь у нас есть набор обратимых процессов, с помощью которых величина тепла извлекается из первый резервуар и некоторое количество тепла сбрасывается во второй. Мы можем лучше оценивать работа, выполняемая системой в течение каждого цикла вычерчивая геометрическое место газа в — диаграмма.Географическое место принимает форму замкнутой кривой — см. Рис.1. Чистая работа, выполненная за цикл, — это « площадь », содержащаяся внутри этой кривой, поскольку [если строится по вертикали и горизонтали, тогда очевидно, что это элемент площади под кривой]. Двигатель у нас есть только что описанный двигатель Carnot является самым простым из возможных устройство, способное преобразовывать тепловую энергию в полезную работу.

    Рисунок 1: Идеальный бензиновый двигатель Карно.

    Для конкретного случая идеального газа мы действительно можем рассчитать работу, выполненную за цикл, и, таким образом, проверить уравнение.(351). Рассмотрим фазу изотермического расширения газа. Для идеального газа внутренний энергия зависит только от температуры. Температура не изменение при изотермическом расширении, поэтому внутренняя энергия остается постоянной, а чистое тепло, поглощаемое газ должен равняться работе, которую он совершает на поршне. Таким образом,

    (352)

    где расширение переводит газ из состояния в состояние. С , для идеального газа имеем
    (353)

    Точно так же во время фазы изотермического сжатия, когда газ идет из состояния в состояние, чистое тепло отводится во второй резервуар является
    (354)

    Теперь при адиабатическом расширении или сжатии
    (355)

    Отсюда следует, что во время фазы адиабатического расширения, выводящего газ из состояния заявить,
    (356)

    Аналогичным образом, во время фазы адиабатического сжатия, когда газ забирается из от состояния к заявлению,
    (357)

    Если мы возьмем отношение двух предыдущих уравнений, мы получим
    (358)

    Следовательно, работа, выполняемая движком, которую мы можем рассчитать, используя первую закон термодинамики,
    (359)

    является
    (360)

    Таким образом, КПД двигателя является
    (361)

    что, что неудивительно, в точности совпадает с формулой.(351).

    Описанный выше двигатель очень идеализирован. Конечно, настоящие двигатели далеко сложнее, чем это. Тем не менее максимальная эффективность идеального тепловой двигатель накладывает серьезные ограничения на реальные двигатели. Обычные электростанции имеют много разных « входов » (, например, , угольные печи, мазутные печи, ядерные реакторы), но их « задние части » — это все очень похожи и состоят из паровой турбины, соединенной с электрогенератор.« Передняя часть » нагревает забираемую воду из местной реки и превращает его в пар, который затем используется для приводить в движение турбину и, следовательно, вырабатывать электроэнергию. Наконец-то, пар проходит через теплообменник, чтобы он мог нагревать поступающую речную воду, это означает, что поступающую воду не нужно так сильно нагревать « передняя часть ». На этом этапе некоторое количество тепла отводится в окружающую среду, обычно в виде облаков. пара, выходящего из верхней части градирен. Мы видим, что электростанция обладает многими из тех же характеристик, что и наша идеализированная тепловая машина.Существует цикл, который работает между двумя температурами. Верхняя температура — это температура, до которой пар нагревается « передним концом », а нижняя температура это температура окружающей среды, в которую отводится тепло. Предполагать что пар нагревается только до C (или K), а температура окружающей среды C (или K). Это следует из Уравнение (350) что максимум возможный КПД парового цикла равен

    (362)

    Итак, не менее 77% тепловой энергии, вырабатываемой « начальным концом » идет прямо по градирням! Неудивительно, что коммерческий электростанции не работают с паром C.Единственный способ, которым термодинамический КПД парового цикла можно поднять до приемлемого уровня заключается в использовании очень горячего пара (очевидно, мы не можем охлаждать окружающую среду). Использование пара C, что не редкость, позволяет достичь максимальной эффективности.
    (363)

    что более разумно. На самом деле паровые циклы современных электростанций настолько хорошо спроектированы, что они на удивление близки к своим максимальная термодинамика эффективность.

    Далее: Холодильники Up: Классическая термодинамика Предыдущий: Адиабатическая атмосфера
    Ричард Фицпатрик 2006-02-02

    12.4 Приложения термодинамики: тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники

    Тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники

    В этом разделе мы рассмотрим, как работают тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники с точки зрения законов термодинамики.

    Одна из самых важных вещей, которые мы можем сделать с теплом, — это использовать его для работы за нас.Тепловой двигатель делает именно это — он использует свойства термодинамики для преобразования тепла в работу. Бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины, вырабатывающие электричество, — все это примеры тепловых двигателей.

    На рис. 12.13 показан один из способов передачи энергии теплом для выполнения работы. Сгорание топлива высвобождает химическую энергию, которая передает тепло по газу в цилиндре. Это увеличивает температуру газа, что, в свою очередь, увеличивает давление газа и, следовательно, силу, которую он оказывает на подвижный поршень.Газ действительно воздействует на внешний мир, поскольку эта сила перемещает поршень на некоторое расстояние. Таким образом, передача энергии газу в баллоне приводит к выполнению работы.

    Рис. 12.13 (a) Передача тепла газу в баллоне увеличивает внутреннюю энергию газа, создавая более высокое давление и температуру. (b) Сила, действующая на подвижный цилиндр, действительно работает, когда газ расширяется. Давление и температура газа снижаются во время расширения, указывая на то, что внутренняя энергия газа уменьшилась по мере его работы.(c) Теплопередача энергии в окружающую среду дополнительно снижает давление в газе, так что поршень может более легко вернуться в исходное положение.

    Чтобы повторить этот процесс, поршень необходимо вернуть в исходную точку. Тепло теперь передает энергию от газа к окружающей среде, так что давление газа уменьшается, и окружающая среда оказывает силу, толкающую поршень назад на некоторое расстояние.

    Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла.Все тепловые двигатели используют циклические процессы.

    Тепловые двигатели работают, используя часть энергии, передаваемую теплом от какого-либо источника. Как показано на рисунке 12.14, тепло передает энергию QhQh от высокотемпературного объекта (или горячего резервуара), тогда как тепло передает неиспользованную энергию QcQc низкотемпературному объекту (или холодному резервуару), и работа, выполняемая объектом двигатель Вт . В физике резервуар определяется как бесконечно большая масса, которая может принимать или выводить неограниченное количество тепла в зависимости от потребностей системы.Температура горячего резервуара — Th, Th, а температура холодного резервуара — TcTc.

    Рис. 12.14 (а) Тепло самопроизвольно передает энергию от горячего объекта к холодному, что согласуется со вторым законом термодинамики. (б) Тепловой двигатель, обозначенный здесь кружком, использует часть энергии, передаваемой теплом, для выполнения работы. Горячие и холодные предметы называются горячими и холодными резервуарами. Q h — это тепло, выходящее из горячего резервуара, W — рабочая мощность, а Q c — неиспользованное тепло в холодный резервуар.

    Как уже отмечалось, циклический процесс возвращает систему в исходное состояние в конце каждого цикла. Внутренняя энергия такой системы, U , одинакова в начале и в конце каждого цикла, то есть ΔU = 0ΔU = 0. Первый закон термодинамики гласит, что ΔU = Q − W, ΔU = Q − W, где Q — это чистая теплопередача во время цикла, а W — чистая работа , выполненная системой. Чистая теплопередача — это энергия, передаваемая теплом из горячего резервуара за вычетом количества, которое передается в холодный резервуар (Q = Qh-QcQ = Qh-Qc).Поскольку нет изменения внутренней энергии для полного цикла (ΔU = 0ΔU = 0), мы имеем

    , так что

    Следовательно, чистая работа, выполненная системой, равна чистому теплу, поступающему в систему, или

    для циклического процесса.

    Поскольку горячий резервуар нагревается извне, а это энергоемкий процесс, важно, чтобы работа выполнялась как можно более эффективно. Фактически, мы хотим, чтобы W равнялось QhQh, и чтобы не было тепла в окружающую среду (то есть Qc = 0Qc = 0).К сожалению, это невозможно. Согласно второму закону термодинамики, тепловые двигатели не могут иметь совершенного преобразования тепла в работу. Вспомните, что энтропия — это мера беспорядка в системе, а также количество энергии, недоступной для выполнения работы. Второй закон термодинамики требует, чтобы общая энтропия системы либо увеличивалась, либо оставалась постоянной в любом процессе. Следовательно, существует минимальное количество QhQh, которое нельзя использовать для работы. Количество тепла, отводимого в холодный резервуар, Qc, Qc, зависит от эффективности теплового двигателя.Чем меньше увеличение энтропии, ΔSΔS, тем меньше значение QcQc и тем больше тепловой энергии доступно для выполнения работы.

    Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют теплопередачу энергии от низких до высоких температур, что противоположно тому, что делают тепловые двигатели. Тепло передает энергию QcQc из холодного резервуара и передает энергию QhQh в горячий. Для этого требуется ввод работы, W , которая производит передачу энергии за счет тепла. Таким образом, общая теплоотдача к горячему резервуару составляет

    .

    Назначение теплового насоса — передача энергии посредством тепла в теплую среду, например, в дом зимой.Большим преимуществом использования теплового насоса для поддержания тепла в доме, а не просто сжигания топлива в камине или печи, является то, что тепловой насос подает Qh = Qc + WQh = Qc + W. Тепло QcQc поступает от наружного воздуха даже при температуре ниже нуля в помещение. Вы платите только за W и получаете дополнительную теплоотдачу QcQc извне бесплатно. Во многих случаях в отапливаемое пространство передается как минимум вдвое больше энергии, чем используется для работы теплового насоса. Когда вы сжигаете топливо, чтобы согреться, вы платите за все.Недостатком теплового насоса является то, что входная работа (требуемая вторым законом термодинамики) иногда бывает дороже, чем просто сжигание топлива, особенно если работа обеспечивается за счет электроэнергии.

    Основные компоненты теплового насоса показаны на рисунке 12.15. Используется рабочая жидкость, например хладагент. В наружных змеевиках (испарителе) тепло QcQc поступает в рабочую жидкость из холодного наружного воздуха, превращая ее в газ.

    Рисунок 12.15 Простой тепловой насос состоит из четырех основных компонентов: (1) испаритель, (2) компрессор, (3) конденсатор и (4) расширительный клапан.В режиме обогрева тепло передает QcQc рабочему телу в испарителе (1) от более холодного наружного воздуха, превращая его в газ. Компрессор с электрическим приводом (2) увеличивает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора (3) внутри отапливаемого пространства. Поскольку температура газа выше, чем температура в комнате, тепло передает энергию от газа к комнате, когда газ конденсируется в жидкость. Затем рабочая жидкость охлаждается, поскольку она течет обратно через расширительный клапан (4) к змеевикам испарителя наружного блока.

    Компрессор с электрическим приводом (рабочая мощность W ) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора, которые находятся внутри отапливаемого пространства. Поскольку температура газа выше, чем температура внутри комнаты, тепло передает энергию в комнату, и газ конденсируется в жидкость. Затем жидкость течет обратно через расширительный (понижающий давление) клапан. Жидкость, охлажденная за счет расширения, возвращается к змеевикам испарителя наружного блока для возобновления цикла.

    О качестве теплового насоса судят по тому, сколько энергии передается теплом в теплое пространство (QhQh) по сравнению с тем, сколько требуется входной работы ( W ).

    Предупреждение о заблуждении

    Помните, что холодильники и кондиционеры не создают холода. Они просто передают тепло изнутри наружу.

    Вернитесь к закону идеального газа, законам термодинамики и энтропии. Используйте их, чтобы понять, как работают кондиционеры и холодильники.Это также даст вам возможность оценить свое понимание этих концепций. И в холодильниках, и в кондиционерах используются химические вещества, которые могут легко переходить из жидкой фазы в газообразную и обратно. Химическое вещество присутствует в замкнутом контуре трубопровода. Изначально он находится в газообразном состоянии. Компрессор сжимает частицы газа, являющиеся химическим веществом, ближе друг к другу, создавая высокое давление. Следуя закону идеального газа, с увеличением давления увеличивается и температура. Этот горячий плотный газ распространяется по небольшим трубкам или ребрам конденсатора, который расположен на внешней стороне кондиционера (и на задней стороне холодильника).Ребра контактируют с наружным воздухом, который холоднее сжатого химического вещества, и, следовательно, как показывает энтропия, тепло передает энергию от горячего конденсатора к относительно более холодному воздуху. В результате газ охлаждается и конденсируется в жидкость. Затем эта жидкость попадает в испаритель через крошечное узкое отверстие. По другую сторону отверстия газ расширяется (энтропия увеличивается), а его давление падает. Следовательно, согласно закону идеального газа, его температура также понижается.Вентилятор обдувает этот уже остывший испаритель в комнату или в холодильник (рис. 12.16).

    Рисунок 12.16 Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники — это тепловые двигатели, работающие в обратном направлении. Практически в каждом доме есть холодильник. Большинство людей не осознают, что они тоже делят свои дома с тепловым насосом.

    Кондиционеры и холодильники предназначены для охлаждения веществ путем передачи энергии посредством тепла QcQc из прохладной среды в более теплую, где тепло QhQh отдается.В случае холодильника тепло отводится из внутренней части холодильника в окружающую комнату. Для кондиционера тепло передается на улицу из дома. Тепловые насосы также часто используются в реверсивном режиме для охлаждения помещений летом.

    Как и в случае с тепловыми насосами, для передачи тепла от холода к теплу требуется вводимая работа. О качестве кондиционеров и холодильников судят по тому, сколько энергии отводится теплом QcQc из холодной окружающей среды, по сравнению с тем, сколько работы требуется, W .Таким образом, то, что считается преимуществом энергии в тепловом насосе, в холодильнике считается отработанным теплом.

    % PDF-1.3 % 819 0 объект > эндобдж xref 819 83 0000000016 00000 н. 0000002011 00000 н. 0000002132 00000 н. 0000002975 00000 н. 0000003325 00000 н. 0000003409 00000 п. 0000003511 00000 н. 0000003626 00000 н. 0000003735 00000 н. 0000003796 00000 н. 0000003968 00000 н. 0000004029 00000 н. 0000004148 00000 п. 0000004209 00000 н. 0000004299 00000 н. 0000004404 00000 н. 0000004465 00000 н. 0000004593 00000 н. 0000004654 00000 н. 0000004778 00000 п. 0000004839 00000 н. 0000004900 00000 н. 0000005005 00000 н. 0000005066 00000 н. 0000005174 00000 п. 0000005235 00000 п. 0000005395 00000 п. 0000005456 00000 н. 0000005517 00000 н. 0000005632 00000 н. 0000005720 00000 н. 0000005820 00000 н. 0000005881 00000 н. 0000005985 00000 н. 0000006046 00000 н. 0000006149 00000 н. 0000006210 00000 н. 0000006271 00000 н. 0000006375 00000 н. 0000006436 00000 н. 0000006547 00000 н. 0000006608 00000 н. 0000006725 00000 н. 0000006786 00000 н. 0000006897 00000 н. 0000006958 00000 п. 0000007072 00000 н. 0000007133 00000 п. 0000007246 00000 н. 0000007307 00000 н. 0000007367 00000 н. 0000007470 00000 н. 0000007571 00000 н. 0000007631 00000 н. 0000007761 00000 н. 0000007822 00000 н. 0000007883 00000 н. 0000007944 00000 н. 0000008067 00000 н. 0000008186 00000 н. 0000008307 00000 н. 0000008425 00000 н. 0000008447 00000 н. 0000009311 00000 п. 0000009333 00000 п. 0000010199 00000 п. 0000010221 00000 п. 0000011032 00000 п. 0000011054 00000 п. 0000011171 00000 п. 0000012011 00000 п. 0000012033 00000 п. 0000012837 00000 п. 0000012859 00000 п. 0000013643 00000 п. 0000013665 00000 п. 0000014434 00000 п. 0000014456 00000 п. 0000015244 00000 п. 0000015266 00000 п. 0000016251 00000 п. 0000002196 00000 п. 0000002953 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 820 0 объект > эндобдж 821 0 объект > эндобдж 900 0 объект > транслировать Hb«a` Ȁ

    PHY132 Боддекера Лекция

    Ch 19 Тепловые двигатели, Энтропия, & 2 nd Закон термодинамики

    Тепловые двигатели и 2 nd Закон термодинамики

    А Тепловой двигатель — это устройство, которое потребляет энергию за счет тепла и доля входящей энергии как работа в циклическом процессе

    А стерлинговый двигатель

    А паровоз

    Автомобильная промышленность двигатель

    и т. Д.

    А тепловой двигатель переносит некоторое рабочее вещество в циклическом процессе в течение

    рабочее тело поглощает энергию ТЕПЛО из высокого резервуар энергии темп

    работу делает двигатель

    энергия вытесняется теплом в резервуар с более низкой температурой

    Предположим, что тепловая машина подключена к двум резервуарам энергии, один представляет собой ванну расплавленного алюминия (660 ° C), а другой — блок твердой ртути (38.9С). Двигатель работает за счет замораживания 1,00 г алюминия и плавления 15,0 г ртути. в течение каждого цикла. L f Al составляет 3,97 x 105 Дж / кг;

    л ф Hg составляет 1,18 x 104 Дж / кг.

    Каков КПД этого двигателя?

    Тепло, необходимое для плавления

    15,0 г Hg

    Q = м L f

    Q = 0,015 (1,18×104)

    Q c = 177 Дж

    Энергия, поглощенная 1.00 г алюминия

    Q = м L f

    Q = 0,001 (3,97×105)

    Q ч = 397 Дж

    объем работы

    Двигатель W = Q h Q c

    Вт двигатель = 397-177

    Вт двигатель = 220 Дж

    eff = W двигатель / Q ч

    эфф = 220/397

    эфф = 55.4%

    Теоретический (Карно) КПД

    эфф макс = 1 T C / T H

    эфф макс = 1 (273,15-38,9) / (273,15 + 660)

    эфф макс = 74,9%

    Демо: Двигатель Стирлинга: TH-F-SC

    http: //www.stirlingenergy.ru / break_news.htm

    Тепловые насосы и Холодильники

    А тепловой насос передает энергию от холода к горячему резервуару. Мы должны добавить энергии, чтобы добиться этого процесс. Другие общеупотребительные имена, воздух кондиционер, холодильник и др.

    Для режима отопления

    COP (обогреватель) = Q ч / Работа

    Для режима охлаждения

    COP (рефрижератор) = Q c / Работа

    Хорошие холодильники имеют КПД, КС, из около 6

    Клаузиус выписка

    Энергия НЕ передается самопроизвольно за счет тепла от холодного объекта к горячему!

    Пример

    Холодильник имеет коэффициент полезного действия, равный 5.00. Холодильник вмещает 120 Дж. энергии из холодного резервуара в каждом цикле.

    Найдите

    (а) работа, необходимая в каждом цикле

    и

    (б) энергия, отведенная к горячему резервуар.

    а. COP (рефрижератор) = Q c / Работа

    5,00 = 120 Дж / Работа

    Работа = 24,0 Дж

    г. Нагревать expelled = Тепло удалено + Работа выполнена

    Q ч = Q c + Работа

    Q 900 10 ч = 120 + 24

    Q ч = 144 Джоулей

    Реверсивный и Необратимые процессы

    А обратимый процесс система Проходящий процесс можно вернуть в исходное состояние

    по тому же пути на фотоэлектрической диаграмме.Также каждые

    точки на этом пути — состояние равновесия.

    An необратимый процесс — это процесс, который НЕ удовлетворяет этим требованиям.

    Все НАСТОЯЩИЕ процессы НЕОБРАТИМО !!!

    Некоторые реальные процессы почти обратимы.

    Если реальный процесс происходит очень медленно, так что система почти состояние равновесия, то процесс можно аппроксимировать обратимым.

    А газ изотермически сжимается в поршне, который находится в контакте с резервуар энергии, так что передача энергии будет поддерживать постоянную температуру.

    Почти как ваша лаборатория идеального газа, если она изолирована и запечатана.

    Как вы добавляете веса очень маленькими приращениями, а затем просто удаляете вес а медленно цилиндр вернется в исходное положение.

    (Почему изолирован, если не повышенная температура в форме бутылки сжатие будет перенесено в среду).

    Карно Двигатель

    Теорема Карно Нет реальной тепловой машины, работающей между два резервуара энергии могут быть более эффективными, чем Карно двигатель работает между двумя одинаковыми резервуарами.

    Какой коэффициент полезного действия у холодильника работает с эффективностью Карно между температуры 3.00C и + 27.0C?

    COP рефрижератор = T C / ∆T

    COP рефрижератор = (273,15 + -3) / 30

    COP рефрижератор = 9

    Пример

    Тепловой двигатель, работающий при температуре от 200 ° C до 80,0 ° C, достигает 20,0% максимально возможной эффективности. Какой подвод энергии позволит двигателю выполнить

    10,0 кДж работы?

    Карно эффективность

    двигатель

    эфф c = ∆T / Т ч

    эфф с = (200-80) / (273.15 + 200)

    эфф c = 25,3%

    Если эффективность 20%, мы получаем только

    25,3% * 20% = 5,06%

    эфф = W двигатель / Q h

    5,06% = 10 кДж / кв ч

    Q ч = 197 кДж

    Бензин и Дизель Двигатели

    Впускной ход O A

    Сжатие ход A B

    Горение B C

    Мощность ход C D

    Выхлоп открывает D A

    Выхлоп сток А О

    Если мы предполагаем идеальный газ,

    тогда эффективность

    Отто цикл

    e = 1 1 / (В 1 / В 2 ) γ -1

    Или

    e = 1 (В 1 / В 2 ) 1- γ

    Химический ПЭ В

    Положительная работа на газе

    PE по Q ч

    Газ адиабатически расширяется

    P внезапно падает

    В падает от В 1 до В 2

    γ = C P / C V

    где V 1 / V 2 это

    степень сжатия

    Пример

    Бензиновый двигатель имеет степень сжатия 6.00 и использует газ, для которого = 1,40.

    (а) Каков КПД двигателя, если он работает в идеализированный цикл Отто?

    (b) Что если? Если фактический КПД составляет 15,0%, какой часть топлива тратится впустую в результате трения и энергии потери тепла, которых можно было бы избежать в реверсивном двигателе?

    eff otto = 1 (V 2 / V 1 ) γ -1

    eff otto = 1 (1/6) 1.4 — 1

    эфф отто = 51,2%

    потерь = eff otto — эфф фактический

    потерь = 51,2% — 15%

    потерь = 36,2%

    Энтропия

    Энтропия является мерой беспорядка в изолированных системах.

    Энтропия — еще одна переменная состояния 2 nd закона термодинамики

    Состояние: а особая конфигурация отдельных компонентов (ориентация, вращение состояния, направления в один момент времени и т. д.)

    Macrostate: описание с использованием состояния переменные (P, T, ρ и т. д.)

    Далеко с неупорядоченными микросостояниями существует больше макросостояний, чем с упорядоченными микросостояниями, т.е.е. есть только одно микросостояние, где все векторы указывают налево.

    Таким образом макросостояние всегда движется к беспорядку.

    dS = dQ r / T

    ∆S = ∫dS

    ∆S = ∫ dQ r / T

    ∆S = | Q ч | / T ч — | Q c | / T c

    Для двигатель Карно, работающий в цикле | Q h | / T h = | Q c | / T c

    Таким образом, ∆S = 0

    Теперь рассмотрим не-Карно но все же обратимый цикл.

    ср еще знаю ∆S = 0

    Так dQ r / T = 0

    (интеграл по замкнутому контуру, вы увидите это намного больше в электрическом физика, имея дело с законом Ампера)

    Квазистатический, обратимый Процесс получения идеального газа

    Начальный: T i и V i ; Окончательный: T f и V f

    dQ r = dE int — dW

    dQ r = dE int — (-PdV)

    dQ r = nC v dT + nRT (dV / V) (разделить на T)

    dQ r / T = nC v dT / T + nR (дв / В)

    ∆S = ∫ dQ r / T

    ∆S = ∫nC v dT / T + ∫nR (dV / V)

    ∆S = nC v ln (T f / T i ) + nR ln (V f / V i )

    Пример

    Ванночка для льда содержит 500 г жидкой воды при 0 ° C.Рассчитать изменение энтропии воды по мере ее медленного и полного замерзания при 0C.

    Для процесса замораживания,

    изменение энтропии, ∆S = ∆Q / T

    ∆S = -мл f / Т

    ∆S = -,5 (3,33×10 5 ) / 273,15

    ∆S = -610 Дж / К

    Изменения энтропии в Необратимые процессы

    полная энтропия изолированной системы, которая претерпевает изменение, НЕ МОЖЕТ уменьшиться

    В необратимые процессы Энтропия всегда увеличивается

    В обратимые процессы (нереальные процессы) ∆S постоянна

    Энтропия в свободном состоянии расширение

    (нет повышение давления)

    dS = dQ r / T

    ∆S = 1 / T ∫ (nRT / V) dV

    ∆S = nR ∫ (1 / V) dV

    ∆S = nRln (V f / V и )

    Изменение энтропии Калориметрические процессы

    T f = (м 1 c 1 T c + m 2 c 2 T h ) / (m 1 c 1 + m 2 c 2 )

    dS = dQ c / T

    ∆S = m 1 c 1 ln (T f / T c ) + m 2 c 2 ln (T f / T h )

    Температура на поверхности Солнца приблизительно равна 5700 К, а температура у поверхности Земли примерно 290 тыс.Какое изменение энтропии происходит при передаче 1000 Дж энергии излучением Солнца на Землю?

    ∆S система = ∆ (Q / Т)

    ∆S система = ∆ (1000/290 1000/5700)

    ∆S система = 3,27 Дж / К

    Энтропия под микроскопом Масштаб

    Пусть V и — начальный объем для данного газа.

    Пусть V m — размер молекулы (; объем молекулы занимает)

    А Двумерное изображение справа.

    Как много разных w ays is V M разрешается?

    Ансайт

    Как мы приходим к этому численно?

    Ответ:

    В и = 8 единиц; V м = 1 шт.

    Вт 1 = V и / V м

    Вт 1 = 8 шт. / 1 ​​шт.

    w 1 = 8

    Что если V i составляет 10 23 кубических единиц?

    Это означает, что если добавляется другая частица размером V M , то также имеет w 2 различных разрешенных позиций или w ays.

    Так сколько всего # Вт айс размещения этих двух частиц в исходном объеме?

    W = (w 1 ) (w 2 )

    Добавить третьи частицы так разные w ays позиционирования будет

    W = (w 1 ) (w 2 ) (w 3 ), где w 1 ≈ w 2 ≈ w 3

    Или W = w 1 3

    Так формула для определения общего количества w ays для позиционирования частицы —

    Вт и = w i N

    Вт и = (V и / V м ) N

    А для окончательного объема

    Вт f = (V f / V м )

    набор соотношение итогового к начальному

    Вт f / Вт и = (V f / V м ) N / (V i / V м ) N

    Вт f / Вт и = (V f / V и ) N

    ln (W f / W и ) = (Н) ln (V f / V i )

    к B ln (W f / W i ) = k B (N) ln (V f / V i )

    к B ln (W f / W i ) = k B (nN A ) ln (V f / V i )

    k B ln (W f ) — k B ln (W и ) = n (k B N A ) ln (V f / V i )

    k B ln (W f ) — k B ln (W и ) = п (R) ln (V f / V и )

    ср также знаю из 22.7 Изменение энтропии в свободном расширении составляет

    S f — S i = n (R) ln (V f / V i )

    Таким образом,

    S f — S i = k B ln (V f ) — k B ln (V i )

    Или ΔS = k B ln (Работа)

    Если вы подбрасываете два кубика, какое общее количество способов вы можете получить (а) а 12 и (б) 7?

    2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6

    2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6

    3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6

    4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6

    5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 5,6

    6,1 6,2 6,3 6,4 6,5 6,6

    1 2 3 4 5 6 5 4 3 2 1

    Как видите, только одна комбинация даст вам 12; (6,6)

    А 7 может быть получено 6 способами

    .

    Автор: alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.