Принцип работы тепловой машины: Урок 25. тепловые двигатели. кпд тепловых двигателей — Физика — 10 класс

Содержание

Урок 25. тепловые двигатели. кпд тепловых двигателей — Физика — 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 25. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Понятие теплового двигателя;

2)Устройство и принцип действия теплового двигателя;

3)КПД теплового двигателя;

4) Цикл Карно.

Глоссарий по теме

Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Двигатель внутреннего сгорания – двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя.

Реактивный двигатель – двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Цикл Карно – это идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов.

Нагреватель – устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет на совершение работы.

Холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела (окружающая среда или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара, т.е. конденсаторы).

Рабочее тело — тело, которое расширяясь, совершает работу (им является газ или пар)

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 269 – 273.

2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.: Дрофа,2014. – С. 87 – 88.

Открытые электронные ресурсы по теме урока

http://kvant.mccme.ru/1973/12/teplovye_mashiny.htm

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Сказки и мифы разных народов свидетельствуют о том, что люди всегда мечтали быстро перемещаться из одного места в другое или быстро совершать ту или иную работу. Для достижения этой цели нужны были устройства, которые могли бы совершать работу или перемещаться в пространстве. Наблюдая за окружающим миром, изобретатели пришли к выводу, что для облегчения труда и быстрого передвижения нужно использовать энергию других тел, к примеру, воды, ветра и т.д. Можно ли использовать внутреннюю энергию пороха или другого вида топлива для своих целей? Если мы возьмём пробирку, нальём туда воду, закроем её пробкой и будем нагревать. При нагревании вода закипит, и образовавшие пары воды вытолкнут пробку. Пар расширяясь совершает работу. На этом примере мы видим, что внутренняя энергия топлива превратилась в механическую энергию движущейся пробки. При замене пробки поршнем способным перемещаться внутри трубки, а саму трубку цилиндром, то мы получим простейший тепловой двигатель.

Тепловой двигатель – тепловым двигателем называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

Вспомним строение простейшего двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень. Поршень с помощью шатуна соединяется с коленчатым валом. В верхней части каждого цилиндра имеются два клапана. Один из клапанов называют впускным, а другой – выпускным. Для обеспечения плавности хода поршня на коленчатом вале укреплен тяжелый маховик.

Рабочий цикл ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Во время первого такта открывается впускной клапан, а выпускной клапан остается закрытым. Движущийся вниз поршень засасывает в цилиндр горючую смесь.

Во втором такте оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.

В третьем такте, когда поршень оказывается в верхнем положении, смесь поджигается электрической искрой свечи. Воспламенившаяся смесь образует раскаленные газы, давление которых составляет 3 -6 МПа, а температура достигает 1600 -2200 градусов. Сила давления толкает поршень вниз, движение которого передается коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок маховик будет дальше вращаться по инерции, обеспечивая движение поршня и при последующих тактах. Во время этого такта оба клапана остаются закрытыми.

В четвертом такте открывается выпускной клапан и отработанные газы движущимся поршнем выталкиваются через глушитель (на рисунке не показан) в атмосферу.

Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Q₁ – количество теплоты полученное от нагревания

Q₂ – количество теплоты, отданное холодильнику

– работа, совершаемая двигателем за цикл.

Этот КПД является реальным, т.е. как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

Зная мощность N и время работы t двигателя работу, совершаемую за цикл можно найти по формуле

Передача неиспользуемой части энергии холодильнику.

В XIX веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ определения КПД (через термодинамическую температуру).

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т₁, и холодильником с температурой Т₂, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Сади Карно, выясняя при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из 2 адиабатных и двух изотермических процессов

Цикл Карно — самый эффективный цикл, имеющий максимальный КПД.

Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

Формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1.

Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое 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 счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

Тепловые двигатели – паровые турбины, устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном – поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном – двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на железнодорожном – тепловозы с дизельными установками; в авиационном – поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

КПД:

Паровой двигатель – 8%.

Паровая турбина – 40%.

Газовая турбина – 25-30%.

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.

Дизельный двигатель – 40– 44%.

Реактивный двигатель – 25%.

Широкое использование тепловых двигателей не проходит бесследно для окружающей среды: постепенно уменьшается количество кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, воздух загрязняется вредными для здоровья человека химическими соединениями. Возникает угроза изменения климата. Поэтому нахождение путей уменьшения загрязнения окружающей среды является сегодня одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.

Примеры и разбор решения заданий

1. Какую среднюю мощность развивает двигатель автомобиля, если при скорости 180 км/ч расход бензина составляет 15 л на 100 км пути, а КПД двигателя 25%?

Дано: v=180км/ч = 50 м/с, V = 15 л = 0,015 м³, s = 100 км = 10⁵м, ɳ = 25% = 0,25, ρ = 700 кг/м³, q = 46 × 10⁶Дж/кг.

Найти: N.

Решение:

Запишем формулу для расчёта КПД теплового двигателя:

Работу двигателя, можно найти, зная время работы и среднюю мощность двигателя:

Количество теплоты, выделяющееся при сгорании бензина, находим по формуле:

Учитывая всё это, мы можем записать:

Время работы двигателя можно найти по формуле:

Из формулы КПД выразим среднюю мощность:

Подставим числовые значения величин:

После вычислений получаем, что N=60375 Вт.

Ответ: N=60375 Вт.

2. Тепловая машина имеет КПД 25 %. Средняя мощность передачи теплоты холодильнику составляет 4 кВт. Какое количество теплоты рабочее тело получает от нагревателя за 20 с?

Дано: ɳ = 25%, N = 4000 Вт, t = 20 с.

Найти: Q₁.

Решение

– это количество теплоты, отданное холодильнику

Тепловые машины — материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: принципы действия тепловых машин, КПД тепловой машины, тепловые двигатели и охрана окружающей среды.

Коротко говоря, тепловые машины преобразуют теплоту в работу или, наоборот, работу в теплоту.
Тепловые машины бывают двух видов — в зависимости от направления протекающих в них процессов.

1. Тепловые двигатели преобразуют теплоту, поступающую от внешнего источника, в механическую работу.

2. Холодильные машины передают тепло от менее нагретого тела к более нагретому за счёт механической работы внешнего источника.

Рассмотрим эти виды тепловых машин более подробно.

Тепловые двигатели

Мы знаем, что совершение над телом работы есть один из способов изменения его внутренней энергии: совершённая работа как бы растворяется в теле, переходя в энергию беспорядочного движения и взаимодействия его частиц.

Рис. 1. Тепловой двигатель

Тепловой двигатель — это устройство, которое, наоборот, извлекает полезную работу из «хаотической» внутренней энергии тела. Изобретение теплового двигателя радикально изменило облик человеческой цивилизации.

Принципиальную схему теплового двигателя можно изобразить следующим образом (рис. 1). Давайте разбираться, что означают элементы данной схемы.

Рабочее тело двигателя — это газ. Он расширяется, двигает поршень и совершает тем самым полезную механическую работу.

Но чтобы заставить газ расширяться, преодолевая внешние силы, нужно нагреть его до температуры, которая существенно выше температуры окружающей среды. Для этого газ приводится в контакт с нагревателем — сгорающим топливом.

В процессе сгорания топлива выделяется значительная энергия, часть которой идёт на нагревание газа. Газ получает от нагревателя количество теплоты . Именно за счёт этого тепла двигатель совершает полезную работу .

Это всё понятно. Что такое холодильник и зачем он нужен?

При однократном расширении газа мы можем использовать поступающее тепло максимально эффективно и целиком превратить его в работу. Для этого надо расширять газ изотермически: первый закон термодинамики, как мы знаем, даёт нам в этом случае .

Но однократное расширение никому не нужно. Двигатель должен работать циклически, обеспечивая периодическую повторяемость движений поршня. Следовательно, по окончании расширения газ нужно сжимать, возвращая его в исходное состояние.

В процессе расширения газ совершает некоторую положительную работу . В процессе сжатия над газом совершается положительная работа (а сам газ совершает отрицательную работу ). В итоге полезная работа газа за цикл: .

Разумеется, должно быть , или (иначе никакого смысла в двигателе нет).

Сжимая газ, мы должны совершить меньшую работу, чем совершил газ при расширении.

Как этого достичь? Ответ: сжимать газ под меньшими давлениями, чем были в ходе расширения. Иными словами, на -диаграмме процесс сжатия должен идти ниже процесса расширения, т. е. цикл должен проходиться по часовой стрелке (рис. 2).

Рис. 2. Цикл теплового двигателя

Например, в цикле на рисунке работа газа при расширении равна площади криволинейной трапеции . Аналогично, работа газа при сжатии равна площади криволинейной трапеции со знаком минус. В результате работа газа за цикл оказывается положительной и равной площади цикла .

Хорошо, но как заставить газ возвращаться в исходное состояние по более низкой кривой, т. е. через состояния с меньшими давлениями? Вспомним, что при данном объёме давление газа тем меньше, чем ниже температура. Стало быть, при сжатии газ должен проходить состояния с меньшими температурами.

Вот именно для этого и нужен холодильник: чтобы охлаждать газ в процессе сжатия.

Холодильником может служить атмосфера (для двигателей внутреннего сгорания) или охлаждающая проточная вода (для паровых турбин). При охлаждении газ отдаёт холодильнику некоторое количество теплоты .

Суммарное количество теплоты, полученное газом за цикл, оказывается равным . Согласно первому закону термодинамики:

где — изменение внутренней энергии газа за цикл. Оно равно нулю: , так как газ вернулся в исходное состояние (а внутренняя энергия, как мы помним, является функцией состояния). В итоге работа газа за цикл получается равна:

(1)

Как видите, : не удаётся полностью превратить в работу поступающее от нагревателя тепло. Часть теплоты приходится отдавать холодильнику — для обеспечения цикличности процесса.

Показателем эффективности превращения энергии сгорающего топлива в механическую работу служит коэффициент полезного действия теплового двигателя.

КПД теплового двигателя — это отношение механической работы к количеству теплоты , поступившему от нагревателя:

С учётом соотношения (1) имеем также

(2)

КПД теплового двигателя, как видим, всегда меньше единицы. Например, КПД паровых турбин приблизительно , а КПД двигателей внутреннего сгорания около .

Холодильные машины

Житейский опыт и физические эксперименты говорят нам о том, что в процессе теплообмена теплота передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот. Никогда не наблюдаются процессы, в которых за счёт теплообмена энергия самопроизвольно переходит от холодного тела к горячему, в результате чего холодное тело ещё больше остывало бы, а горячее тело — ещё больше нагревалось.

Рис. 3. Холодильная машина

Ключевое слово здесь — «самопроизвольно». Если использовать внешний источник энергии, то осуществить процесс передачи тепла от холодного тела к горячему оказывается вполне возможным. Это и делают холодильные
машины.

По сравнению с тепловым двигателем процессы в холодильной машине имеют противоположное направление (рис. 3).

Рабочее тело холодильной машины называют также хладагентом. Мы для простоты будем считать его газом, который поглощает теплоту при расширении и отдаёт при сжатии (в реальных холодильных установках хладагент — это летучий раствор с низкой температурой кипения, который забирает теплоту в процессе испарения и отдаёт при конденсации).

Холодильник в холодильной машине — это тело, от которого отводится теплота. Холодильник передаёт рабочему телу (газу) количество теплоты , в результате чего газ расширяется.

В ходе сжатия газ отдаёт теплоту более нагретому телу — нагревателю. Чтобы такая теплопередача осуществлялась, надо сжимать газ при более высоких температурах, чем были при расширении. Это возможно лишь за счёт работы , совершаемой внешним источником (например, электродвигателем (в реальных холодильных агрегатах электродвигатель создаёт в испарителе низкое давление, в результате чего хладагент вскипает и забирает тепло; наоборот, в конденсаторе электродвигатель создаёт высокое давление, под которым хладагент конденсируется и отдаёт тепло)). Поэтому количество теплоты, передаваемое нагревателю, оказывается больше количества теплоты, забираемого от холодильника, как раз на величину :

Таким образом, на -диаграмме рабочий цикл холодильной машины идёт против часовой стрелки. Площадь цикла — это работа , совершаемая внешним источником (рис. 4).

Рис. 4. Цикл холодильной машины

Основное назначение холодильной машины — охлаждение некоторого резервуара (например, морозильной камеры). В таком случае данный резервуар играет роль холодильника, а нагревателем служит окружающая среда — в неё рассеивается отводимое от резервуара тепло.

Показателем эффективности работы холодильной машины является холодильный коэффициент, равный отношению отведённого от холодильника тепла к работе внешнего источника:

Холодильный коэффициент может быть и больше единицы. В реальных холодильниках он принимает значения приблизительно от 1 до 3.

Имеется ещё одно интересное применение: холодильная машина может работать как тепловой насос. Тогда её назначение — нагревание некоторого резервуара (например, обогрев помещения) за счёт тепла, отводимого от окружающей среды. В данном случае этот резервуар будет нагревателем, а окружающая среда — холодильником.

Показателем эффективности работы теплового насоса служит отопительный коэффициент, равный отношению количества теплоты, переданного обогреваемому резервуару, к работе внешнего источника:

Значения отопительного коэффициента реальных тепловых насосов находятся обычно в диапазоне от 3 до 5.

Тепловая машина Карно

Важными характеристиками тепловой машины являются наибольшее и наименьшее значения температуры рабочего тела в ходе цикла. Эти значения называются соответственно температурой нагревателя и температурой холодильника.

Мы видели, что КПД теплового двигателя строго меньше единицы. Возникает естественный вопрос: каков наибольший возможный КПД теплового двигателя с фиксированными значениями температуры нагревателя и температуры холодильника ?

Пусть, например, максимальная температура рабочего тела двигателя равна , а минимальная — . Каков теоретический предел КПД такого двигателя?

Ответ на поставленный вопрос дал французский физик и инженер Сади Карно в 1824 году.

Он придумал и исследовал замечательную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Эта машина работает по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

Рассмотрим прямой цикл машины Карно, идущий по часовой стрелке (рис. 5). В этом случае машина функционирует как тепловой двигатель.

Рис. 5. Цикл Карно

Изотерма . На участке газ приводится в тепловой контакт с нагревателем температуры и расширяется изотермически. От нагревателя поступает количество теплоты и целиком превращается в работу на этом участке: .

Адиабата . В целях последующего сжатия нужно перевести газ в зону более низких температур. Для этого газ теплоизолируется, а затем расширяется адиабатно на учатке .

При расширении газ совершает положительную работу , и за счёт этого уменьшается его внутренняя энергия: .

Изотерма . Теплоизоляция снимается, газ приводится в тепловой контакт с холодильником температуры . Происходит изотермическое сжатие. Газ отдаёт холодильнику количество теплоты и совершает отрицательную работу .

Адиабата . Этот участок необходим для возврата газа в исходное состояние. В ходе адиабатного сжатия газ совершает отрицательную работу , а изменение внутренней энергии положительно: . Газ нагревается до исходной температуры .

Карно нашёл КПД этого цикла (вычисления, к сожалению, выходят за рамки школьной программы):

(3)

Кроме того, он доказал, что КПД цикла Карно является максимально возможным для всех тепловых двигателей с температурой нагревателя и температурой холодильника .

Так, в приведённом выше примере имеем:

В чём смысл использования именно изотерм и адиабат, а не каких-то других процессов?

Оказывается, изотермические и адиабатные процессы делают машину Карно обратимой. Её можно запустить по обратному циклу (против часовой стрелки) между теми же нагревателем и холодильником, не привлекая другие устройства. В таком случае машина Карно будет функционировать как холодильная машина.

Возможность запуска машины Карно в обоих направлениях играет очень большую роль в термодинамике. Например, данный факт служит звеном доказательства максимальности КПД цикла Карно. Мы ещё вернёмся к этому в следующей статье, посвящённой второму закону термодинамики.

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Тепловые двигатели наносят серьёзный ущерб окружающей среде. Их повсеместное использование приводит к целому ряду негативных эффектов.

• Рассеяние в атмосферу огромного количества тепловой энергии приводит к повышению температуры на планете. Потепление климата грозит обернуться таянием ледников и катастрофическими бедствиями.
• К потеплению климата ведёт также накопление в атмосфере углекислого газа, который замедляет уход теплового излучения Земли в космос (парниковый эффект).
• Из-за высокой концентрации продуктов сгорания топлива ухудшается экологическая ситуация.

Это — проблемы в масштабе всей цивилизации. Для борьбы с вредными последствиями работы тепловых двигателей следует повышать их КПД, снижать выбросы токсичных веществ, разрабатывать новые виды топлива и экономно расходовать энергию.

StudyPort.

Ru — Принципы работы тепловой машины. Принципы работы тепловой машины.
Виды реактивных двигателей.
Содержание.
Введение. *
Тепловая машина. *
Циклическая тепловая машина. Принцип работы. *
Прямоточный воздушно — реактивный двигатель. *
Турбореактивный двигатель *
Реактивный двигатель. *
Открытие пути в космос К.Э Циолковским. *
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА: *
Введение.
Выполнить расчёты результата взаимодействия двух или нескольких тел, когда значения действующих сил неизвестны, во многих случаях позволяет использование закона сохранения импульса.
Тепловая машина.
Устройство, преобразующее энергию теплового движения в механическую энергию, называется тепловой машиной. Различают циклические и нециклические тепловые машины.
Циклическая тепловая машина. Принцип работы.
Представим принцип действия машин циклических машин. Реальная тепловая циклическая машины состоит из печки (нагревателя), холодильника и рабочего тела.
Для теоретического объяснения работы тепловых машин необходимо знание второго закона термодинамики в следующем виде: невозможно создать циклически работающий тепловой двигатель, единственным результатом действия которого получения от источника количества теплоты и превращение его полностью в механическую энергию.
Определим принцип работы циклической тепловой машины. Рабочее тело, в результате контакта с негревателем, получает от него вследствие обмена теплом некоторой количество теплоты, равное Q1, нагреваясь до некоторой температуры T1. После завершения контакта с нагревателем, рабочее тело переходит в контакт с холодильником.
При таком переходе рабочее тело совершает механическую работу A. В контакте с холодильником, рабочее тело отдаёт ему некоторое количество теплоты Q2 — охлаждается.
Затем рабочее тело снова переходит в контакт с печкой — процесс повторяется.
Открытие пути в космос
К. Э Циолковским.
Впервые научное доказательство возможности использования ракеты для полётов в космическое пространство, за пределы земной атмосферы и к другим планетам Солнечной системы было дано русским учёным и изобретателем Константином Эдуардовичем Циолковским. Ракетой Цоилковский назвал аппарат с реактивным двигателем, использующим находящиеся на нём горючее и окислитель. Реактивным двигателем называют двигатель, способный преобразовать химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, и приобрести при этом скорость в обратном направлении
Прямоточный воздушно — реактивный двигатель.
Рассмотрим прямоточный воздушно-реактивный двигатель, имеющий наиболее простую схему работы.
Воздухозаборник — это передний край трубки, всасывающий в себя воздух. Средняя часть — камера сгорания, в которой горит воздушно-топливная смесь. Отработанные газы выходят из сопла — задней части трубки.
Температура при сгорании воздушно — топливной смеси повышается, возрастает скорость движения двигателя, а раскалённые газы, создавая реактивную тягу, с силой выбрасываются через сопло.
Если на входе имеется скоростной поток воздуха, прямоточный воздушно — реактивный двигатель также может работать. Однако самолёт с таким двигателем самостоятельно стартовать не сможет — его придётся предварительно разгонять, например, при помощи воздушного винта. Но таким пропеллером можно разогнать и поток воздуха на входе двигателя.
В результате решения этой задачи появился турбореактивный двигатель.
Турбореактивный двигатель
Перед началом работы турбореактивного двигателя к компрессору необходимо присоединить, так называемый, стартёр, чтобы компрессор создал первоначальный напор воздуха на входе. Затем уже начнет работать сам реактивный двигатель.
На пути раскалённых газов инженеры — проектировщики поставили газовую турбину и единым валом соединили её с компрессором.
Турбину вращает выходящий переработанный газ, а соединённый с ней компрессор нагнетает воздушный поток в камеру сгорания, топливно-воздушная смесь горит, горячие газы вытекают из сопла — цикл повторяется.
Путём дополнительного сгорания топлива в форсажной камере, расположенной между турбиной и реактивным соплом можно увеличивать тягу турбореактивного двигателя.
Использование мощного и компактного турбореактивного двигателя в самолётах позволило очень скоро превысить их скорости скорость звука.
Но такие двигатели оказались не всегда выгодными экономически.
Использование турбовинтовых двигателей для огромных транспортных самолётов, которые летают со скоростями 650-700 км/ч и поднимают в воздух одновременно десятки тонн груза, оказалось более эффективным.
Чтобы турбина вращала и обычный воздушный винт, необходимо удлинить вал, соединяющий её с компрессором, добавить редуктор, снижающий частоту вращения винта, иначе воздушный поток станет срываться с лопастей, а пропеллер в основном будет вращаться вхолостую.
Реактивный двигатель.
Теперь рассмотрим принцип работы реактивных двигателей.
Газы, нагретые до высокой температуры, при сгорании топлива, выбрасываются из сопла ракеты со скоростью v и взаимодействуют с ракетой.
До начала работы двигателей импульс ракеты и горючего был равен нулю, следовательно, и после включения двигателей сумма векторов импульса ракеты и импульса истекающих газов равна нулю, так как по закону сохранения импульса, сумма векторов импульсов взаимодействующих тел остаётся постоянной при отсутствии внешних сил. Можно записать следующее верное соотношение.
MV + MV = 0,
Где:
М – масса ракеты;
V – скорость ракеты;
m – масса выброшенных газов;
v – скорость истечения газов.
Получили равенство:
MV = -mv.
Для модуля скорости движения ракеты V верно соотношение:
V=(m/M) v.
(Формула модуля скорости движения ракеты применима при условии небольшого изменения массы M ракеты в результате работы её двигателей.)
Главная особенность реактивного двигателя заключается в следующем. Так как она движется в результате взаимодействия с газами, образующимися при сгорании топлива, для движения её не нужны ни вода, ни земля, ни воздух- ракета может двигаться в безвоздушном пространстве.
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА:
1) «Энциклопедический Словарь Юного Техника». Зубков.Б.В, Чумаков.С.В.
2) «Тепловые Явления В Технике». Билимович.Б.Ф.
3) «Физика».Кабардин.О.Ф.
4) «Физика».Евфремов.А.П.,Кутузов.Ю.А.
Принцип работы тепловой машины
Принцип работы тепловой машины. КПД системы
Тепловой машиной называется такое устройство, которое преобразует теплоту в работу.
Любая тепловая машина состоит из трех частей: теплоотдатчика, рабочего тела и теплоприемника. Теплоотдатчик имеет температуру Т1 и отдает некоторое количество теплоты Q1 рабочему телу. Рабочее тело (газ, пар, нагретая жидкость) совершает работу. Причем, не вся теплота Q1 превращается в работу, а только некоторая ее часть.
Другая часть теплоты Q2 передается телу с более низкой температурой (Т2) – теплоприемнику. Таким образом, сущность работы тепловой машины заключается не только в получении теплоты Q1 от теплоотдатчика и совершении работы А, но и передаче некоторого количества теплоты Q2 теплоприемнику, температура которого ниже чем температура теплоотдатчика (Т1 > Т2). Вечный двигатель второго рода состоит из первых двух частей, то есть, теплота Q1 полностью переходит в работу А, а это невозможно. Там, где нет перепада температур (Т1 = Т2), невозможно превратить теплоту в работу.
Виды тепловых двигателей
К преимуществам тепловых насосов в первую очередь следует отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВт·ч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2-0,35 кВт·ч электроэнергии. Так как преобразование тепловой энергии в электрическую на крупных электростанциях происходит с кпд до 50 %, эффективность использования топлива при применении тепловых насосов повышается — тригенерация. Упрощаются требования к системам вентиляции помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.
Ещё одним преимуществом тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фэн-койлы или системы «холодный потолок».
Тепловой насос надёжен, его работой управляет автоматика. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют особых навыков и описаны в инструкции.
Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен.
К недостаткам геотермальных тепловых насосов, используемых для отопления, следует отнести большую стоимость установленного оборудования, необходимость сложного и дорогого монтажа внешних подземных или подводных теплообменных контуров. Недостатком воздушных тепловых насосов является более низкий коэффициент преобразования тепла, связанный с низкой температурой кипения хладагента во внешнем «воздушном» испарителе. Общим недостатком тепловых насосов является сравнительно низкая температура нагреваемой воды, в большинстве не более +50 °С ÷ +60 °С, причём, чем выше температура нагреваемой воды, тем меньше эффективность и надёжность теплового насоса.
Тепловые энергоустановки что это такое
На сегодняшний день энергетические станции используются для различных целей.
К примеру, специальные энергоустановки, которые работают при помощи тепловой энергии – не самые применяемые в этой сфере, однако они обладают большим количеством преимуществ эксплуатации.
Подобное оборудование генерирует, передаёт и преобразовывает электроэнергию, донося её к потребителю.
Несмотря на такой функционал, оборудование требует тщательной диагностики и обслуживания. Это предусматривает стандартные методы технической безопасности, организации управления и серьёзные ремонтные работы.
Общее представление об оборудовании
Конструкция энергоустановки представлена совокупностью систем и узловых агрегатов, работающих на добычу электроэнергии посредством переработки тепловой энергии в механическую.
Основной механизм на подобных станциях – валовой электрический генератор. Помимо подвижного вала в конструкцию включается камера сгорания, из которой в итоге выделяется тепло.
Немаловажным замечанием будет то, что данный способ подразумевает выброс газообразных веществ и пара.
Зачастую это касается станций, которые питаются посредством гидрологических комплексов. В таких коммуникациях повышается паровое давление, после чего пар двигает ротор турбины энергоустановки.
Таким образом, вся энергия поступает на вал двигателя и генерирует электрический ток.
Стоит заметить, что при этом теряется не вся тепловая энергия, а может использоваться, к примеру, для отопления.
Принципы работы тепловых энергоустановок
Одним из главных рабочих моментов выступает напряжение, благодаря которому питается станция. Зачастую комплексы оснащаются энергетическим потенциалом до тысячи вольт. В основном подобные станции локально применяются для снабжения промышленных сооружений.
Ко второму типу принадлежат комплексы, потенциал которых свыше тысячи вольт и используются для обеспечения энергией отдельно взятых районов, а иногда и городов. Их задачей является преобразовывать и распределять энергию.
Немаловажным фактором служит мощность, которая колеблется от трёх до шести ГВт. Эти цифры зависят от вида применяемого топлива для сжигания в камере сгорания. Сегодня разрешено применять дизельное топливо, мазут, твёрдое топливо и газ.
Тепловые двигатели внешнего сгорания
Двигатель Стирлинга — это тепловой аппарат, в котором газообразное или жидкое рабочее тело совершает движения в замкнутом пространстве. Это устройство основано на периодическом охлаждении и нагреве рабочего тела. При этом извлекается энергия, которая возникает при изменении объема рабочего тела. Двигатель Стирлинга может работать от любого источника тепла.

Паровые машины. Главный их плюс — это простота и отличные тяговые качества, на которые не влияет скорость работы. При этом можно обходиться без редуктора. Этим паровая машина отличается в лучшую сторону от двигателя внутреннего сгорания, выдающего на малых оборотах недостаточное количество мощности. По этой причине паровую машину удобно использовать в качестве тягового двигателя. Недостатки: низкий КПД, невысокая скорость, постоянный расход воды и топлива, большой вес. Раньше паровые машины были единственным двигателем. Но они требовали много топлива и замерзали зимой. Затем их постепенно вытеснили электродвигатели, ДВС, паровые турбины и газовые, которые обладают компактностью, более высоким КПД, универсальностью и эффективностью.

Виды тепловых двигателей
Тепловые машины реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой. Таким образом машины-устройства которые служат для преобразования одного вида энергии в другой. Преобразуют внутреннюю энергию в механическую. Внутренняя энергия тепловых машин образуется за счет энергии топлива
Парова́я маши́на -тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина двигатель внешнего сгорания, который преобразо-вывает энергию пара в механическую работу.
Двигатель внутреннего сгорания-это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. Несмотря на то, что ДВС являются относительно несовершенным типом тепловых машин, он очень широко распространен, например в транспорте. Несмотря на то, что ДВС являются относительно несовершенным типом тепловых машин, он очень широко распространен, например в транспорте.
Газовая турбина это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и нагр-етого газа преобразуется в механическую работу на валу. Состоит из копрессора, соединённого напрямую с турбиной, и камерой сгорания между ними.
Паровая турбина — это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого потенциальная энергия сжатого и нагретого водяного пара преобразуется в кинетическую, которая в свою очередь совершает механическую работу на валу.
Реактивный двигатель создает необходимую для движения силу тяги посредством преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. Рабочее тело с большой скоростью истекает из двигателя, и в соответствии с законом сохранения импульса образуется реактивная сила,толкающая двигатель в противоположном направлении.
Разнообразие видов тепловых машин указывает лишь на различие в конструкции и принципах преобразования энергии. Общим для всех тепловых машин является то, что они изначально у величивают свою внутреннюю энергию за счет сгорания топлива с последующим преобразованием внутренней энергии в механическую
Определение теплового насоса
Тепловой насос является одним из термотрансформаторних устройств, обеспечивающих подачу тепла от одних тел к другим, которые имеют различные температуры. Термотрансформаторы могут быть повышающими, если предназначены для передачи теплоты к телам с низкой температурой, и понижающими, если с их помощью передается теплота телам с высокой температурой.
Тепловой насос осуществляет передачу внутренней энергии от энергоносителя с низкой температурой к энергоносителя с более высокой температурой. Поскольку, в соответствии со вторым законом термодинамики, тепловая энергия без какого-либо внешнего воздействия может переходить только с высокого температурного уровня на низкий, для осуществления теплонасосного цикла необходимо использовать приводную энергию. Поэтому процесс передачи энергии в направлении, противоположном естественному температурному напору, осуществляется в круговом цикле.
Основное назначение этих установок — использование теплоты низкопотенциального источника, например окружающей среды.
Основное применение в настоящее время находят три типа теплонасосных установок:
• компрессионные для теплоснабжения отдельных домов, а также для теплоснабжения отдельных промышленных цехов или установок;
• абсорбционные для теплоснабжения зданий и промышленных цехов;
• термоэлектрические для теплоснабжения отдельных помещений или небольших домов.
Источники:
Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.
Принцип действия тепловой машины. Тепловая машина с наибольшим коэффициентом полезного действия
Тема: «Принцип действия тепловой машины. Тепловая машина с наибольшим коэффициентом полезного действия».
Форма: Комбинированный урок с использованием компьютерных технологий.
Цели:
Показать важность применения тепловой машины в жизни человека.

Изучить принцип работы реальных тепловых двигателей и идеального двигателя работающего по циклу Карно.

Рассмотреть возможные пути повышения КПД реального двигателя.

Развить у учащихся любознательность, интерес к техническому творчеству, уважение к научным достижениям ученых и инженеров.

План урока.

№ п/п

Вопросы

Время
(минут)

1 Показать необходимость применения тепловых машин в современных условиях.
2

2 Повторение понятия «тепловой машины». Виды тепловых машин: ДВС (карбюраторный, дизельный), паровая и газовая турбины, турбореактивный и ракетный двигатели.
7

3 Объяснение нового теоретического материала.
Схема и устройство тепловой машины, принцип работы, КПД.
Цикл Карно, идеальная тепловая машина, её КПД.
Сравнение КПД реальной и идеальной тепловой машины.
15

4 Решение задачи № 703 (Степанова), № 525 (Бендриков).
8

5 Выполнение компьютерного теста по теме.
Работа с моделью тепловой машины.
8

6 Подведение итогов. Домашнее задание § 33, задачи № 700 и № 697 (Степанова)
5

Теоретический материал
С давних времён человек хотел освободиться от физических усилий или облегчить их при перемещении чего-либо, располагать большей силой, быстротой.
Создавались сказания о коврах самолётах, семимильных сапогах и волшебниках, переносящих человека за тридевять земель мановением жезла. Таская тяжести, люди изобрели тележки, ведь катить легче. Потом они приспособили животных – волов, оленей, собак, больше всего лошадей. Так появились повозки, экипажи. В экипажах люди стремились к комфорту, всё более совершенствуя их.
Стремление людей увеличить скорость ускоряло и смену событий в истории развития транспорта. Из греческого «аутос» – «сам» и латинского «мобилис» – «подвижный» в европейских языках сложилось прилагательное «самодвижущийся», буквально «авто – мобильный».
Оно относилось к часам, куклам-автоматам, ко всяким механизмам, в общем, ко всему, что служило как бы дополнением «продолжением», «усовершенствованием» человека. В ХVIII веке попробовали заменить живую силу силой пара и применяли к безрельсовым повозкам термин «автомобиль».
Почему же счёт возраста автомобиля ведут от первых «бензиномобилей» с двигателем внутреннего сгорания, изобретённых и построенных в 1885-1886 годах? Как бы забыв о паровых и аккумуляторных (электрических) экипажах. Дело в том, что ДВС произвёл подлинный переворот в транспортной технике. В течение длительного времени он оказался наиболее отвечающим идее автомобиля и потому надолго сохранил своё главенствующее положение. Доля автомобилей с ДВС составляет на сегодня более 99,9% мирового автомобильного транспорта. <Приложение 1>
Основные части теплового двигателя
В современной технике механическую энергию получают главным образом за счет внутренней энергии топлива. Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии в механическую, называют тепловыми двигателями. <Приложение 2>
Для совершения работы за счет сжигания топлива в устройстве, называемом нагревателем, можно воспользоваться цилиндром, в котором нагревается и расширяется газ и перемещает поршень. <Приложение 3> Газ, расширение которого вызывает перемещение поршня, называют рабочим телом. Расширяется же газ потому, что его давление выше внешнего давления. Но при расширении газа его давление падает, и рано или поздно оно станет равным внешнему давлению. Тогда расширение газа закончится, и он перестанет совершать работу.
Как же следует поступить, чтобы работа теплового двигателя не прекращалась? Для того чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо, чтобы поршень после расширения газа возвращался каждый раз в исходное положение, сжимая газ до первоначального состояния. Сжатие же газа может происходить только под действием внешней силы, которая при этом совершает работу (сила давления газа в этом случае совершает отрицательную работу). После этого вновь могут происходить процессы расширения и сжатия газа. Значит, работа теплового двигателя должна состоять из периодически повторяющихся процессов (циклов) расширения и сжатия.
Рисунок 1
На Рисунке 1 изображены графически процессы расширения газа (линия АВ) и сжатия до первоначального объема (линия CD). Работа газа в процессе расширения положительна (AF > 0) и численно равна площади фигуры ABEF. Работа газа при сжатии отрицательна (так как AF < 0) и численно равна площади фигуры CDEF. Полезная работа за этот цикл численно равна разности площадей под кривыми АВ и CD (закрашена на рисунке).
Наличие нагревателя, рабочего тела и холодильника принципиально необходимое условие для непрерывной циклической работы любого теплового двигателя.
Коэффициент полезного действия тепловой машины
Рабочее тело, получая некоторое количество теплоты Q₁от нагревателя, часть этого количества теплоты, по модулю равную |Q2|,отдает холодильнику. Поэтому совершаемая работа не может быть больше A = Q₁ — |Q₂|. Отношение этой работы к количеству теплоты, полученному расширяющимся газом от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия тепловой машины:
Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по замкнутому циклу, всегда меньше единицы. Задача теплоэнергетики состоит в том, чтобы сделать КПД как можно более высоким, т. е. использовать для получения работы как можно большую часть теплоты, полученной от нагревателя. Как этого можно достигнуть?
Впервые наиболее совершенный циклический процесс, состоящий из изотерм и адиабат, был предложен французским физиком и инженером С. Карно в 1824 г.
Цикл Карно.
Допустим, что газ находится в цилиндре, стенки и поршень которого сделаны из теплоизоляционного материала, а дно — из материала с высокой теплопроводностью. Объем, занимаемый газом, равен V₁.
Рисунок 2
Приведем цилиндр в контакт с нагревателем (Рисунок 2) и предоставим газу возможность изотермически расширяться и совершать работу. Газ получает при этом от нагревателя некоторое количество теплоты Q₁. Этот процесс графически изображается изотермой (кривая АВ).
Рисунок 3
Когда объем газа становится равным некоторому значению V₁’< V₂, дно цилиндра изолируют от нагревателя, после этого газ расширяется адиабатно до объема V₂, соответствующего максимально возможному ходу поршня в цилиндре (адиабата ВС). При этом газ охлаждается до температуры T₂ < T₁.
Теперь охлажденный газ можно изотермически сжимать при температуре Т2. Для этого его нужно привести в контакт с телом, имеющим ту же температуру Т₂, т. е. с холодильником, и сжать газ внешней силой. Однако в этом процессе газ не вернется в первоначальное состояние — температура его будет все время ниже чем Т₁.
Поэтому изотермическое сжатие доводят до некоторого промежуточного объема V₂’>V₁(изотерма CD). При этом газ отдает холодильнику некоторое количество теплоты Q₂, равное совершаемой над ним работе сжатия. После этого газ сжимается адиабатно до объема V₁, при этом его температура повышается до Т₁(адиабата DA). Теперь газ вернулся в первоначальное состояние, при котором объем его равен V₁, температура — T₁, давление — p₁,и цикл можно повторить вновь.
Итак, на участке ABC газ совершает работу (А > 0), а на участке CDA работа совершается над газом (А < 0). На участках ВС и AD работа совершается только за счет изменения внутренней энергии газа. Поскольку изменение внутренней энергии UBC = –UDA, то и работы при адиабатных процессах равны: АВС = –АDA. Следовательно, полная работа, совершаемая за цикл, определяется разностью работ, совершаемых при изотермических процессах (участки АВ и CD). Численно эта работа равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла ABCD.
В полезную работу фактически преобразуется только часть количества теплоты QT, полученной от нагревателя, равная QT₁– |QT₂|. Итак, в цикле Карно полезная работа A = QT₁ – |QT₂|.
Максимальный коэффициент полезного действия идеального цикла, как показал С. Карно, может быть выражен через температуру нагревателя (Т₁) и холодильника (Т₂):
В реальных двигателях не удается осуществить цикл, состоящий из идеальных изотермических и адиабатных процессов. Поэтому КПД цикла, осуществляемого в реальных двигателях, всегда меньше, чем КПД цикла Карно (при одних и тех же температурах нагревателей и холодильников):
Из формулы видно, что КПД двигателей тем больше, чем выше температура нагревателя и чем ниже температура холодильника.
Задача № 703
Двигатель работает по циклу Карно. Как изменится КПД теплового двигателя, если при постоянной температуре холодильника 17^оС температуру нагревателя повысить со 127 до 447^оС?
Задача № 525
Определите КПД двигателя трактора, которому для выполнения работы 1,9 · 107Дж потребовалось 1,5 кг топлива с удельной теплотой сгорания 4,2 · 107Дж/кг.
Выполнение компьютерного теста по теме. <Приложение 4> Работа с моделью тепловой машины.
Принцип работы тепловой машины. КПД системы. Необходимые условия работы тепловых машин
Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию сгоревшего топлива в механическую энергию. Виды тепловых двигателей : 1) двигатели внутреннего сгорания: а) дизельные, б) карбюраторные; 2) паровые двигатели; 3) турбины: а) газовые, б) паровые.
Все названые тепловые двигатели имеют разную конструкцию, но состоят из трех основных частей : нагревателя, рабочего тела и холодильника. Нагреватель обеспечивает поступление теплоты в двигатель. Рабочее тело превращает часть полученной теплоты в механическую работу. Холодильник забирает от рабочего тела часть теплоты.
T 1 – температура нагревателя;
T 2 –температура холодильника;
Q 1 – теплота, полученная
от нагревателя;
Q 2 – теплота, отданная
холодильнику;
A» – работа, выполненная
двигателем.
Работа любого теплового двигателя состоит из повторяющихся циклических процессов – циклов. Цикл – это такая последовательность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в начальное состояние.
Коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины – это отношение совершенной двигателем работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя: .
Французский инженер Сади Карно рассмотрел идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Он нашел оптимальный идеальный цикл теплового двигателя, состоящий из двух изотермических и двух адиабатических обратимых процессов – цикл Карно . КПД такой тепловой машины с нагревателем при температуре и холодильником при температуре : . Независимо от конструкции, выбора рабочего тела и типа процессов в тепловом двигателе его КПД не может быть больше КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, и имеющего те же, что и у данного теплового двигателя, температуру нагревателя и холодильника.
КПД тепловых двигателей невысок, поэтому важнейшей технической задачей является его повышение. Тепловые двигатели имеют два существенных недостатка. Во-первых, в большинстве тепловых двигателей используется органическое топливо, добыча которого быстро истощает ресурсы планеты. Во-вторых, в результате сгорания топлива в окружающую среду выбрасывается огромное количество вредных веществ, что создает значительные экологические проблемы.
С изучением вопроса о максимальном КПД тепловых машин связано открытие в 1850 г. немецким физиком Р. Клазиусом второго начала термодинамики : невозможен такой процесс, при котором теплота самопроизвольно переходила бы от более холодных тел к более горячим телам.
Физические величины и их единицы измерения:
Наименование величина Обозначение Единица измерения Формула
Относительная молекулярная масса M r (эм эр) безразмерная величина
Масса одной молекулы (атома) m 0 кг
Масса m кг
Молярная масса M
Количество вещества ν (ню) моль (моль) ;
Число частиц N (эн) безразмерная величина
Давление p (пэ) Па (паскаль)
Концентрация n (эн)
Объём V (вэ)
Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы Дж (джоуль)
Температура по шкале Цельсия t °C
Температура по шкале Кельвина T К (кельвин)
Средняя квадратичная скорость молекул
Поверхностное натяжение σ (сигма)
Абсолютная влажность ρ (ро)
Относительная влажность φ (фи) %
Внутренняя энергия U (у) Дж (джоуль)
Работа А (а) Дж (джоуль)
Количество теплоты Q (ку) Дж (джоуль)
На производстве привело к появлению тепловых машин.
Устройство тепловых машин
Тепловая машина (тепловой двигатель) — устройство для преобразования внутренней энергии в механическую.
Любая тепловая машина имеет нагреватель, рабочее тело (газ или пар), которое в результате нагрева выполняет работу (приводит во вращение вал турбины, двигает поршень и так далее) и холодильник. На рисунке ниже изображена схема теплового двигателя.
Основы действия тепловых двигателей
Каждая тепловая машина функционирует благодаря двигателю. Для выполнения работы ему нужно, чтобы по ту и другую сторону поршня двигателя или лопастей турбины была разность давлений. Достигается эта разность во всех тепловых двигателях так: температура рабочего тела повышается на сотни или тысячи градусов в сравнении с температурой окружающей среды. В и в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) происходит повышение температуры за счет того, что топливо сгорает внутри самого двигателя. Холодильником может выступать атмосфера или специального назначения устройства для конденсации и охлаждения отработанного пара.
Цикл Карно
Цикл (круговой процесс) — совокупность изменений состояния газа, в результате которых он возвращается в исходное состояние (может выполнять работу). В 1824 году французский физик Сади Карно показал, что выгодным является цикл тепловой машины (цикл Карно), который состоит из двух процессов — изотермического и адиабатного. На рисунке ниже изображен график цикла Карно: 1-2 и 3-4 — изотермы, 2-3 и 4-1 — адиабаты.
В соответствии с законом сохранения энергии работа тепловых машин, которую выполняет двигатель, равна:
А = Q 1 — Q 2 ,
где Q 1 — количество теплоты, которое получено от нагревателя, а Q 2 — количество теплоты, которое предано холодильнику.
КПД тепловой машины называется отношение работы А, которую выполняет двигатель, к количеству теплоты, которое получено от нагревателя:
η = А/Q =(Q 1 — Q 2)/Q 1 = 1 — Q 2 /Q 1 .
В работе «Мысли о движущей силе огня и о машинах, которые способны развивать эту силу» (1824) Карно описал тепловую машину под названием «идеальная тепловая машина с идеальным газом, который представляет собой рабочее тело». Благодаря законам термодинамики можно вычислить КПД (максимально возможный) теплового двигателя с нагревателем, который имеет температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 . Тепловая машина Карно имеет КПД:
η max = (T 1 — T 2)/T 1 = 1 — T 2 /T 1.
Сади Карно доказал, что какая угодно тепловая машина реальная, которая работает с нагревателем с температурой Т 1 и холодильником с температурой Т 2 не способна иметь КПД, который бы превышал КПД тепловой машины (идеальной).
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)
Четырехтактный ДВС состоит из одного или нескольких цилиндров, поршня, кривошипно-шатунного механизма, впускного и выпускного клапанов, свечи.

Рабочий цикл состоит из четырех тактов:
1) засасывания — горючая смесь попадает через клапан в цилиндр;
2) сжатия — оба клапана закрыты;
3) рабочий ход — взрывное сгорание горючей смеси;
4) выхлоп — выпуск отработанных газов в атмосферу.
Паровая турбина
В паровой турбине преобразование энергии происходит за счет разницы давлений водяного пара на входе и выходе.
Мощности современных паровых турбин достигают 1300 МВт.
Некоторые технические параметры паровой турбины мощностью 1200 МВт
Давление пара (свежего) — 23,5 МПа.
Температура пара — 540 °С.
Расход пара турбиной — 3600 т/ч.
Частота вращения ротора — 3000 об/мин.
Давление пара в конденсаторе — 3,6 кПа.
Длина турбины — 47,9 м.
Масса турбины — 1900 т.
Тепловая машина состоит из воздушного компрессора, камеры сгорания и Принцип работы: воздух адиабатно засасывается в компрессор, поэтому его температура повышается до 200 °С и более. Далее попадает в камеру сгорания, куда одновременно под большим давлением поступает жидкое топливо — керосин, фотоген, мазут. При сгорании топлива воздух нагревается до температуры 1500-2000 °С, расширяется, и скорость его движения растет. Воздух движется с большой скоростью, и продукты сгорания направляются в турбину. После перехода от ступени к ступени продукты сгорания отдают лопастям турбины свою кинетическую энергию. Часть энергии, полученной турбиной, идет на вращение компрессора; оставшаяся часть расходуется на вращение ротора электрогенератора, винта самолета или морского судна, колес автомобиля.
Газовую турбину можно использовать, кроме вращения колес автомобиля и или теплохода, в качестве реактивного двигателя. Воздух и продукты сгорания с большой скоростью выбрасываются из газовой турбины, поэтому реактивная тяга, которая возникает при этом процессе, может использоваться для хода воздушных (самолет) и водных (теплоход) судов, железнодорожного транспорта. Например, турбовинтовые двигатели имеют самолеты Ан-24, Ан-124 («Руслан»), Ан-225 («Мечта»). Так, «Мечта» при скорости полета 700-850 км/ч способна перевозить 250 тонн груза на расстояние почти 15 000 км. Это крупнейший транспортный самолет в мире.
Экологические проблемы тепловых машин
Большое влияние на климат имеет состояние атмосферы, в частности наличие углекислого газа и водяного пара. Так, изменение содержания углекислого газа приводит к усилению или ослаблению парникового эффекта, при котором углекислый газ частично поглощает тепло, которое Земля излучает в космос, задерживает его в атмосфере и повышает тем самым температуру поверхности и нижних слоев атмосферы. Явление парникового эффекта играет решающую роль в смягчении климата. При его отсутствии средняя температура планеты была бы не +15 °С, а ниже на 30-40 °С.
Сейчас в мире существует более 300 млн различного вида автомобилей, которые создают более половины всех загрязнений атмосферы.
За 1 год в атмосферу из тепловых электростанций в результате сжигания топлива выделяется 150 млн тонн оксидов серы, 50 млн тонн оксида азота, 50 млн тонн золы, 200 млн тонн оксида углерода, 3 млн тонн феона.
В состав атмосферы входит озон, который защищает все живое на земле от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей. В 1982 году Дж. Фарманом, английским исследователем, над Антарктидой была открыта озоновая дыра — временное снижение содержания озона в атмосфере. В момент максимального развития озоновой дыры 7 октября 1987 количество озона в ней уменьшилось в 2 раза. Озоновая дыра, вероятно, возникла в результате антропогенных факторов, в том числе использования в промышленности хлорсодержащих хладонов (фреонов), которые разрушают озоновый слой. Однако исследования 1990 гг. не подтвердили эту точку зрения. Скорее всего, появление озоновой дыры не связано с деятельностью человека и является естественным процессом. В 1992 году и над Арктикой была открыта озоновая дыра.
Если весь атмосферный озон собрать в слой у поверхности Земли и сгустить его к плотности воздуха при нормальном атмосферном давлении и температуре 0 °С, то толщина озонового щита будет всего лишь 2-3 мм! Вот и весь щит.
Немного из истории…
Июль 1769 года. В парижском парке Медоне военный инженер Н. Ж. Кюньйо на «огненной телеге», которая была оснащена двухцилиндровым паровым двигателем, проехал несколько десятков метров.
1885 год. немецкий инженер, построил первый бензиновый четырехтактный трехколесный автомобиль Motorwagen мощностью 0,66 кВт, на который 29 января 1886 года получил патент. Скорость машины достигала 15-18 км/ч.
1891 год. немецкий изобретатель, изготовил грузовую тележку с двигателем мощностью 2,9 кВт (4 лошадиные силы) от легкового автомобиля. автомобиля достигала 10 км/ч, грузоподъемность в различных моделях составляла от 2 до 5 тонн.
1899 год. Бельгиец К. Женатци на своем автомобиле «Жаме Контант» («Всегда недовольная») впервые преодолел 100-километровый рубеж скорости.
Примеры решения задач
Задача 1. Температуру нагревателя идеальная тепловая машина имеет равную 2000 К, а температуру холодильника — 100 °С. Определить КПД.
Решение :
Формула, которая определяет КПД тепловой машины (максимальный):
ŋ = Т 1 -Т 2 /Т 1.
ŋ = (2000К — 373К) / 2000 К = 0,81.
Ответ: КПД двигателя — 81 %.
Задача 2. В тепловом двигателе при сгорании топлива было получено 200 кДж теплоты, а холодильнику передано 120 кДж теплоты. Каков КПД двигателя?
Решение:
Формула для определения КПД имеет такой вид:
ŋ = Q1 — Q2 / Q1.
ŋ = (2·10 5 Дж — 1,2·10 5 Дж) / 2·10 5 Дж = 0,4.
Ответ: КПД теплового двигателя — 40 %.
Задача 3. Каков КПД тепловой машины, если рабочее тело после получения от нагревателя количества теплоты 1,6 МДж выполнило работу 400 кДж? Какое количество теплоты было передано холодильнику?
Решение:
КПД можно определить по формуле
ŋ = 0,4·10 6 Дж / 1,6·10 6 Дж = 0,25.
Переданное холодильнику количество теплоты можно определить по формуле
Q 1 — А = Q 2.
Q 2 = 1,6·10 6 Дж — 0,4·10 6 Дж = 1,2·10 6 Дж.
Ответ: тепловая машина имеет КПД 25 %; переданное холодильнику количество теплоты — 1,2·10 6 Дж.
Тепловая машина превращает тепло в работу, иначе говоря, за бирает тепло от одних тел и передает его другим телам в форме механической работы. Для того чтобы осуществить это превращение, надо располагать двумя различно нагретыми телами, между которыми возможен теплообмен. Для краткости будем называть более горячее тело нагревателем, а более холодное — холодильником. При наличии таких двух тел процесс превращения тепла в работу рисуется следующим образом: способное расшириться тело (рабочее тело) приводится в контакт с нагревателем. Тепло отбирается от нагревателя и затрачивается на работу расширения которая отдается окружающим телам. Далее, рабочее тело приводится в контакт с холодильником, которому оно отдает тепло
за счет работы совершаемой внешними силами над рабочим телом.
Чтобы получить непрерывно действующую тепловую машину, необходимо закончить такт сжатия в той точке, в которой начался такт расширения; короче, процесс должен быть циклическим. Рабочее тело по проведении каждого цикла возвращается в исходное состояние. Закон сохранения энергии требует поэтому, чтобы энергия, полученная от окружающих тел, равнялась энергии, переданной окружающим телам. От среды получено: тепло при расширении и работа А 2 при сжатии рабочего тела. Среде отдано: работа А! при расширении тела и тепло при сжатии. Следовательно, или При проведении цикла по часовой стрелке работа сжатия меньше работы расширения. Поэтому последнее равенство выражает тот простой факт, что чистая работа, переданная рабочим телом внешней среде, равна разности теплот, полученной от нагревателя и отданной холодильнику. Соответственно коэффициент полезного действия цикла, а значит, и всей машины, будет равен
Описанный процесс действия тепловой машины является, разумеется, абстрактной схемой. Однако наиболее существенные черты каждого теплового двигателя передаются этой схемой. Рабочим телом является расширяющийся и сжимающийся газ или пар, роль холодильника играет окружающая среда. Нагревателем служит паровой котел или, в двигателях внутреннего сгорания, горючая смесь.
Те же три системы являются необходимыми и для холодильной машины, в которой цикл протекает в обратную сторону. Принцип работы этой машины заключается в следующем: расширение рабочего тела производится тогда, когда оно находится в контакте с холодильником. Этим холодное тело охлаждается еще больше, что и является задачей холодильной машины. Далее, чтобы цикл стал возможным, нужно произвести сжатие рабочего тела и передать тепло, полученное от холодильника. Это выполняется при контакте рабочего тела с нагревателем. Таким образом, более горячее тело нагревается еще больше. «Противоестественный» переход тепла от тела менее нагретого к телу более нагретому «оплачивается» работой. Действительно, при совершении цикла против часовой стрелки равенство энергии, переданной среде, и энергии, отнятой от среды (т. е. или где мы по-прежнему индекс 1 относим к части процесса, протекающей при контакте с более горячим телом), имеет следующий смысл: количество тепла, отнятое от системы, должно быть скомпенсировано равным количеством механической работы.
Второе начало термодинамики накладывает некоторое условие на действие тепловой машины. Если предполагать процесс обратимым, то изменение энтропии рабочего тела после прохождения цикла должно равняться нулю. Можно сказать и иначе: изменение
энтропии в процессе расширения должно равняться (с обратным знаком) изменению энтропии при сжатии, т. е.
В случае же необратимого процесса энтропия замкнутой системы, состоящей из нагревателя, холодильника и рабочего тела, возрастет и поэтому
(Напоминаем, что есть алгебраическая величина. Тепло, поступившее в систему, считается положительным.) Подсчитывая значения этих интегралов для конкретных процессов, можно в ряде случаев довольно просто найти значение максимального коэффициента полезного действия того или иного цикла тепловой машины.
Тепловой машиной называется такое устройство, которое преобразует теплоту в работу. Первая тепловая машина была изобретена в конце XVIII века (паровая). Сейчас существуют двигатели внутреннего сгорания, дизельные и т.д.
Любая тепловая машина состоит из трех частей: теплоотдатчика, рабочего тела и теплоприемника. Теплоотдатчик имеет температуру Т 1 и отдает некоторое количество теплоты Q 1 рабочему телу. Рабочее тело (газ, пар, нагретая жидкость) совершает работу. Причем, не вся теплота Q 1 превращается в работу, а только некоторая ее часть
А = Q 1 – Q 2 (4.8)
Другая часть теплоты Q 2 передается телу с более низкой температурой (Т 2) – теплоприемнику. Таким образом, сущность работы тепловой машины заключается не только в получении теплоты Q 1 от теплоотдатчика и совершении работы А, но и передаче некоторого количества теплоты Q 2 теплоприемнику, температура которого ниже чем температура теплоотдатчика (Т 1 > Т 2). Вечный двигатель второго рода состоит из первых двух частей, то есть, теплота Q 1 полностью переходит в работу А, а это невозможно. Там, где нет перепада температур (Т 1 = Т 2), невозможно превратить теплоту в работу.
Чтобы получить математическое выражение второго начала термодинамики, рассматривают действие идеальной тепловой машины. Идеальной называют машину , которая работает без трения и потерь тепла. В ней рабочим телом является идеальный газ. Работа машины основана на принципе обратимого термодинамического цикла, называемого циклом Карно.
Цикл Карно состоит из четырех последовательно совершаемых процессов: изотермического расширения, адиабатического расширения, изотермического сжатия, адиабатического сжатия газа. Все процессы проводят обратимо, в результате чего газ возвращается в исходное положение.
В результате математических преобразований получают
(Q 1 – Q 2)/Q 1 = (Т 1 – Т 2)/Т 1 (4.9)
или h = А/Q 1 ; h = (Т 1 – Т 2)/Т 1 (4.10)
где h – коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины.
Коэффициентом полезного действия тепловой машины h называется отношение количества полученной работы А к количеству поглощенной теплоты Q 1 . На основании этого соотношения второму закону термодинамики можно дать следующую формулировку: коэффициент полезного действия тепловой машины не зависит от природы и вида тел, участвующих в процессе, а зависит только от разности температур теплообменника (Т 1) и теплоприемника (Т 2). Современные тепловые машины имеют КПД, не превышающие 33 — 35 %.
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Все темы данного раздела:
Воронеж 2011
Лекция № 1 (2ч) Введение Вопросы: 1. Предмет химии. Значение химии в изучении природы и развитии техники. 2. Осно
Основные количественные законы химии
К основным количественным законам химии относятся:закон постоянства состава, закон кратных отношений и закон эквивалентов. Эти законы были открыты в конце XIII – начале XIX веков, и
Современная модель строения атома
В основе современной теории строения атома лежат работы Дж. Томсона (который в 1897 г. открыл электрон, а в 1904 г. предложил модель строения атома, согласно которой атом – это заряженная сфера с в
Орбитальное квантовое число 0 1 2 3 4
Каждому значению l соответствует орбиталь особой формы, например s-орбиталь имеет сферическую форму, р-орбиталь – гантель. В одной и той же оболочке энергия подуровней возрастает в ряду E
Строение многоэлектронных атомов
Подобно любой системе, атомы стремятся к минимуму энергии. Это достигается при определенном состоянии электронов, т.e. при определенном распределении электронов по орбиталям. Запись
Периодические свойства элементов
Так как электронное строение элементов изменяется периодически, то, соответственно, периодически изменяются и свойства элементов, определяемые их электронным строением, такие как энергия ионизации,
Периодическая система элементов Д.И.Менделеева
В 1869 г. Д. И. Менделеев сообщил об открытии периодического закона, современная формулировка которого следующая: свойство элементов, а также формы и свойства их соединений
Общая характеристика химической связи
Учение о строении вещества объясняет причины многообразия структуры веществ в различных агрегатных состояниях. Современные физические и физико-химические методы позволяют экспериментально определят
Типы химической связи
К основным типам химической связи относят ковалентную (полярную и неполярную), ионную и металлическую связи. Ковалентной связью называют химическую связь, образованную
Типы межмолекулярных взаимодействий
Связи, при образовании которых перестройка электронных оболочек не происходит, называются взаимодействием между молекулами. К основным видам взаимодействия молекул следует о
Пространственная структура молекул
Пространственная структура молекул зависит от пространственной направленности перекрывания электронных облаков числом атомов в молекуле и числом электронных пар связей за счет непод
Общая характеристика агрегатного состояния вещества
Почти все известные вещества в зависимости от условий находятся в газообразном, жидком, твердом или плазменном состоянии. Это и называется агрегатным состоянием вещества. Аг
Газообразное состояние вещества. Законы идеальных газов. Реальные газы
Газы распространены в природе и находят широкое применение в технике. Их используют в качестве топлива, теплоносителей, сырья для химической промышленности, рабочего тела для выполнения механическо
Характеристика жидкого состояния вещества
Жидкости по своим свойствам занимают промежуточное положение между газообразными и твердыми телами. Вблизи точки кипения они проявляют сходство с газами: текучи, не имеют определенной формы, аморфн
Характеристики некоторых веществ
Вещество Вид кристалла Энергия кристаллической решетки, кДж/моль Темпер
Общие понятия термодинамики
Термодинамика – наука, изучающая превращения различных форм энергии друг в друга и устанавливающая законы этих превращений. Как самостоятельная дисциплин
Термохимия. Тепловые эффекты химических реакций
Любые химические процессы, а также ряд физических превращений веществ (испарение, конденсация, плавление, полиморфные превращения и др.) всегда сопровождаются изменением запаса внут
Закон Гесса и следствия из него
На основе многочисленных экспериментальных исследований русским академиком Г. И. Гессом был открыт основной закон термохимии (1840 г.) – закон постоянства сумм теплот реа
Свободная и связанная энергии. Энтропия системы
Известно, что любая форма энергии может полностью преобразовываться в теплоту, но теплота преобразуется в другие виды энергии лишь частично, условно запас внутренней энергии системы
Влияние температуры на направление химических реакций
DH DS DG Направление реакции DH 0 DG
Понятие о химической кинетике
Химической кинетикой называется учение о скорости химических реакций и ее зависимости от различных факторов – природы и концентрации реагирующих веществ, давления,
Факторы, влияющие на скорость химических реакций. Закон действующих масс
На скорость химических реакций оказывают влияние следующие факторы: природа и концентрации реагирующих веществ; температура, природа растворителя, присутствие катализатора и т.д.
Теория активизации молекул. Уравнение Аррениуса
Скорость любой химической реакции зависит от числа столкновений реагирующих молекул, так как число столкновения пропорционально концентрациям реагирующих веществ. Однако не все стол
Особенности каталитических реакций. Теории катализа
Скорость химической реакции можно регулировать с помощью катализатора. Вещества, которые участвуют в реакциях и изменяют (чаще всего увеличивают) ее скорость, оставаясь к концу реак
Обратимые и не обратимые реакции. Признаки химического равновесия
Все реакции можно поделить на две группы: обратимые и необратимые. Необратимые реакции сопровождаются выпадением осадка, образованием малодиссоциирующего вещества или выделением газа. Обратимые реа
Константа химического равновесия
Рассмотрим обратимую химическую реакцию общего вида, в которой все вещества находятся в одном агрегатном состоянии, например, жидком: аA + вB D сC + dD, где
Правило фаз Гиббса. Диаграмма состояния воды
Качественная характеристика гетерогенных равновесных систем, в которых не происходит химического взаимодействия, а наблюдается лишь переход составных частей системы из одного агрегатного состояния
Правило фаз для воды имеет вид
С = 1+ 2 – Ф = 3 – Ф если Ф = 1, то С = 2 (система бивариантна) Ф = 2, то С = 1 (система одновариантна) Ф = 3, то С = 0 (система безвариантна) Ф = 4, то С = -1 (
Понятие о химическом сродстве веществ. Уравнения изотермы, изобары и изохоры химических реакций
Под термином «химическое сродство» понимают способность веществ вступать в химическое взаимодействие друг с другом. У различных веществ оно зависит от природы реагирующих ве
Сольватная (гидратная) теория растворения
Растворами называются гомогенные системы, состоящие из двух или более веществ, состав которых может меняться в довольно широких пределах, допустимых раст
Общие свойства растворов
В конце XIX века Рауль, Вант-Гофф, Аррениус установили весьма важные закономерности, связывающие концентрацию раствора с давлением насыщенного пара растворителя над раствором, темпе
Типы жидких растворов. Растворимость
Способность к образованию жидких растворов выражена в различной степени у различных индивидуальных веществ. Одни вещества способны растворяться неограниченно (вода и спирт), другие – лишь в огранич
Свойства слабых электролитов
При растворении в воде или других растворителях, состоящих из полярных молекул, электролиты подвергаются диссоциации, т.е. в большей или меньшей степени распадаются на положительно и отрицательно з
Свойства сильных электролитов
Электролиты, практически полностью диссоциирующие в водных растворах, называются сильными электролитами. К сильным электролитам относятся большинство солей, которые уже в кр
При соблюдении этих условий коллоидные частицы приобретают электрический заряд и гидратную оболочку, что препятствует выпадению их в осадок
К дисперсионным методам получения коллоидных систем относятся: механические – дробление, растирание, размол и т. д.; электрический – получение золей металлов под действ
Устойчивость коллоидных растворов. Коагуляция. Пептизация
Под устойчивостью коллоидного раствора понимают постоянство основных свойств этого раствора: сохранение размеров частиц (агрегативная устойчивость
Свойства коллоидно-дисперсных систем
Все свойства коллоидно-дисперсных систем можно разделить на три основные группы: молекулярно-кинетические, оптические и электрокинетические. Рассмотрим молекулярно-кинетические
Особенности обменных процессов
Химические реакции разделяются на обменные и окислительно-восстановительные (Ox-Red). Если в реакции не происходит изменение степени окисления, то такие реакции называются обменными. Они возможны п
Особенности окислительно-восстановительных процессов
При окислительно-восстановительных реакциях происходит изменение степени окисления вещества. Реакции можно разделить на те, которые проходят в одном реакционном объеме (например, в
Общие понятия электрохимии. Проводники первого и второго рода
Электрохимия – это раздел химии, занимающийся изучением закономерностей взаимных превращений электрической и химической энергии. Электрохимические процессы можно разде
Понятие об электродном потенциале
Рассмотрим процессы, протекающие в гальванических элементов, т. е. процессы превращения химической энергии в электрическую. Гальваническим элементомназывают электрохим
Гальванический элемент Даниэля-Якоби
Рассмотрим систему, в которой два электрода находятся в растворах собственных ионов, например, гальванический элемент Даниэля-Якоби. Он состоит из двух полуэлементов: из цинковой пластины, погружен
Электродвижущая сила гальванического элемента
Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента.
Поляризация и перенапряжение
При самопроизвольных процессах устанавливается равновесный потенциал электродов. При прохождении электрического тока потенциал электродов изменяется. Изменение потенциала электрода
Электролиз. Законы Фарадея
Электролизом называют процессы, протекающие на электродах под действием электрического тока, подаваемого от внешнего источника тока через электролиты. При элект
Коррозия металлов
Коррозия – это разрушение металла в результате его физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Это процесс самопроизвольный, идущий с уменьшением энергии Гиббса сист
Методы получения полимеров
Полимеры – высокомолекулярные соединения, которые характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Молекулы полимеров, называ
Строение полимеров
Макромолекулы полимеров могут быть линейными, разветвленными и сетчатыми. Линейные полимеры – это полимеры, которые построены из длинных цепей одномерных элементов, т.
Свойства полимеров
Свойства полимеров условно можно разделить на химические и физические. И те, и другие свойства связаны с особенностями строения полимеров, способом их получения, природой вводимых в
Применение полимеров
На основе полимеров получают волокна, пленки, резины, лаки, клеи, пластмассы и композиционные материалы (композиты). Волокна получают путем продавливания растворов или
Некоторые реагенты для идентификации катионов
Реагент Формула Катион Продукт реакции Ализарин C14H6O
Инструментальные методы анализа
В последние годы все более широкое применение получают инструментальные метода анализа, обладающие многими достоинствами: быстротой, высокой чувствительностью, возможностью одновременного определен
Тема: «Принцип действия тепловой машины. Тепловая машина с наибольшим коэффициентом полезного действия».
Форма: Комбинированный урок с использованием компьютерных технологий.
Цели:
Показать важность применения тепловой машины в жизни человека.
Изучить принцип работы реальных тепловых двигателей и идеального двигателя работающего по циклу Карно.
Рассмотреть возможные пути повышения КПД реального двигателя.
Развить у учащихся любознательность, интерес к техническому творчеству, уважение к научным достижениям ученых и инженеров.
План урока.
№ п/п
Вопросы
Время
(минут)
1 Показать необходимость применения тепловых машин в современных условиях.
2 Повторение понятия «тепловой машины». Виды тепловых машин: ДВС (карбюраторный, дизельный), паровая и газовая турбины, турбореактивный и ракетный двигатели.
3 Объяснение нового теоретического материала.
Схема и устройство тепловой машины, принцип работы, КПД.
Цикл Карно, идеальная тепловая машина, её КПД.
Сравнение КПД реальной и идеальной тепловой машины.
4 Решение задачи № 703 (Степанова), № 525 (Бендриков).
5
Работа с моделью тепловой машины.
6 Подведение итогов. Домашнее задание § 33, задачи № 700 и № 697 (Степанова)
Теоретический материал
С давних времён человек хотел освободиться от физических усилий или облегчить их при перемещении чего-либо, располагать большей силой, быстротой.
Создавались сказания о коврах самолётах, семимильных сапогах и волшебниках, переносящих человека за тридевять земель мановением жезла. Таская тяжести, люди изобрели тележки, ведь катить легче. Потом они приспособили животных – волов, оленей, собак, больше всего лошадей. Так появились повозки, экипажи. В экипажах люди стремились к комфорту, всё более совершенствуя их.
Стремление людей увеличить скорость ускоряло и смену событий в истории развития транспорта. Из греческого «аутос» – «сам» и латинского «мобилис» – «подвижный» в европейских языках сложилось прилагательное «самодвижущийся», буквально «авто – мобильный».
Оно относилось к часам, куклам-автоматам, ко всяким механизмам, в общем, ко всему, что служило как бы дополнением «продолжением», «усовершенствованием» человека. В ХVIII веке попробовали заменить живую силу силой пара и применяли к безрельсовым повозкам термин «автомобиль».
Почему же счёт возраста автомобиля ведут от первых «бензиномобилей» с двигателем внутреннего сгорания, изобретённых и построенных в 1885-1886 годах? Как бы забыв о паровых и аккумуляторных (электрических) экипажах. Дело в том, что ДВС произвёл подлинный переворот в транспортной технике. В течение длительного времени он оказался наиболее отвечающим идее автомобиля и потому надолго сохранил своё главенствующее положение. Доля автомобилей с ДВС составляет на сегодня более 99,9% мирового автомобильного транспорта. Приложение 1 >
Основные части теплового двигателя
В современной технике механическую энергию получают главным образом за счет внутренней энергии топлива. Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии в механическую, называют тепловыми двигателями. Приложение 2 >
Для совершения работы за счет сжигания топлива в устройстве, называемом нагревателем, можно воспользоваться цилиндром, в котором нагревается и расширяется газ и перемещает поршень. Приложение 3 > Газ, расширение которого вызывает перемещение поршня, называют рабочим телом. Расширяется же газ потому, что его давление выше внешнего давления. Но при расширении газа его давление падает, и рано или поздно оно станет равным внешнему давлению. Тогда расширение газа закончится, и он перестанет совершать работу.
Как же следует поступить, чтобы работа теплового двигателя не прекращалась? Для того чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо, чтобы поршень после расширения газа возвращался каждый раз в исходное положение, сжимая газ до первоначального состояния. Сжатие же газа может происходить только под действием внешней силы, которая при этом совершает работу (сила давления газа в этом случае совершает отрицательную работу). После этого вновь могут происходить процессы расширения и сжатия газа. Значит, работа теплового двигателя должна состоять из периодически повторяющихся процессов (циклов) расширения и сжатия.
На Рисунке 1 изображены графически процессы расширения газа (линия АВ ) и сжатия до первоначального объема (линия CD). Работа газа в процессе расширения положительна (AF > 0 ABEF . Работа газа при сжатии отрицательна (так как AF ) и численно равна площади фигуры CDEF. Полезная работа за этот цикл численно равна разности площадей под кривыми АВ и CD (закрашена на рисунке).
Наличие нагревателя, рабочего тела и холодильника принципиально необходимое условие для непрерывной циклической работы любого теплового двигателя.
Коэффициент полезного действия тепловой машины
Рабочее тело, получая некоторое количество теплоты Q 1 от нагревателя, часть этого количества теплоты, по модулю равную |Q2|,отдает холодильнику. Поэтому совершаемая работа не может быть больше A = Q 1 — |Q 2 |. Отношение этой работы к количеству теплоты, полученному расширяющимся газом от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия тепловой машины:
Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по замкнутому циклу, всегда меньше единицы. Задача теплоэнергетики состоит в том, чтобы сделать КПДкак можно более высоким, т. е. использовать для получения работы как можно большую часть теплоты, полученной от нагревателя. Как этого можно достигнуть?
Впервые наиболее совершенный циклический процесс, состоящий из изотерм и адиабат, был предложен французским физиком и инженером С. Карно в 1824 г.
Цикл Карно.
Допустим, что газ находится в цилиндре, стенки и поршень которого сделаны из теплоизоляционного материала, а дно — из материала с высокой теплопроводностью. Объем, занимаемый газом, равен V 1 .
Приведем цилиндр в контакт с нагревателем (Рисунок 2) и предоставим газу возможность изотермически расширяться и совершать работу. Газ получает при этом от нагревателя некоторое количество теплоты Q 1 . Этот процесс графически изображается изотермой (кривая АВ ).
Когда объем газа становится равным некоторому значению V 1 ’дно цилиндра изолируют от нагревателя, после этого газ расширяется адиабатно до объема V 2 , соответствующего максимально возможному ходу поршня в цилиндре (адиабата ВС ). При этом газ охлаждается до температуры T 2
Теперь охлажденный газ можно изотермически сжимать при температуре Т2. Для этого его нужно привести в контакт с телом, имеющим ту же температуру Т 2 , т. е. с холодильником, и сжать газ внешней силой. Однако в этом процессе газ не вернется в первоначальное состояние — температура его будет все время ниже чем Т 1 .
Поэтому изотермическое сжатие доводят до некоторого промежуточного объема V 2 ’>V 1 (изотерма CD ). При этом газ отдает холодильнику некоторое количество теплоты Q 2 , равное совершаемой над ним работе сжатия. После этого газ сжимается адиабатно до объема V 1 , при этом его температура повышается до Т 1 (адиабата DA ). Теперь газ вернулся в первоначальное состояние, при котором объем его равен V 1 , температура — T 1 , давление — p 1 ,и цикл можно повторить вновь.
Итак, на участке ABC газ совершает работу (А > 0), а на участке CDA работа совершается над газом (А На участках ВС и AD работа совершается только за счет изменения внутренней энергии газа. Поскольку изменение внутренней энергии UBC = – UDA , то и работы при адиабатных процессах равны: АВС = –АDA. Следовательно, полная работа, совершаемая за цикл, определяется разностью работ, совершаемых при изотермических процессах (участки АВ и CD ). Численно эта работа равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла ABCD .
В полезную работу фактически преобразуется только часть количества теплоты QT, полученной от нагревателя, равная QT 1 – |QT 2 |. Итак, в цикле Карно полезная работа A = QT 1 – |QT 2 |.
Максимальный коэффициент полезного действия идеального цикла, как показал С. Карно, может быть выражен через температуру нагревателя (Т 1) и холодильника (Т 2):
В реальных двигателях не удается осуществить цикл, состоящий из идеальных изотермических и адиабатных процессов. Поэтому КПД цикла, осуществляемого в реальных двигателях, всегда меньше, чем КПД цикла Карно (при одних и тех же температурах нагревателей и холодильников):
Из формулы видно, что КПД двигателей тем больше, чем выше температура нагревателя и чем ниже температура холодильника.
Задача № 703
Двигатель работает по циклу Карно. Как изменится КПД теплового двигателя, если при постоянной температуре холодильника 17 о С температуру нагревателя повысить со 127 до 447 о С?
Задача № 525
Определите КПД двигателя трактора, которому для выполнения работы 1,9 · 107Дж потребовалось 1,5 кг топлива с удельной теплотой сгорания 4,2 · 107Дж/кг.
Выполнение компьютерного теста по теме. Приложение 4 > Работа с моделью тепловой машины.
Тепловые двигатели и холодильные машины | Физика для студентов | Студенту | Статьи и обсуждение вопросов образования в Казахстане | Образовательный сайт Казахстана
Тепловой двигатель — это периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет полученной извне теплоты.
Термостатом называется термодинамическая система, которая может обмениваться теплотой с телами практически без изменения собственной температуры.
Рабочее тело — это тело, совершающее круговой процесс и обменивающееся энергией с другими телами.
Принцип работы теплового двигателя: от термостата с более высокой температурой T₁, называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты Q₁, а термостату с более низкой температурой T₂, называемому холодильником, за цикл передается количество теплоты Q₂. При этом совершается работа A=Q₁-Q₂ (рис. 18).

Рис 18. Схема теплового двигателя и холодильной машины
Термический КПД двигателя:
η=A/Q₁=(Q₁-Q₂)/Q₁=1-(Q₂-Q₁)
Чтобы КПД был равен 1, необходимо, чтобы Q₂=0, а это запрещено вторым началом термодинамики.
Процесс, обратный происходящему в тепловом двигателе, используется в холодильной машине: от термостата с более низкой температурой T₂ за цикл отнимается количество теплоты Q₂ и отдается термостату с более высокой температурой T₁. При этом Q=Q₁-Q₂=A или Q₁=Q₂+A.
Количество теплоты Q₁, отданное системой термостату T₁, больше количества теплоты Q₂, полученного от термостата T₂, на величину работы, совершенной над системой.
Эффективность холодильной машины характеризует холодильный коэффициент η’ — отношение отнятой от термостата с более низкой температурой количества теплоты Q₂ к работе A, которая затрачивается на приведение холодильной машины в действие:
η’=Q₂/A=Q₂/(Q₁-Q₂). (69)
Принцип теплового двигателя — исследование QS
Принцип теплового двигателя
Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее тепло в работу. Он забирает тепло из резервуара, затем выполняет некоторую работу, например, перемещает поршень, поднимает вес и т. Д., И, наконец, отводит часть тепловой энергии в раковину. В каждом двигателе есть одно рабочее вещество. Например, пар — рабочее вещество в паровом двигателе, опять же бензин — рабочее вещество в бензиновом двигателе. Рабочее вещество получает тепло от высокотемпературного источника, и часть этого тепла преобразуется в работу, а остальное количество тепла сохраняется в радиаторе при низкой температуре.Это принцип работы теплового двигателя.
Это означает, что двигатель, с помощью которого тепловая энергия может быть преобразована в механическую энергию, называется тепловым двигателем. Например, паровой двигатель, бензиновый двигатель, дизельный двигатель и т. Д. В общем, тепловой двигатель — это устройство, которое преобразует химическую энергию в тепловую или тепловую энергию, а затем в механическую энергию или в электрическую энергию.
Температура источника тепла, получаемого двигателем, должна быть выше температуры радиатора.Это означает, что двигатель получает тепло от источника с более высокой температурой, часть этого тепла преобразуется в работу, а остальное количество отбрасывается в радиатор при более низкой температуре, и двигатель возвращается в исходное состояние. Чтобы двигатель работал непрерывно, цикл должен быть изменен таким образом.
Согласно рисунку, рабочее тело получает количество тепла Q от источника при температуре T. Этот двигатель работает за счет части тепла в энергии в механическую энергию, и некоторое положение тепла отводится в радиатор и становится холодным, чтобы двигатель снова мог получать тепло от источника.Если количество тепла, отклоняемого в радиаторе, составляет Q ₂ при температуре T ₂, количество тепла, используемое для преобразования в работу, составляет W = Q ₁ — Q ₂. Двигатель, который может преобразовывать большую часть тепловой энергии в работу, имеет более высокий КПД. Бензиновый двигатель имеет более высокий КПД, чем паровой двигатель.
Использует
Это устройство обычно использует энергию, выделяемую в виде тепла, для выполнения работы, а затем отводит тепло, которое не может быть использовано для выполнения работы.Термодинамика — это изучение взаимосвязи между теплом и работой. Первый и второй закон термодинамики ограничивают работу теплового двигателя.
Типы
Двигатель внешнего сгорания — В этих тепловых двигателях топливо сгорает снаружи и вдали от главного двигателя, где возникают сила и движение. Паровая машина — это пример двигателя внешнего сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания — В этих тепловых двигателях топливо горит внутри цилиндра.Автомобильный двигатель — это пример двигателя внутреннего сгорания.
Двигатели внутреннего сгорания, как правило, намного более эффективны, чем двигатели внешнего сгорания, поскольку энергия не расходуется на передачу тепла от огня и котла в цилиндр; все происходит в одном месте.
Тепловой двигатель: определение, типы и примеры
Обновлено 28 декабря 2020 г.
Ли Джонсон
Тепловые двигатели окружают вас повсюду. От машины, которую вы едете, до холодильника, который охлаждает продукты, до систем отопления и охлаждения вашего дома, — все они работают на одних и тех же ключевых принципах.
Цель любого теплового двигателя — преобразовать тепловую энергию в полезную работу, и для этого можно использовать множество различных подходов. Одна из простейших форм теплового двигателя — двигатель Карно, названный в честь французского физика Николя Леонарда Сади Карно, построенный на идеализированном четырехступенчатом процессе, который зависит от адиабатической и изотермической стадий.
Но двигатель Карно — всего лишь один пример теплового двигателя, и многие другие типы достигают той же основной цели. Изучение того, как работают тепловые двигатели и как вычислять эффективность тепловых двигателей, важно для любого, кто изучает термодинамику.
Что такое тепловой двигатель?
Тепловой двигатель — это термодинамическая система, преобразующая тепловую энергию в механическую. Хотя под этот общий заголовок попадает множество различных конструкций, несколько основных компонентов можно найти практически в любом тепловом двигателе.
Любой тепловой двигатель нуждается в тепловой ванне или высокотемпературном источнике тепла, которые могут принимать множество различных форм (например, ядерный реактор является источником тепла на атомной электростанции, но во многих случаях сжигание топлива используется в качестве источника тепла. источник тепла).Кроме того, должен быть резервуар с низкотемпературным холодом, а также сам двигатель, который обычно представляет собой газ, который расширяется при подаче тепла.
Двигатель поглощает тепло из горячего резервуара и расширяется, и именно этот процесс расширения воздействует на окружающую среду, обычно приводя его в пригодную для использования форму с помощью поршня. Затем система отдает тепловую энергию обратно в холодный резервуар и возвращается в исходное состояние. Затем процесс повторяется снова и снова циклически, чтобы непрерывно производить полезную работу.
Типы тепловых двигателей
Термодинамические циклы или циклы двигателя — это общий способ описания многих конкретных термодинамических систем, которые работают циклически, обычным для большинства тепловых двигателей. Простейшим примером теплового двигателя, работающего с термодинамическими циклами, является двигатель Карно или двигатель, работающий на основе цикла Карно. Это идеализированная форма теплового двигателя, в котором задействованы только обратимые процессы, в частности адиабатическое и изотермическое сжатие и расширение.
Все двигатели внутреннего сгорания работают по циклу Отто, который представляет собой еще один тип термодинамического цикла, в котором воспламенение топлива используется для работы с поршнем. На первом этапе поршень опускается, всасывая топливно-воздушную смесь в двигатель, которая затем адиабатически сжимается на второй ступени и воспламеняется на третьей.
Перед открытием выпускного клапана происходит быстрое повышение температуры и давления, которое воздействует на поршень за счет адиабатического расширения, что приводит к снижению давления.Наконец, поршень поднимается, чтобы удалить израсходованные газы и завершить цикл двигателя.
Другой тип теплового двигателя — двигатель Стирлинга, который содержит фиксированное количество газа, которое перемещается между двумя разными цилиндрами на разных стадиях технологического процесса. На первом этапе происходит нагрев газа для повышения температуры и создания высокого давления, которое перемещает поршень для обеспечения полезной работы.
Затем поршень снова поднимается вверх и толкает газ во второй цилиндр, где он охлаждается холодным резервуаром перед повторным сжатием, процесс, требующий меньше работы, чем был произведен на предыдущем этапе.Наконец, газ перемещается обратно в исходную камеру, где цикл двигателя Стирлинга повторяется.
КПД тепловых двигателей
КПД теплового двигателя — это отношение полезной производимой работы к потребляемой тепловой или тепловой энергии, и результатом всегда является значение от 0 до 1 без единиц измерения, поскольку и тепловая энергия, и Объем работы измеряется в джоулях. Это означает, что если бы у вас был идеальный тепловой двигатель , он имел бы КПД 1 и преобразовывал бы всю тепловую энергию в полезную работу, а если бы ему удалось преобразовать половину ее, КПД был бы равен 0.5. В базовом виде формулу можно записать так:
\ text {Эффективность} = \ frac {\ text {Работа}} {\ text {Тепловая энергия}}
Конечно, тепловая машина не может имеют эффективность 1, потому что второй закон термодинамики требует, чтобы энтропия любой замкнутой системы со временем увеличивалась. Хотя есть точное математическое определение энтропии, которое вы можете использовать, чтобы понять это, самый простой способ подумать об этом состоит в том, что присущая любому процессу неэффективность приводит к некоторой потере энергии, обычно в форме отходящего тепла.Например, поршень двигателя, несомненно, будет иметь некоторое трение, работающее против его движения, что означает, что система будет терять энергию в процессе преобразования тепла в работу.
Теоретический максимальный КПД теплового двигателя называется КПД Карно. Уравнение для этого связывает температуру горячего резервуара T _H и холодного резервуара T _C с КПД ( η ) двигателя.
η = 1 — \ frac {T_C} {T_H}
Вы можете умножить результат на 100, если хотите выразить ответ в процентах.Важно помнить, что это теоретический максимум — маловероятно, что какой-либо реальный двигатель действительно приблизится к эффективности Карно на практике.
Важно отметить, что вы максимизируете эффективность тепловых двигателей, увеличивая разницу температур между горячим резервуаром и холодным резервуаром. Для автомобильного двигателя T _H — это температура газов внутри двигателя при сгорании, а T _C — это температура, при которой они выталкиваются из двигателя.
Примеры из реального мира — паровой двигатель
Паровой двигатель и паровые турбины — два наиболее известных примера теплового двигателя, и изобретение парового двигателя было важным историческим событием в индустриализации общества. Паровая машина работает очень похоже на другие тепловые машины, о которых говорилось выше: котел превращает воду в пар, который направляется в цилиндр, содержащий поршень, и высокое давление пара перемещает цилиндр.
Пар передает часть тепловой энергии цилиндру, охлаждая при этом, а затем, когда поршень полностью выталкивается, оставшийся пар выпускается из цилиндра. В этот момент поршень возвращается в исходное положение (иногда пар направляется к другой стороне поршня, чтобы он тоже мог его оттолкнуть), и термодинамический цикл начинается снова с большим количеством пара.
Эта относительно простая конструкция позволяет производить большой объем полезной работы из всего, что способно кипятить воду.Эффективность теплового двигателя с такой конструкцией зависит от разницы между температурой пара и окружающего воздуха. Паровоз использует работу, созданную в результате этого процесса, для вращения колес и движения поезда.
Паровая турбина работает очень похоже, за исключением того, что работа идет на вращение турбины, а не на перемещение поршня. Это особенно полезный способ выработки электроэнергии из-за вращательного движения, создаваемого паром.
Примеры из реального мира — Двигатель внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания работает на основе цикла Отто, описанного выше, с искровым зажиганием, используемым для бензиновых двигателей, и воспламенением от сжатия, используемым для дизельных двигателей.Основное различие между ними заключается в способе воспламенения топливно-воздушной смеси, при этом топливно-воздушная смесь сжимается, а затем физически воспламеняется в бензиновых двигателях, а топливо распыляется в сжатый воздух в дизельных двигателях, вызывая его воспламенение от температуры. .
Помимо этого, остальная часть цикла Отто завершается, как описано ранее: Топливо всасывается в двигатель (или просто воздух для дизельного топлива), сжимается, воспламеняется (за счет искры для топлива и распыления топлива в горячий сжатый воздух). для дизельного топлива), который выполняет полезную работу с поршнем за счет адиабатического расширения, а затем выпускной клапан открывается для снижения давления, и поршень выталкивает отработанный газ.
Примеры из реального мира — тепловые насосы, кондиционеры и холодильники
Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники тоже работают в форме теплового цикла, хотя у них другая цель — использовать работу для перемещения тепловой энергии. чем наоборот. Например, в цикле нагрева теплового насоса хладагент поглощает тепло из наружного воздуха из-за его более низкой температуры (поскольку тепло всегда течет от горячего к холодному), а затем проталкивается через компрессор для повышения его температуры. давление и, следовательно, его температура.
Этот более горячий воздух затем перемещается в конденсатор рядом с обогреваемым помещением, где тот же процесс передает тепло в помещение. Наконец, хладагент проходит через клапан, который понижает давление и, следовательно, температуру, и готов к следующему циклу нагрева.
В цикле охлаждения (как в кондиционере или холодильнике) процесс, по сути, протекает в обратном порядке. Хладагент поглощает тепловую энергию из комнаты (или внутри холодильника), потому что он поддерживается при низкой температуре, а затем проталкивается через компрессор для повышения давления и температуры.
В этот момент он перемещается за пределы комнаты (или в заднюю часть холодильника), где тепловая энергия передается более холодному наружному воздуху (или окружающей комнате). Затем хладагент направляется через клапан для понижения давления и температуры, считая для другого цикла нагрева.
Поскольку цель этих процессов противоположна примерам двигателей, выражение для КПД теплового насоса или холодильника также отличается. Впрочем, по форме это вполне предсказуемо.Для отопления:
η = \ frac {Q_H} {W_ {in}}
η = \ frac {Q_C} {W_ {in}}
Где термины Q относятся к тепловой энергии, переданной в комната (с индексом H) и перемещенная из нее (с индексом C) и W _в — это вход работы в систему в виде электричества. Опять же, это значение является безразмерным числом от 0 до 1, но вы можете умножить результат на 100, чтобы получить процентное значение, если хотите.
Пример из реального мира — электростанции или электростанции
Электростанции или электростанции — это просто еще одна форма теплового двигателя, независимо от того, производят ли они тепло с помощью ядерного реактора или сжигая топливо.Источник тепла используется для перемещения турбин и, таким образом, выполнения механической работы, часто с использованием пара из нагретой воды для вращения паровой турбины, которая вырабатывает электричество описанным выше способом. Точный тепловой цикл может варьироваться между электростанциями, но обычно используется цикл Ренкина.
Цикл Ренкина начинается с повышения температуры воды источником тепла, затем расширения водяного пара в турбине, за которым следует конденсация в конденсаторе (высвобождение отработанного тепла в процессе), прежде чем охлажденная вода поступает в насос.Насос увеличивает напор воды и подготавливает ее к дальнейшему нагреву.
Термодинамика
Термодинамика
Тепло двигатели преобразуют внутреннюю энергию в механическую.
работу реверсивной тепловой машины можно описать на фотоэлектрической диаграмма.
КПД реверсивной тепловой машины зависит от температуры, между которыми он работает.
ср опишем тепловую машину такой схемой:
Q _ч = Q _c + W
КПД тепловой машины описывает, насколько эффективно он превращает тепло в работу.
Сади Карно
Принцип Карно: An необратимая тепловая машина, работающая между двумя тепловыми резервуарами при постоянные температуры не могут иметь КПД выше, чем реверсивного теплового двигателя, работающего между двумя температуры.
Следствие: Все обратимые тепловые двигатели, работающие между одинаковыми температурами, имеют такой же КПД .
Цикл Карно:
Реверсивный «двигатель» Карно использует изотермические и адиабатические процессы между двумя резервуарами тепла при температуры T _h (горячий) и T _c (холодно).
A Цикл Карно также может быть представлен на фотоэлектрической диаграмме.
Холодильник — тепловая машина, обкатанная реверс .
Вт + Q _в = Q _ч
Другая форма Второго закона термодинамики — это что
Невозможно сделать тепловой двигатель, единственный эффект которого заключается в поглощении тепла от высокотемпературной области и превратить все это тепло в Работа.
То есть не возможно на спроектировать тепловой двигатель, который передает тепло выхлопным газам , а не . среда.
Или невозможно спроектировать тепловой двигатель с КПД 1,00 или 100%.
Если бы , мы могли бы спроектировать такой 100% эффективный тепловой двигатель, тогда мы могли бы использовать этот тепловой двигатель для питания холодильника. И чистый результат этой комбинации приведет к тому, что тепло будет течь от холодной температуры к высокой температура.
И , что возвращает нас к нашему исходное положение Второго закона г. Термодинамика:
c) 2002 год, Дуг Дэвис; все права защищены
Введение во второй закон термодинамики: тепловые двигатели и их эффективность
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
Сформулируйте выражения второго начала термодинамики.
Рассчитайте КПД и выбросы углекислого газа угольной электростанции, используя характеристики второго закона.
Опишите и определите цикл Отто.
Рис. 1. Эти льдины тают во время арктического лета. Некоторые из них повторно замерзают зимой, но второй закон термодинамики предсказывает, что крайне маловероятно, что молекулы воды, содержащиеся в этих льдинах, изменят характерную форму аллигатора, которую они сформировали, когда фотография была сделана летом 2009 года. .(Источник: Патрик Келли, Береговая охрана США, Геологическая служба США)
Второй закон термодинамики касается направления, принимаемого спонтанными процессами. Многие процессы происходят спонтанно только в одном направлении, то есть они необратимы при заданном наборе условий. Хотя необратимость наблюдается в повседневной жизни — например, разбитое стекло не возвращается в исходное состояние — полная необратимость — это статистическое утверждение, которое нельзя увидеть в течение всей жизни Вселенной.Точнее, необратимый процесс — это процесс, который зависит от пути. Если процесс может идти только в одном направлении, то обратный путь принципиально отличается, и процесс не может быть обратимым. Например, как отмечалось в предыдущем разделе, тепло включает в себя передачу энергии от более высокой температуры к более низкой. Холодный объект, соприкасающийся с горячим, никогда не становится холоднее, передавая тепло горячему объекту и делая его горячее. Кроме того, механическая энергия, такая как кинетическая энергия, может быть полностью преобразована в тепловую за счет трения, но обратное невозможно.Горячий неподвижный объект никогда самопроизвольно не остывает и не начинает двигаться. Еще один пример — расширение потока газа, введенного в один угол вакуумной камеры. Газ расширяется, заполняя камеру, но никогда не собирается в углу. Случайное движение молекул газа могло бы вернуть их всех в угол, но этого никогда не происходит. (См. Рисунок 2.)
Рисунок 2. Примеры односторонних процессов в природе. (а) Теплообмен происходит самопроизвольно от горячего к холодному, а не от холодного к горячему.(б) Тормоза этого автомобиля преобразуют кинетическую энергию в теплоотдачу в окружающую среду. Обратный процесс невозможен. (c) Выброс газа, попадающего в эту вакуумную камеру, быстро расширяется, чтобы равномерно заполнить каждую часть камеры. Случайные движения молекул газа никогда не вернут их в угол.
Тот факт, что определенные процессы никогда не происходят, предполагает, что существует закон, запрещающий их возникновение. Первый закон термодинамики позволяет им происходить — ни один из этих процессов не нарушает закон сохранения энергии.Закон, запрещающий эти процессы, называется вторым законом термодинамики. Мы увидим, что второй закон можно сформулировать разными способами, которые могут показаться разными, но на самом деле эквивалентными. Как и все законы природы, второй закон термодинамики дает представление о природе, и несколько его утверждений подразумевают, что он широко применим, фундаментально влияя на многие очевидно несопоставимые процессы.
Уже знакомое направление теплопередачи от горячего к холодному лежит в основе нашей первой версии второго закона термодинамики
Второй закон термодинамики (первое выражение)
Теплообмен происходит самопроизвольно от тел с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, но никогда самопроизвольно в обратном направлении.
Другой способ сформулировать это: невозможно, чтобы какой-либо процесс имел своим единственным результатом передачу тепла от более холодного объекта к более горячему.
Тепловые двигатели
Теперь давайте рассмотрим устройство, которое для работы использует теплопередачу. Как отмечалось в предыдущем разделе, такое устройство называется тепловой машиной и схематично показано на рисунке 3b. Бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины — все это тепловые двигатели, которые работают, используя часть теплопередачи от какого-либо источника.Теплоотдача от горячего объекта (или горячего резервуара) обозначается как Q _h, теплоотдача в холодный объект (или холодный резервуар) — Q _c, а работа, выполняемая двигателем, составляет . W . Температуры горячего и холодного резервуаров составляют T _h и T _c соответственно.
Рис. 3. (a) Передача тепла происходит самопроизвольно от горячего объекта к холодному, что соответствует второму закону термодинамики.(б) Тепловой двигатель, представленный здесь кружком, использует часть теплопередачи для выполнения работы. Горячие и холодные предметы называются горячими и холодными резервуарами. Qh — теплоотдача из горячего резервуара, W — рабочая мощность, а Qc — теплоотдача в холодный резервуар.
Поскольку горячий резервуар нагревается извне, что требует больших затрат энергии, важно, чтобы работа выполнялась как можно более эффективно. Фактически, мы хотели бы, чтобы значение W было равно Q _h, и чтобы тепло не передавалось в окружающую среду ( Q _c = 0).К сожалению, это невозможно. Второй закон термодинамики также утверждает в отношении использования теплопередачи для выполнения работы (второе выражение второго закона):
Второй закон термодинамики (второе выражение)
Ни в какой системе теплопередачи от резервуара невозможно полностью преобразовать работу в циклический процесс, при котором система возвращается в исходное состояние.
Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла.В большинстве тепловых двигателей, таких как поршневые двигатели и вращающиеся турбины, используются циклические процессы. Второй закон, только что сформулированный в его второй форме, четко гласит, что такие двигатели не могут иметь идеального преобразования теплопередачи в выполненную работу. Прежде чем углубляться в основные причины ограничений на преобразование теплопередачи в работу, нам необходимо изучить взаимосвязи между W , Q _h и Q _c и определить эффективность циклического Тепловой двигатель.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 Δ U = 0. Первый закон термодинамики гласит, что Δ U = Q — Вт , где Q — это чистая теплопередача в течение цикла ( Q = Q _ч — Q _c), а Вт — чистая работа, выполненная системой.Поскольку Δ U = 0 для полного цикла, мы имеем 0 = Q — W , так что W = Q .
Таким образом, чистая работа, выполняемая системой, равна чистой теплопередаче в систему, или W = Q _h — Q _c (циклический процесс), как схематично показано на рисунке 3b. Проблема в том, что во всех процессах происходит некоторая передача тепла в окружающую среду, причем обычно очень значительную.
При преобразовании энергии в работу мы всегда сталкиваемся с проблемой получения меньшего количества энергии, чем мы вкладываем. Мы определяем эффективность преобразования Eff как отношение полезной выходной работы к вложенной энергии (или, в другими словами, отношение того, что мы получаем, к тому, что мы тратим). В этом духе мы определяем эффективность теплового двигателя как его полезную мощность Вт , деленную на передачу тепла двигателю Q _ч; то есть
[латекс] Eff = \ frac {W} {Q _ {\ text {h}}} \\ [/ latex]
Поскольку W = Q _h — Q _c в циклическом процессе, мы также можем выразить это как
[латекс] Eff = \ frac {Q _ {\ text {h}} — Q _ {\ text {c}}} {Q _ {\ text {h}}} = 1- \ frac {Q _ {\ text {c} }} {Q _ {\ text {h}}} \\ [/ latex] (циклический процесс),
, поясняющий, что эффективность 1 или 100% возможна только при отсутствии передачи тепла в окружающую среду ( Q _c = 0).Обратите внимание, что все Q положительны. Направление теплопередачи обозначается знаком плюс или минус. Например, Q _c находится вне системы, поэтому перед ним стоит знак минус.
Пример 1. Ежедневная работа угольной электростанции, ее эффективность и выбросы углекислого газа
Угольная электростанция — это огромная тепловая машина. Он использует теплопередачу от сжигания угля для работы по включению турбин, которые используются для выработки электроэнергии.За один день большая угольная электростанция имеет 2,50 × 10 ¹⁴ Дж теплопередачи от угля и 1,48 × 10 ¹⁴ Дж теплопередачи в окружающую среду.
Какие работы выполняет электростанция?
Каков КПД электростанции?
В процессе горения происходит следующая химическая реакция: C + O ₂ → CO ₂. Это означает, что каждые 12 кг угля выбрасывают в атмосферу 12 кг + 16 кг + 16 кг = 44 кг углекислого газа.Если предположить, что 1 кг угля может обеспечить 2,5 × 10 ⁶ Дж теплопередачи при сгорании, сколько CO ₂ выбрасывается этой электростанцией в день?
Стратегия для части 1
Мы можем использовать Вт = Q _h — Q _c, чтобы найти выходную мощность Вт , предполагая, что на электростанции используется циклический процесс. В этом процессе вода кипятится под давлением с образованием высокотемпературного пара, который используется для запуска паровых турбин-генераторов, а затем конденсируется обратно в воду, чтобы снова запустить цикл.{14} \ text {J} \ end {array} \\ [/ latex]
Стратегия для части 2
Эффективность может быть рассчитана с помощью [latex] Eff = \ frac {W} {Q _ {\ text {h}}} \\ [/ latex], поскольку дано Q _h, а работа W была найдена в первая часть этого примера.
Решение для части 2
Эффективность определяется по формуле: [latex] Eff = \ frac {W} {Q _ {\ text {h}}} \\ [/ latex]. Работа W только что была найдена равной 1,02 × 10 ¹⁴ Дж, и дано Q _h, поэтому эффективность равна
.
[латекс] \ begin {array} {lll} Eff & = & \ frac {1.{14} \ text {J}} \\\ text {} & = & 0.408 \ text {, или} 40.8 \% \ end {array} \\ [/ latex]
Стратегия для части 3
Суточное потребление угля рассчитывается с использованием информации о том, что каждый день имеет место 2,50 × 10 ¹⁴ Дж теплопередачи от угля. В процессе горения имеем C + O ₂ → CO ₂. Таким образом, каждые 12 кг угля выбрасывают в атмосферу 12 кг + 16 кг + 16 кг = 44 кг CO ₂.
Решение для части 3
Суточное потребление угля
[латекс] \ frac {2.8 \ text {кг CO} _2 \\ [/ латекс]
Это 370 000 метрических тонн CO ₂, производимых ежедневно.
Обсуждение
Если вся производимая работа преобразуется в электричество в течение одного дня, средняя выходная мощность составит 1180 МВт (это остается вам как проблема в конце главы). Это значение примерно соответствует размеру крупномасштабной традиционной электростанции. Обнаруженный КПД приемлемо близок к значению 42%, указанному для угольных электростанций. Это означает, что 59,2% энергии приходится на передачу тепла в окружающую среду, что обычно приводит к потеплению озер, рек или океана вблизи электростанции и в целом способствует потеплению планеты.Хотя законы термодинамики ограничивают эффективность таких установок, в том числе установок, работающих на ядерном топливе, нефти и природном газе, передача тепла в окружающую среду может использоваться и иногда используется для отопления домов или промышленных процессов. В целом низкая стоимость энергии не сделала экономичным более эффективное использование отходящего тепла от большинства тепловых двигателей. Угольные электростанции производят наибольшее количество CO ₂ на единицу выработанной энергии (по сравнению с природным газом или нефтью), что делает уголь наименее эффективным ископаемым топливом.
Используя информацию, приведенную в Примере 1, мы можем найти такие характеристики, как эффективность теплового двигателя, не зная, как работает тепловой двигатель, но более детальное изучение механизма двигателя даст нам более глубокое понимание. На рисунке 4 показана работа обычного четырехтактного бензинового двигателя. Показанные четыре этапа завершают цикл этого теплового двигателя, возвращая бензиново-воздушную смесь в исходное состояние.
Рис. 4. В четырехтактном бензиновом двигателе внутреннего сгорания передача тепла в работу происходит в циклическом процессе, показанном здесь.Поршень соединен с вращающимся коленчатым валом, который одновременно работает с газом в цилиндре. (а) Воздух смешивается с топливом во время такта впуска. (b) Во время такта сжатия топливовоздушная смесь быстро сжимается, что является почти адиабатическим процессом, когда поршень поднимается с закрытыми клапанами. Работа сделана на газе. (c) Рабочий ход состоит из двух отдельных частей. Сначала воспламеняется топливно-воздушная смесь, которая почти мгновенно преобразует химическую потенциальную энергию в тепловую, что приводит к значительному увеличению давления.Затем поршень опускается, и газ действует, передавая силу на расстоянии, что является почти адиабатическим процессом. (d) Такт выпуска вытесняет горячий газ, чтобы подготовить двигатель к следующему циклу, начиная с такта впуска.
Цикл Отто , показанный на рис. 5а, используется в четырехтактных двигателях внутреннего сгорания, хотя на самом деле истинные траектории цикла Отто не соответствуют точно тактам двигателя.
Адиабатический процесс AB соответствует почти адиабатическому такту сжатия бензинового двигателя.В обоих случаях производится работа с системой (газовой смесью в баллоне), повышая ее температуру и давление. На пути BC цикла Отто теплопередача Q _h в газ происходит при постоянном объеме, вызывая дальнейшее повышение давления и температуры. Этот процесс соответствует сжиганию топлива в двигателе внутреннего сгорания и происходит так быстро, что объем почти постоянный. Путь CD в цикле Отто — это адиабатическое расширение, которое действительно работает во внешнем мире, точно так же, как рабочий такт двигателя внутреннего сгорания при его почти адиабатическом расширении.Работа, выполняемая системой по пути CD, больше, чем работа, выполняемая системой по пути AB, потому что давление больше, и, следовательно, имеется чистый выход работы. По пути DA в цикле Отто теплопередача Q _c от газа при постоянном объеме снижает его температуру и давление, возвращая его в исходное состояние. В двигателе внутреннего сгорания этот процесс соответствует выхлопу горячих газов и всасыванию воздушно-бензиновой смеси при значительно более низкой температуре.В обоих случаях на этом конечном пути происходит передача тепла в окружающую среду.
Рис. 5. Диаграмма упрощенного цикла Отто, аналогичного тому, который используется в двигателе внутреннего сгорания. Точка А соответствует началу такта сжатия двигателя внутреннего сгорания. Пути AB и CD являются адиабатическими и соответствуют тактам сжатия и мощности двигателя внутреннего сгорания соответственно. Пути BC и DA изохоричны и дают аналогичные результаты для участков зажигания и выхлопа-впуска, соответственно, цикла двигателя внутреннего сгорания.Работа выполняется с газом по пути AB, но больше работы выполняется с газом по пути CD, так что имеется чистый выход работы.
Чистая работа, выполняемая циклическим процессом, — это область внутри замкнутого пути на диаграмме PV , такой как внутренний путь ABCDA на рисунке 5. Обратите внимание, что во всех мыслимых циклических процессах это абсолютно необходимо для передачи тепла от система должна возникать, чтобы получить чистый результат работы. В цикле Отто теплопередача происходит по пути DA. Если теплопередача не происходит, то обратный путь тот же, а полезная мощность равна нулю.Чем ниже температура на пути AB, тем меньше работы требуется для сжатия газа. Тогда площадь внутри замкнутого пути больше, поэтому двигатель выполняет больше работы и, следовательно, более эффективен. Точно так же, чем выше температура на пути CD, тем больше будет выходная мощность. (См. Рисунок 6.) Таким образом, эффективность зависит от температуры горячего и холодного резервуаров. В следующем разделе мы увидим, каков абсолютный предел эффективности теплового двигателя и как он связан с температурой.
Рис. 6. Этот цикл Отто производит большую работу, чем цикл на рис. 5, потому что начальная температура пути CD выше, а начальная температура пути AB ниже. Площадь внутри петли больше, что соответствует большему выходу чистой работы.
Сводка раздела
Два выражения второго начала термодинамики: (i) Передача тепла происходит спонтанно от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой, но никогда самопроизвольно в обратном направлении; и (ii) ни в какой системе теплопередачи от резервуара невозможно полностью преобразовать для работы в циклическом процессе, в котором система возвращается в исходное состояние.
Необратимые процессы зависят от пути и не возвращаются в исходное состояние. Циклические процессы — это процессы, которые возвращаются в исходное состояние в конце каждого цикла.
В циклическом процессе, таком как тепловой двигатель, чистая работа, выполненная системой, равна чистой теплопередаче в систему, или W = Q _h — Q _c, где Q _h — это передача тепла от горячего объекта (горячий резервуар), а Q _c — передача тепла в холодный объект (холодный резервуар).
Эффективность может быть выражена как [латекс] Eff = \ frac {W} {{Q} _ {\ text {h}}} \\ [/ latex], отношение выходной работы, деленное на количество вложенной энергии.
Четырехтактный бензиновый двигатель часто объясняют с помощью цикла Отто, который представляет собой повторяющуюся последовательность процессов, преобразующих тепло в работу.
Концептуальные вопросы
Представьте, что вы едете на машине на Пайкс-Пик в Колорадо. Чтобы поднять автомобиль весом 1000 килограммов на расстояние 100 метров, потребуется около миллиона джоулей.Вы можете поднять автомобиль на 12,5 километров с помощью энергии в галлоне газа. Подъем на пик Пайк (всего 3000 метров) требует чуть меньше литра бензина. Но нужно учитывать и другие соображения. Объясните с точки зрения эффективности, какие факторы могут помешать вам реализовать идеальное потребление энергии в этой поездке.
Необходима ли разница температур для работы теплового двигателя? Укажите, почему или почему нет.
Определения эффективности различаются в зависимости от того, как преобразовывается энергия.Сравните определения эффективности человеческого тела и тепловых двигателей. Как определение эффективности в каждом из них связано с типом энергии, которая преобразуется для выполнения работы?
Почему — помимо того факта, что второй закон термодинамики гласит, что реверсивные двигатели являются наиболее эффективными — тепловые двигатели, использующие обратимые процессы, должны быть более эффективными, чем те, которые используют необратимые процессы? Учтите, что диссипативные механизмы — одна из причин необратимости.
Задачи и упражнения
Некий тепловой двигатель делает 10.0 кДж работы и 8,50 кДж теплопередачи происходит в окружающую среду в циклическом процессе. а) Каков был теплообмен в этом двигателе? б) Каков был КПД двигателя?
При 2,56 × 10 ⁶ Дж теплопередачи в этот двигатель данный циклический тепловой двигатель может выполнять только 1,50 × 10 ⁵ Дж работы. а) Каков КПД двигателя? (б) Какая степень теплопередачи в окружающую среду имеет место?
(a) Какова производительность циклического теплового двигателя с 22.КПД 0% и передача тепла в двигатель 6,00 × 10 ⁹ Дж? б) Сколько тепла передается в окружающую среду?
(a) Каков КПД циклического теплового двигателя, в котором 75,0 кДж теплопередачи происходит в окружающую среду на каждые 95,0 кДж теплопередачи в двигатель? (б) Сколько работы он производит для передачи тепла в двигатель 100 кДж?
Двигатель большого корабля выполняет 2,00 × 10 ⁸ Дж работы с КПД 5,00%. а) Сколько тепла передается в окружающую среду? (b) Сколько баррелей топлива израсходовано, если каждый баррель производит 6.00 × 10 ⁹ Дж теплоотдачи при сгорании?
(a) Сколько тепла передается в окружающую среду электростанцией, использующей 1,25 × 10 ¹⁴ Дж теплопередачи в двигатель с КПД 42,0%? (б) Каково отношение теплопередачи к окружающей среде к производительности труда? (c) Сколько работы сделано?
Предположим, что турбины на угольной электростанции были модернизированы, что привело к повышению эффективности на 3,32%. Предположим, что до модернизации электростанция имела КПД 36%, а передача тепла в двигатель за один день осталась прежней — 2.50 × 1014 Дж. (а) Насколько больше электроэнергии вырабатывается в результате модернизации? (б) Насколько меньше теплопередачи в окружающую среду в результате модернизации?
В этой задаче сравниваются выработка энергии и передача тепла в окружающую среду двумя разными типами атомных электростанций — одна с нормальным КПД 34,0%, а другая с улучшенным КПД 40,0%. Предположим, что оба имеют одинаковую теплопередачу в двигатель за один день, 2,50 × 10 ¹⁴ Дж. (А) Насколько больше электроэнергии вырабатывает более эффективная электростанция? (б) Насколько меньше теплоотдача в окружающую среду происходит от более эффективной электростанции? (Один из типов более эффективных атомных электростанций, реактор с газовым охлаждением, был недостаточно надежен, чтобы быть экономически целесообразным, несмотря на его большую эффективность.)
Глоссарий
необратимый процесс: любой процесс, зависящий от направления пути
второй закон термодинамики: теплопередача течет от более горячего к более холодному объекту, а не наоборот, и некоторая тепловая энергия в любом процессе теряется на доступную работу в циклическом процессе
циклический процесс: процесс, в котором путь возвращается в исходное состояние в конце каждого цикла
Цикл Отто: термодинамический цикл, состоящий из пары адиабатических процессов и пары изохорных процессов, который преобразует тепло в работу, т.е.г., четырехтактный двигатель, цикл впуска, сжатия, зажигания и выпуска
Избранные решения проблем и упражнения
1. (а) 18,5 кДж; (б) 54,1%
3. (а) 1.32 × 10 ⁹ Дж; (б) 4,68 × 10 ⁹ Дж
5. (а) 3.80 × 10 ⁹ Дж; (б) 0,667 баррелей
7. (а) 8,30 × 10 ¹² Дж, что составляет 3,32% от 2,50 × 10 ¹⁴ Дж; (б) –8,30 × 10 ¹² Дж, где отрицательный знак указывает на снижение теплопередачи в окружающую среду.
Второй закон термодинамики
Второй закон
Второй закон термодинамики гласит, что передача тепла происходит самопроизвольно только от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой.
Цели обучения
Сопоставьте концепцию необратимости между Первым и Вторым законами термодинамики
Основные выводы
Ключевые моменты
Многие термодинамические явления, разрешенные первым законом термодинамики, никогда не происходят в природе.
Многие процессы происходят спонтанно только в одном направлении, и второй закон термодинамики имеет дело с направлением, принимаемым спонтанными процессами.
Согласно второму закону термодинамики, для любого процесса невозможно иметь теплопередачу от более холодного объекта к более горячему как единственный результат.
Ключевые термины
энтропия : Мера того, насколько равномерно энергия (или какое-либо аналогичное свойство) распределяется в системе.
первый закон термодинамики : версия закона сохранения энергии, специально предназначенная для термодинамических систем.Обычно выражается как ΔU = Q − W.
Необратимость
Второй закон термодинамики касается направления, принимаемого спонтанными процессами. Многие процессы происходят спонтанно только в одном направлении, то есть они необратимы при заданном наборе условий. Хотя необратимость наблюдается в повседневной жизни — например, разбитое стекло не возвращается в исходное состояние — полная необратимость — это статистическое утверждение, которое нельзя увидеть в течение всей жизни Вселенной.Точнее, необратимый процесс — это процесс, зависящий от пути. Если процесс может идти только в одном направлении, то обратный путь принципиально отличается, и процесс не может быть обратимым.
Например, тепло включает передачу энергии от более высокой температуры к более низкой. Холодный объект, соприкасающийся с горячим, никогда не становится холоднее, передавая тепло горячему объекту и делая его горячее. Кроме того, механическая энергия, такая как кинетическая энергия, может быть полностью преобразована в тепловую за счет трения, но обратное невозможно.Горячий неподвижный объект никогда самопроизвольно не остывает и не начинает двигаться. Еще один пример — расширение потока газа, введенного в один угол вакуумной камеры. Газ расширяется, заполняя камеру, но никогда не собирается в углу. Случайное движение молекул газа могло бы вернуть их всех в угол, но этого никогда не происходит.
Односторонняя обработка в природе : Примеры односторонних процессов в природе. (а) Теплообмен происходит самопроизвольно от горячего к холодному, а не от холодного к горячему.(б) Тормоза этого автомобиля преобразуют кинетическую энергию в теплоотдачу в окружающую среду. Обратный процесс невозможен. (c) Выброс газа, попадающего в эту вакуумную камеру, быстро расширяется, чтобы равномерно заполнить каждую часть камеры. Случайные движения молекул газа никогда не вернут их в угол.
Второй закон термодинамики
Тот факт, что определенные процессы никогда не происходят, предполагает, что существует закон, запрещающий их возникновение. Первый закон термодинамики позволяет им происходить — ни один из этих процессов не нарушает закон сохранения энергии.Закон, запрещающий эти процессы, называется вторым законом термодинамики. Мы увидим, что второй закон можно сформулировать разными способами, которые могут показаться разными, но на самом деле эти многие способы эквивалентны. Как и все законы природы, второй закон термодинамики дает представление о природе, и несколько его утверждений подразумевают, что он широко применим, фундаментально влияя на многие очевидно несопоставимые процессы. Уже знакомое направление теплопередачи от горячего к холодному лежит в основе нашей первой версии второго закона термодинамики.

Термодинамика и тепловые двигатели : Краткое введение в тепловые двигатели и термодинамические концепции, такие как двигатель Карно, для студентов.
Второй закон термодинамики (первое выражение): Теплопередача происходит спонтанно от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой, но никогда самопроизвольно в обратном направлении.
Закон гласит, что ни один процесс не может иметь своим единственным результатом передачу тепла от холодильника к более горячему объекту.Позже мы выразим закон в других терминах, особенно в терминах энтропии.
Тепловые двигатели
В термодинамике тепловой двигатель — это система, которая выполняет преобразование тепла или тепловой энергии в механическую работу.
Цели обучения
Обоснуйте, почему КПД — один из важнейших параметров для любой тепловой машины
Основные выводы
Ключевые моменты
Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла.В большинстве тепловых двигателей, таких как поршневые двигатели и вращающиеся турбины, используются циклические процессы.
Второй закон термодинамики можно выразить следующим образом: в любой системе теплопередачи от резервуара невозможно полностью переключиться на работу в циклическом процессе, в котором система возвращается в исходное состояние.
Эффективность теплового двигателя (Eff) определяется как чистая мощность W двигателя, разделенная на теплопередачу к двигателю: [latex] \ text {Eff} = \ frac {\ text {W}} {\ text { Q} _ \ text {h}} = 1 — \ frac {\ text {Q} _ \ text {c}} {\ text {Q} _ \ text {h}} [/ latex], где Q _c и Q _h обозначает передачу тепла горячему (двигатель) и холодному (окружающая среда) резервуару.
Ключевые термины
тепловая энергия : Внутренняя энергия системы в термодинамическом равновесии, обусловленная ее температурой.
внутренняя энергия : сумма всей энергии, присутствующей в системе, включая кинетическую и потенциальную энергию; эквивалентно, энергия, необходимая для создания системы, за исключением энергии, необходимой для перемещения ее окружения.
В термодинамике тепловой двигатель — это система, которая выполняет преобразование тепла или тепловой энергии в механическую работу.Бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины — все это тепловые двигатели, которые работают, используя часть теплопередачи от какого-либо источника. Теплоотдача от горячего объекта (или горячего резервуара) обозначается Q _h, теплопередача в холодный объект (или холодный резервуар) — Q _c, а работа, выполняемая двигателем, равна W. для горячего и холодного резервуаров — T _h и T _c соответственно.
Теплопередача : (a) Теплопередача происходит самопроизвольно от горячего объекта к холодному в соответствии со вторым законом термодинамики.(б) Тепловой двигатель, представленный здесь кружком, использует часть теплопередачи для выполнения работы. Горячие и холодные предметы называются горячими и холодными резервуарами. Qh — теплоотдача из горячего резервуара, W — рабочая мощность, а Qc — теплоотдача в холодный резервуар.

Термодинамика и тепловые двигатели : Краткое введение в тепловые двигатели и термодинамические концепции, такие как двигатель Карно, для студентов.
Поскольку горячий резервуар нагревается извне, что требует больших затрат энергии, важно, чтобы работа выполнялась как можно более эффективно.Фактически, нам хотелось бы, чтобы W равнялась Q _ч, и чтобы тепло не передавалось в окружающую среду (Q _c = 0). К сожалению, это невозможно. Второй закон термодинамики (второе выражение) также утверждает относительно использования теплопередачи для выполнения работы: Невозможно ни в одной системе для теплопередачи от резервуара полностью преобразовать работу в циклический процесс, в котором система возвращается в его исходное состояние.
Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла.В большинстве тепловых двигателей, таких как поршневые двигатели и вращающиеся турбины, используются циклические процессы. Второй закон в его второй форме четко гласит, что такие двигатели не могут иметь совершенного преобразования теплопередачи в выполненную работу.
КПД
Циклический процесс возвращает систему в исходное состояние в конце каждого цикла. По определению, внутренняя энергия такой системы U одинакова в начале и в конце каждого цикла, то есть ΔU = 0. Первый закон термодинамики гласит, что ΔU = Q-W, где Q — чистая теплопередача во время цикла (Q = Q _h -Q _c), а W — чистая работа, выполненная системой.Поскольку ΔU = 0 для полного цикла, имеем W = Q. Таким образом, чистая работа, выполняемая системой, равна чистому теплопередаче в систему, или
[латекс] \ text {W} = \ text {Q} _ \ text {h} — \ text {Q} _ \ text {c} [/ latex] (циклический процесс),
, как показано схематически на (b).
КПД — один из важнейших параметров любой тепловой машины. Проблема в том, что во всех процессах происходит значительная передача тепла Q _c, теряемого в окружающую среду. При преобразовании энергии в работу мы всегда сталкиваемся с проблемой получить меньше, чем вкладываем.Мы определяем эффективность теплового двигателя ( Eff ) как его чистую мощность работы W, деленную на передачу тепла двигателю Q _h:
[латекс] \ text {Eff} = \ frac {\ text {W}} {\ text {Q} _ \ text {h}} [/ latex].
Поскольку W = Q _h −Q _c в циклическом процессе, мы также можем выразить это как
[латекс] \ text {Eff} = \ frac {\ text {Q} _ \ text {h} — \ text {Q} _ \ text {c}} {\ text {Q} _ \ text {h}} = 1 — \ frac {\ text {Q} _ \ text {c}} {\ text {Q} _ \ text {h}} [/ latex] (для циклического процесса),
, поясняющий, что эффективность 1, или 100%, возможна только при отсутствии передачи тепла в окружающую среду (Q _c = 0).
Циклы Карно
Цикл Карно — наиболее эффективный из возможных циклических процессов, в котором используются только обратимые процессы.
Цели обучения
Проанализируйте, почему двигатель Карно считается идеальным двигателем
Основные выводы
Ключевые моменты
Второй закон термодинамики показывает, что двигатель Карно, работающий между двумя заданными температурами, имеет максимально возможный КПД по сравнению с любым тепловым двигателем, работающим между этими двумя температурами.
Необратимые процессы связаны с диссипативными факторами, которые снижают эффективность двигателя. Очевидно, обратимые процессы лучше с точки зрения эффективности.
КПД Карно, максимально достижимый КПД теплового двигателя, задается как [латекс] \ text {Eff} _ \ text {c} = 1- \ frac {\ text {T} _ \ text {c}} {\ text { T} _ \ text {h}} [/ латекс].
Ключевые термины
второй закон термодинамики : Закон, гласящий, что энтропия изолированной системы никогда не уменьшается, потому что изолированные системы спонтанно развиваются к термодинамическому равновесию — состоянию максимальной энтропии.Точно так же вечные двигатели второго типа невозможны.
тепловой двигатель : любое устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу.
Из второго закона термодинамики мы знаем, что тепловой двигатель не может быть на 100 процентов эффективным, так как всегда должна быть некоторая передача тепла Q _c в окружающую среду. (См. Наш атом в разделе «Тепловые двигатели».) Насколько эффективна тогда тепловая машина? На этот вопрос теоретически ответил в 1824 году молодой французский инженер Сади Карно (1796-1832) в своем исследовании появившейся в то время технологии тепловых двигателей, имеющих решающее значение для промышленной революции.Он разработал теоретический цикл, который теперь называется циклом Карно, который является наиболее эффективным из возможных циклических процессов. Второй закон термодинамики можно переформулировать в терминах цикла Карно, и поэтому Карно фактически открыл этот фундаментальный закон. Любой тепловой двигатель, использующий цикл Карно, называется двигателем Карно.
Для цикла Карно критически важно то, что используются только обратимые процессы. Необратимые процессы связаны с диссипативными факторами, такими как трение и турбулентность.Это увеличивает теплоотдачу Q _c в окружающую среду и снижает КПД двигателя. Очевидно, что обратимые процессы лучше.
Второй закон термодинамики (третья форма): Двигатель Карно, работающий между двумя заданными температурами, имеет максимально возможный КПД по сравнению с любым тепловым двигателем, работающим между этими двумя температурами. Более того, все двигатели, в которых используются только обратимые процессы, имеют одинаковую максимальную эффективность при работе между одинаковыми заданными температурами.
КПД
Цикл Карно состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов. Напомним, что и изотермические, и адиабатические процессы в принципе обратимы.
PV-диаграмма для цикла Карно : PV-диаграмма для цикла Карно, использующая только обратимые изотермические и адиабатические процессы. Передача тепла Qh в рабочее тело происходит на изотермическом пути AB, который происходит при постоянной температуре Th. Теплоотдача Qc происходит из рабочего тела на изотермическом пути CD, который происходит при постоянной температуре Tc.Выход сети W равен площади внутри пути ABCDA. Также показана схема двигателя Карно, работающего между горячим и холодным резервуарами при температурах Th и Tc.
Карно также определил эффективность идеального теплового двигателя, то есть двигателя Карно. Всегда верно, что эффективность циклической тепловой машины определяется следующим образом: [latex] \ text {Eff} = \ frac {\ text {Q} _ \ text {h} — \ text {Q} _ \ text {c }} {\ text {Q} _ \ text {h}} = 1- \ frac {\ text {Q} _ \ text {c}} {\ text {Q} _ \ text {h}} [/ latex] .
Карно обнаружил, что для идеального теплового двигателя отношение Q _c / Q _h равно отношению абсолютных температур тепловых резервуаров.То есть Q _c / Q _h = T _c / T _h для двигателя Карно, так что максимальная эффективность Карно Eff _C определяется как [латекс] \ text {Eff } _ \ text {c} = 1- \ frac {\ text {T} _ \ text {c}} {\ text {T} _ \ text {h}} [/ latex], где T _h и T _c в кельвинах. (Вывод формулы немного выходит за рамки этого атома.) Никакая настоящая тепловая машина не может работать так же хорошо, как КПД Карно — фактический КПД около 0,7 от этого максимума обычно является лучшим, что может быть достигнуто.
Тепловые насосы и холодильники
Тепловой насос — это устройство, которое передает тепловую энергию от источника тепла к радиатору против перепада температур.
Цели обучения
Объясните, как компоненты теплового насоса вызывают передачу тепла от холодного резервуара к горячему резервуару
Основные выводы
Ключевые моменты
Тепловой насос предназначен для передачи тепла Qh в теплую среду, например в дом зимой.
Задача кондиционеров и холодильников заключается в том, чтобы передача тепла Qc происходила из прохладной окружающей среды, например, охлаждение комнаты или хранение продуктов при более низких температурах, чем температура окружающей среды.
Тепловой насос можно использовать как для обогрева, так и для охлаждения помещения. По сути, это кондиционер и обогреватель в одном устройстве. Это стало возможным за счет изменения направления потока хладагента и изменения направления полезной теплопередачи.
Ключевые термины
CFC : органическое соединение, которое обычно использовалось в качестве хладагента.Больше не используется из-за разрушения озонового слоя.
Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют передачу тепла от холода к горячему. Передача тепла (Q _c) происходит из холодного резервуара в горячий. Для этого требуется рабочая мощность W, которая также преобразуется в теплопередачу. Таким образом, теплопередача к горячему резервуару составляет Q _h = Q _c + W. Задача теплового насоса заключается в передаче тепла Q _h в теплую среду, например в дом зимой.Задача кондиционеров и холодильников заключается в том, чтобы передача тепла Q _c происходила из прохладной окружающей среды, такой как охлаждение комнаты или хранение продуктов при более низких температурах, чем температура окружающей среды. Фактически, тепловой насос можно использовать как для обогрева, так и для охлаждения помещения. По сути, это кондиционер и обогреватель в одном устройстве. В этом разделе мы сконцентрируемся на его режиме нагрева.
Тепловые насосы
В основном тепловом насосе используется рабочая жидкость, например хладагент, не содержащий CFC.Основными компонентами теплового насоса являются конденсатор, расширительный клапан, испаритель и компрессор. В наружных змеевиках (испарителе) теплоотдача Q _c происходит к рабочему телу от холодного наружного воздуха, превращая его в газ. 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, происходит передача тепла в комнату, и газ конденсируется в жидкость.Затем жидкость течет обратно через редукционный клапан к змеевикам испарителя наружного блока, охлаждаясь за счет расширения. (В цикле охлаждения змеевики испарителя и конденсатора меняются ролями, и направление потока жидкости меняется на противоположное.)
Простой тепловой насос : Простой тепловой насос состоит из четырех основных компонентов: (1) конденсатор, (2) расширительный клапан, (3) испаритель и (4) компрессор.
Коэффициент полезного действия
О качестве теплового насоса судят по тому, сколько тепла Q _h происходит в теплое пространство по сравнению с тем, сколько работы W требуется.Мы определяем КПД теплового насоса (COP _л.с.) равным
.
[латекс] \ text {COP} _ {\ text {hp}} = \ frac {\ text {Q} _ \ text {h}} {\ text {W}} [/ latex].
Поскольку КПД теплового двигателя составляет Eff = W / Q _h, мы видим, что COP _л.с. = 1/ Eff . Поскольку КПД любого теплового двигателя меньше 1, это означает, что COP _л.с. всегда больше 1, то есть тепловой насос всегда имеет большую теплопередачу Q _ч, чем вложенные в него работы.Еще один интересный момент заключается в том, что тепловые насосы лучше всего работают при небольших перепадах температур. КПД идеального двигателя (или двигателя Карно) составляет
.
[латекс] \ text {Eff} _ \ text {C} = 1 \ frac {\ text {T} _ \ text {c}} {\ text {T} _ \ text {h}} [/ latex];
таким образом, чем меньше разница температур, тем меньше КПД и больше КПД _л.с..
Кондиционеры и холодильники
Кондиционеры и холодильники предназначены для охлаждения чего-либо в теплой среде.Как и в случае с тепловыми насосами, для передачи тепла от холодного к горячему требуется дополнительная работа. О качестве кондиционеров и холодильников судят по тому, какая теплоотдача Q _c происходит из холодной окружающей среды по сравнению с тем, сколько работы W требуется. То, что считается преимуществом теплового насоса, в холодильнике считается отработанным теплом. Таким образом, мы определяем коэффициент полезного действия (COP _ref) кондиционера или холодильника как
.
[латекс] \ text {COP} _ {\ text {ref}} = \ frac {\ text {Q} _ \ text {c}} {\ text {W}} [/ latex].
Поскольку Q _h = Q _c + W и COP _л.с. = Q _h / W, мы получаем, что
[латекс] \ text {COP} _ {\ text {ref}} = \ text {COP} _ {\ text {hp}} -1 [/ латекс].
Кроме того, из Q _h> Q _c мы видим, что кондиционер будет иметь более низкий коэффициент полезного действия, чем тепловой насос.
Тепловые двигатели и холодильники
Тепловые двигатели и холодильники
Тепловые двигатели и холодильники
Для преобразования тепла в работу нужно как минимум два места с разными температурами.Если взять Q _high at температура T _{высокая} вы должны сбросить не менее Q _низкая при температура T _низкая. Объем работы, которую вы получаете от тепловой двигатель W = Q _{высокий} — Q _низкий. Максимальный объем работы, которую вы можете получить тепловая машина — это сумма, которую вы получаете из реверсивного двигателя.
W _макс = (Q _{высокий} — Q _низкий) _{двусторонний} = Q _{высокий} — Q _{высокий} T _низкий / T _{высокий} = Q _{высокий} (1 — T _низкий / T _{высокий}).
W положительно, если T _high больше, чем T _low.
КПД тепловой машины — отношение полученной работы к вложенной тепловой энергии при высоком температура, e = W / Q _{высокая}. Максимально возможное КПД е _max такого двигателя
e _макс = W _макс / Q _{высокий} = (1 — T _низкий / T _{высокий}) = (T _{высокий} — T _низкий) / T _{высокий}.
Паровые двигатели
Паровая машина — это разновидность тепловой машины. Отнимает тепло от горячий пар преобразует часть этого тепла в полезную работу и сбрасывает отдыхать в более холодном окружающем воздухе. Максимальная доля тепла которые можно превратить в работу, можно найти с помощью законов термодинамики, и она увеличивается с разницей температур между горячий пар и окружающий воздух. Чем горячее пар и чем холоднее воздух, тем эффективнее паровой двигатель перерабатывает тепло в работу.
В типичном паровом двигателе поршень движется вперед и назад внутри цилиндр. Горячий пар высокого давления вырабатывается в котле, и этот пар поступает в цилиндр через клапан. Оказавшись внутри цилиндр, пар выталкивается наружу на всех поверхностях, включая поршень. Поршень движется. Пар выполняет механическую работу на поршень и поршень выполняют механическую работу с прикрепленным оборудованием к нему. Расширяющийся пар передает часть своей тепловой энергии на это оборудование, поэтому пар становится холоднее во время работы оборудования.
Когда поршень достигает конца своего диапазона, клапан останавливает поток пара и открывает цилиндр для наружного воздуха. В поршень может легко вернуться в исходное положение. Во многих случаях пар может введите другой конец цилиндра, чтобы пар толкал поршень обратно в исходное положение. Как только поршень вернется в исходное положение начальная точка, клапан снова пропускает пар высокого давления в цилиндр и весь цикл повторяется. В целом тепло течет от горячего котла к более прохладному окружающему воздуху и некоторой части этого тепла превращается в механическую работу движущимся поршнем.В максимальный КПД паровой машины e _max = (T _пар — Т _воздух) / Т _пар. Фактическая эффективность обычно намного ниже.
Ссылка: Паровоз (Youtube)
Задача:
Какой максимум возможный КПД паровой машины, забирающей тепло при температуре 100 ^o C и сбросив его при комнатной температуре примерно 20 ^o ° C?
Решение:
Рассуждение:
Максимальный КПД любого теплового двигателя — это двигатель Карно.e _макс. = (T _{высокий} — T _низкий) / T _{высокий}.
Детали расчета:
100 ^o C = 373 K и 20 ^o C = 293 К. максимально возможный КПД
(T _{высокий} — T _низкий) / T _{высокий} = (373 — 293) / 373 = 0,21 = 21%.
Двигатели внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания сжигает смесь топлива и воздуха. Самый распространенный тип — четырехтактный двигатель. Поршень скользит внутрь и из цилиндра. Два или более клапана позволяют подавать топливо и воздух поступает в цилиндр и газы, которые образуются, когда топливо и воздух сжечь, чтобы покинуть цилиндр. Когда поршень скользит вперед и назад внутри цилиндра объем, который могут занимать газы, изменяется кардинально.
Процесс преобразования тепла в работу начинается, когда поршень вытащили из цилиндра, расширив замкнутое пространство и позволив топливо и воздух поступают в это пространство через клапан.Это движение называется тактом впуска или ходом впуска . Далее топливо и воздушная смесь сжимается, вдавливая поршень в цилиндр. Это называется сжатием . ход . В конце такта сжатия с топливо и воздушная смесь сжимаются максимально плотно, свеча зажигания на запечатанном конце цилиндра загорается и воспламеняется смесь. Горячее горючее оказывает огромное давление и толкает поршень. из цилиндра.Этот рабочий ход — это то, что обеспечивает мощность двигателя и навесного оборудования. Наконец, сгоревший газ выдавливается из баллона через другой клапан на выпуске такт . Эти четыре удара повторяются снова и снова. Самый внутренний двигатели внутреннего сгорания имеют не менее четырех цилиндров и поршней. Там всегда по крайней мере один цилиндр проходит рабочий такт, и он может нести другие цилиндры посредством несильных ходов.В максимальный КПД такого двигателя составляет е _макс = (Т _{зажигание} — Т _воздух) / Т _{зажигание} где Т _{зажигание} — температура топливовоздушной смеси после воспламенения. К максимизируйте эффективность использования топлива, вы должны создать максимально горячий топливно-воздушная смесь после зажигания. Наивысшая эффективность, имеющая Достигнуто примерно 50% от e _max.
Ссылка: интегральное сгорание двигатель (Youtube)
Задача:
Тепловой двигатель поглощает 360 Дж тепловой энергии и выполняет 25 Дж работы в каждый цикл.Найти
(а) КПД двигателя и
(б) тепловая энергия, выделяемая в каждом цикле.
Решение:
Рассуждение:
Объем работы, который вы получаете от теплового двигателя, составляет W = Q _{высокий} — Q _низкий.
КПД e = W / Q _high.
Детали расчета:
Q _{высокий} = 360 Дж. W = 25 Дж. Q _низкий = Q _{высокий} — W = 335 Дж.
(a) КПД e = W / Q _high = 6,9%.
(b) Выбрасываемая тепловая энергия Q _low = 335 Дж.
Тепло не может само по себе течь от холодного к горячему объекту — это один из способов заявить второй закон термодинамики. Если бы это было возможно, то тепло сбрасывалось на уровне T _low может просто стекать обратно в резервуар при T _high и нетто эффектом будет количество тепла ΔQ = Q _{высокое} — Q _низкое взято на T _high и преобразовано в работу без каких-либо других изменения в системе.
Предположим, вы хотите получить тепло от места с T _low и сбросить это в месте с более высокой температурой T _high. Ты хочешь построить холодильник или кондиционер . Для такое устройство мы определяем коэффициент производительность COP как отношение количества тепла, отведенного при более низкая температура для работы, вложенной в систему (т. е. двигатель).
COP = Q _низкий / (- W) = Q _низкий / (Q _{высокий} — Q _низкий).
Максимально возможный коэффициент полезного действия
COP _макс = Q _низкий / (Q _{высокий} — Q _низкий) _max = Q _низкий / (Q _низкий (T _{высокий} / T _низкий) _{— Q _низкий) = T _низкий / (T _{высокий} — Т _низкий),}
, если у нас есть реверсивный двигатель, перемещающий тепло. Для настоящего двигатель Q _{высокий} больше, чем Q _низкий T _{высокий} / T _низкий, и коэффициент полезного действия меньше.
Для холодильника, поддерживающего внутреннюю температуру 4 ^o C = 277 K в помещении при температуре 22 ^o C = 299 K наилучшее возможное КПД составляет КС _макс = 277 / (299 — 277) = 12.6. Наилучшее соотношение количества отводимого тепла к проделанная работа 12.6. Тепло не может течь изнутри обычного холодильник в более теплую комнату, если мы не подключим электродвигатель который действительно работает с хладагентом.
Кондиционер — это холодильник, внутри которого находится охлаждаемое помещение (T _{помещение} = T _низкий), и чья снаружи большая на открытом воздухе (T _{снаружи} = T _{высокий}). Кондиционер использует материал называется «рабочая жидкость» для передачи тепла изнутри комнаты в свежий воздух. Рабочая жидкость — это материал, преобразующий легко из газа в жидкость и наоборот в широком диапазоне температуры и давления.Эта рабочая жидкость движется через три основных компонента кондиционера, компрессор , конденсатор , и испаритель в непрерывном цикле.
Рабочая жидкость поступает в испаритель внутри помещения в виде жидкость под низким давлением примерно при температуре наружного воздуха.
Испаритель обычно представляет собой змеевидную трубу. Жидкость немедленно начинает испаряться и превращается в газ.В процессе Таким образом, он использует свою тепловую энергию, чтобы отделить молекулы от одной другой и становится очень холодно. Тепло течет из комнаты в этот холодный газ. Рабочая жидкость покидает испаритель в виде газ низкого давления немного ниже комнатной температуры и направляется в сторону компрессор.
Попадает в компрессор как газ низкого давления. примерно при комнатной температуре. Компрессор сжимает молекулы этого газа ближе друг к другу, увеличивая плотность и давление газа. Поскольку сжатие газа требует физической работы, компрессор передает энергия поступает к рабочему телу, и эта жидкость становится горячее. В рабочая жидкость покидает компрессор в виде газа под высоким давлением значительно выше температура наружного воздуха.
Затем рабочая жидкость поступает в конденсатор снаружи, который обычно представляет собой змеевидную трубу. Поскольку жидкость горячее окружающего воздуха, тепло выходит из жидкость и в воздух. Затем жидкость начинает конденсироваться в жидкость, и она отдает дополнительную тепловую энергию при конденсации. Эта дополнительная тепловая энергия также попадает в наружный воздух в виде тепла. Рабочее тело покидает конденсатор в виде жидкости высокого давления при примерно температура наружного воздуха. Затем он проходит через сужение патрубка в испаритель. Когда жидкость уходит через сужение в трубе давление падает, и он попадает в испаритель как жидкость низкого давления. Цикл повторяется.
В целом тепло отводится из помещения и доставляется в наружный воздух.Компрессор при этом потребляет электроэнергию. процесс, и эта энергия также становится тепловой энергией в наружном воздухе. Максимальный коэффициент такого кондиционера — КС _макс = Т _{комната} / (Т _{снаружи} — Т _{комната}). По такому же принципу работают холодильники и тепловые насосы.
Тепловой насос — это холодильник, внутри находится большое пространство на открытом воздухе, а снаружи — обогреваемое помещение.В КПД теплового насоса — это отношение переданной энергии при более высокой температуре к работе, введенной в систему, COP = Q _high / (Q _high — Q _низкий). Наилучший возможный коэффициент полезного действия —
.
COP _макс. (тепловой насос) = (Q _high / (Q _high — Q _низкий)) _макс
= T _{высокая} / (T _{высокая} — T _низкая) = T _{комната} / (T _{комната} — Т _{снаружи})
Если наружная температура составляет 41 ^o F = 5 ^o C = 278 K и температура в помещении 77 ^o F = 25 ^o C = 298K, тогда COP _макс. = 298 / (298 — 278) = 14.9. Однако, если наружная температура упадет до 14 ^o F = -10 ^o C = 263 K, тогда E _max = 298 / (298 — 263) = 8,5.
Примечание: КПД для холодильника / кондиционера и КПД теплового насоса определяются по-разному. Для холодильник нас интересует сколько тепла он отводит от холода резервуар для заданного объема работы внешних сил в системе, для тепла Насос нас интересует, сколько тепла он отдает за заданный объем работы сделано внешними силами в системе.
Ссылка: холодильный цикл (Youtube)
Задача:
Какой коэффициент полезного действия у холодильника, работающего с КПД Карно при температурах от -3 ^o C до 27 ^o C?
Решение:
Рассуждение:
Для холодильника COP _max = T _низкий / (T _{высокий} — T _низкий).
Детали расчета:
Наилучший возможный коэффициент полезного действия
COP _макс. = T _низкий / (T _{высокий} — T _низкий) = 270 / (300 — 270) = 9.
Проблема:
Холодильник имеет коэффициент полезного действия, равный 5. Если холодильник поглощает 120 Дж тепловой энергии из холодного резервуара в каждом цикл, найти
(а) работа, выполненная в каждом цикле, и
(б) тепловая энергия, отводимая в горячий резервуар.
Решение:
Рассуждение:
Для холодильника коэффициент полезного действия COP = Q _низкий / (- Вт).
Детали расчета:
(a) COP = Q _low / (- W).(-W) = Q _низкий / COP = 120/5 Дж = 24 J.
Работа ведется по системе. Заказанная (электрическая) энергия превращается в тепловую энергию.
(b) (-W) = 24 Дж = Q _{высокий} — Q _низкий. Q _{высокий} = 24 Дж + 120 Дж = 144 Дж.
Модуль 10: Вопрос 2
Выходная мощность теплового насоса больше, чем энергия, используемая для работы насос. Почему это утверждение не нарушает первый закон термодинамика?
Обсудите это со своими однокурсниками на дискуссионном форуме!
Тепловые двигатели — обзор
3.15.6.1 Микротепловые двигатели
Тепловой двигатель можно определить как устройство, преобразующее тепловую энергию в работу. Тепловая энергия возникает из-за разницы температур, обеспечиваемой горячим и холодным резервуарами. Тепловой двигатель использует эту разницу в термодинамическом цикле. Следовательно, существует много типов циклов и тепловых двигателей, таких как цикл Брайтона (газотурбинный двигатель) и цикл Отто (поршневой двигатель с искровым зажиганием). Многие тепловые двигатели используют камеру сгорания в качестве источника горячего резервуара, и в последнее время были предприняты попытки миниатюризировать эти системы для портативных энергетических приложений.Камеры сгорания для тепловых двигателей должны будут обеспечивать систему газом с высокой энтальпией, а не терять тепло через конструкцию.
Цикл Брайтона или газотурбинный двигатель, если он миниатюризирован, может использоваться как для портативного источника энергии путем интеграции генератора с системой, так и в качестве турбореактивного двигателя для небольшого самолета (Epstein et al. 1997, Groshenry 1995) . Этот тип устройства потребует, чтобы микрокомпенсатор был интегрирован с вращающимся микромасштабным компрессором и турбиной.Эта камера сгорания должна будет принимать воздух под высоким давлением от компрессора и смешивать и сжигать топливо, в результате чего в турбину подается высокоэнтальпийный флюид для рабочего отвода. Важно отметить, что камера сгорания для этой системы должна обеспечивать этот высокоэнтальпийный газ с минимальными тепловыми потерями в конструкции. Пример конструкции микрогазовой турбины показан на Рис. 27 .
Рис. 27. Схема базового микрогазотурбинного двигателя. (Источник: Spadaccini C M 2004 Системы сгорания для силовых МЭМС-приложений.Кандидат наук. thesis, Массачусетский технологический институт.)
Были протестированы и другие конфигурации микрокомпьютера для циклов Брайтона, помимо радиальной компоновки, показанной на рис. 27 . К ним относятся малогабаритные канистры с традиционной механической обработкой. В этих конструкциях эффективность сгорания более 99% была достигнута с водородным топливом в камере размером 2 см ³ и с метаном в камере размером 15 см ³. Также было показано, что канистровые устройства имеют меньшие тепловые потери по сравнению с радиальной конструкцией аналогичного размера (Isomura et al. 2002, Takahashi et al. 2002).
Микромасштабные устройства цикла Отто также были исследованы. Ранние попытки внедрения этих систем обычно включали конструкцию со свободным поршнем с системой искрового зажигания на обоих концах цилиндра. Когда происходит возгорание, горячие газы сгорания расширяются, перемещая поршень к другому концу цилиндра, что приводит к механической работе. Опять же, этот тип системы сгорания потребует, чтобы энтальпия сохранялась в газе и преобразовывалась в работу, а не терялась через структуру (Lee et al. 2002, Park et al. 2002).
Другой микротепловой двигатель с циклом Отто, который находится в стадии разработки, — это микроторный двигатель или микродвигатель Ванкеля. В этом типе устройства нет возвратно-поступательного компонента, а есть вращающийся набор из трех камер сгорания. Обычно ротор имеет треугольную форму и вращается в корпусе овальной формы, образуя три различных объема газа. Из-за геометрии ротора и корпуса объем каждой камеры изменяется при вращении ротора.Одна из этих камер будет иметь минимальный объем и сжатый газ. Затем в этот объем впрыскивается топливо и зажигается. Объем газа расширяется, вызывая вращение ротора. Подобно поршневому двигателю и газовой турбине, камера сгорания роторного двигателя обеспечивает высокоэнтальпийную жидкость для привода системы, при этом тепловые потери через структуру являются основным механизмом потерь (Fernandez-Pello et al.

№ п/п	Вопросы	Время (минут)
1	Показать необходимость применения тепловых машин в современных условиях.	2
2	Повторение понятия «тепловой машины». Виды тепловых машин: ДВС (карбюраторный, дизельный), паровая и газовая турбины, турбореактивный и ракетный двигатели.	7
3	Объяснение нового теоретического материала. Схема и устройство тепловой машины, принцип работы, КПД. Цикл Карно, идеальная тепловая машина, её КПД. Сравнение КПД реальной и идеальной тепловой машины.	15
4	Решение задачи № 703 (Степанова), № 525 (Бендриков).	8
5	Выполнение компьютерного теста по теме. Работа с моделью тепловой машины.	8
6	Подведение итогов. Домашнее задание § 33, задачи № 700 и № 697 (Степанова)	5

Наименование величина	Обозначение	Единица измерения	Формула
Относительная молекулярная масса	M r (эм эр)	безразмерная величина
Масса одной молекулы (атома)	m 0	кг
Масса	m	кг
Молярная масса	M
Количество вещества	ν (ню)	моль (моль)	;
Число частиц	N (эн)	безразмерная величина
Давление	p (пэ)	Па (паскаль)
Концентрация	n (эн)
Объём	V (вэ)
Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы		Дж (джоуль)
Температура по шкале Цельсия	t	°C
Температура по шкале Кельвина	T	К (кельвин)
Средняя квадратичная скорость молекул
Поверхностное натяжение	σ (сигма)
Абсолютная влажность	ρ (ро)
Относительная влажность	φ (фи)	%
Внутренняя энергия	U (у)	Дж (джоуль)
Работа	А (а)	Дж (джоуль)
Количество теплоты	Q (ку)	Дж (джоуль)