Vikupautomsk.ru

Выкуп Авто МСК
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Тепловой двигатель

Тепловой двигатель. Второй закон термодинамики.

Тепловой двигатель (машина)

Тепловой двигатель (машина) – это устройство, которое совершает механическую работу циклически за счет энергии, поступающей к нему в ходе теплопередачи.

Источником поступающего количества теплоты в реальных двигателях могут быть сгорающее органическое топливо, разогретый Солнцем котел, ядерный реактор, геотермальные воды и т.д.

В настоящее время наиболее распространены два типа двигателей: поршневой двигатель внутреннего сгорания (сухопутный и водный транспорт) и паровая или газовая турбина (энергетика).

Первые тепловые двигатели, широко распространившиеся в промышленности, назывались паровыми машинами. К современным тепловым двигателям можно отнести ракетные и авиационные двигатели.

Модель теплового двигателя и ее составные части

В теоретической модели теплового двигателя рассматриваются три тела: нагреватель, рабочее тело и холодильник.

Нагреватель – тепловой резервуар (большое тело), температура которого постоянна.

В каждом цикле работы двигателя рабочее тело получает некоторое количество теплоты от нагревателя, расширяется и совершает механическую работу. Передача части энергии, полученной от нагревателя, холодильнику необходима для возвращения рабочего тела в исходное состояние.

Так как в модели предполагается, что температура нагревателя и холодильника не меняется в ходе работы теплового двигателя, то при завершении цикла: нагревание-расширение-остывание-сжатие рабочего тела считается, что машина возвращается в исходное состояние.

Для каждого цикла на основании первого закона термодинамики можно записать, что количество теплоты Qнагр, полученное от нагревателя, количество теплоты |Qхол|, отданное холодильнику, и совершенная рабочим телом работа А связаны между собой соотношением:

В реальных технических устройствах, которые называются тепловыми машинами, рабочее тело нагревается за счет тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Так, в паровой турбине электростанции нагревателем является топка с горячим углем. В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) продукты сгорания можно считать нагревателем, а избыток воздуха – рабочим телом. В качестве холодильника в них используется воздух атмосферы или вода природных источников.

КПД теплового двигателя (машины)

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД) называется отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше единицы и выражается в процентах. Невозможность превращения всего количества теплоты, полученного от нагревателя, в механическую работу является платой за необходимость организации циклического процесса и следует из второго закона термодинамики.

В реальных тепловых двигателях КПД определяют по экспериментальной механической мощности N двигателя и сжигаемому за единицу времени количеству топлива. Так, если за время t сожжено топливо массой m и удельной теплотой сгорания q, то

Для транспортных средств справочной характеристикой часто является объем V сжигаемого топлива на пути s при механической мощности двигателя N и при скорости . В этом случае, учитывая плотность r топлива, можно записать формулу для расчета КПД:

Второй закон термодинамики

Существует несколько формулировок второго закона термодинамики. Одна из них гласит, что невозможен тепловой двигатель, который совершал бы работу только за счет источника теплоты, т.е. без холодильника. Мировой океан мог бы служить для него, практически, неисчерпаемым источником внутренней энергии (Вильгельм Фридрих Оствальд, 1901).

Другие формулировки второго закона термодинамики эквивалентны данной.

Формулировка Клаузиуса (1850): невозможен процесс, при котором тепло самопроизвольно переходило бы от тел менее нагретых к телам более нагретым.

Формулировка Томсона (1851): невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет уменьшения внутренней энергии теплового резервуара.

Формулировка Клаузиуса (1865): все самопроизвольные процессы в замкнутой неравновесной системе происходят в таком направлении, при котором энтропия системы возрастает; в состоянии теплового равновесия она максимальна и постоянна.

Формулировка Больцмана (1877): замкнутая система многих частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное. Невозможен самопроизвольный выход системы из положения равновесия. Больцман ввел количественную меру беспорядка в системе, состоящей из многих тел – энтропию.

КПД теплового двигателя с идеальным газом в качестве рабочего тела

Если задана модель рабочего тела в тепловом двигателе (например, идеальный газ), то можно рассчитать изменение термодинамических параметров рабочего тела в ходе расширения и сжатия. Это позволяет вычислить КПД теплового двигателя на основании законов термодинамики.

На рисунке показаны циклы, для которых можно рассчитать КПД, если рабочим телом является идеальный газ и заданы параметры в точках перехода одного термодинамического процесса в другой.

Читать еще:  Что такое полезная мощность двигателя автомобиля

Изобарно-изохорный

Изохорно-адиабатный

Изобарно-адиабатный

Изобарно-изохорно-изотермический

Изобарно-изохорно-линейный

Цикл Карно. КПД идеального теплового двигателя

Наибольшим КПД при заданных температурах нагревателя Tнагр и холодильника Tхол обладает тепловой двигатель, где рабочее тело расширяется и сжимается по циклу Карно (рис. 2), график которого состоит из двух изотерм (2–3 и 4–1) и двух адиабат (3–4 и 1–2).

Теорема Карно доказывает, что КПД такого двигателя не зависит от используемого рабочего тела, поэтому его можно вычислить, используя соотношения термодинамики для идеального газа:

Экологические последствия работы тепловых двигателей

Интенсивное использование тепловых машин на транспорте и в энергетике (тепловые и атомные электростанции) ощутимо влияет на биосферу Земли. Хотя о механизмах влияния жизнедеятельности человека на климат Земли идут научные споры, многие ученые отмечают факторы, благодаря которым может происходить такое влияние:

  1. Парниковый эффект – повышение концентрации углекислого газа (продукт сгорания в нагревателях тепловых машин) в атмосфере. Углекислый газ пропускает видимое и ультрафиолетовое излучение Солнца, но поглощает инфракрасное излучение, идущее в космос от Земли. Это приводит к повышению температуры нижних слоев атмосферы, усилению ураганных ветров и глобальному таянию льдов.
  2. Прямое влияние ядовитых выхлопных газов на живую природу (канцерогены, смог, кислотные дожди от побочных продуктов сгорания).
  3. Разрушение озонового слоя при полетах самолетов и запусках ракет. Озон верхних слоев атмосферы защищает все живое на Земле от избыточного ультрафиолетового излучения Солнца.

Выход из создающегося экологического кризиса лежит в повышении КПД тепловых двигателей (КПД современных тепловых машин редко превышает 30%); использовании исправных двигателей и нейтрализаторов вредных выхлопных газов; использовании альтернативных источников энергии (солнечные батареи и обогреватели) и альтернативных средств транспорта (велосипеды и др.).

Что представляет собой тепловой двигатель

§ 31. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ.

Устройства, преобразующие часть внутренней энергии тел в механическую энергию, называют тепловыми двигателями.

Считается, что первым тепловым двигателем была игрушка, изобретённая около 2000 лет тому назад древнегреческим учёным Героном Александрийским, состоявшая из полой сферы с двумя загнутыми трубками, из которых вырывался разогретый пар, в результате чего сфера вращалась (рис. 31а). Пар подавался через специальные трубки в сферу из находящегося под ней сосуда, где кипела вода. Работу по вращению сферы производил пар, расширяясь и остывая.

Атмосфера — самый крупный тепловой двигатель на Земле. Солнце неодинаково нагревает различные участки поверхности Земли, и поэтому температура воздуха у земли тоже разная, в результате чего в атмосфере образуются зоны высокого и низкого давления, между которыми дуют ветра. Таким образом, ветер возникает из-за того, что часть количества теплоты, которую остывающая земля отдаёт воздуху, преобразуется в механическую энергию его движения.

Самыми распространёнными тепловыми двигателями являются бензиновые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), работа которых представляет собой повторяющийся процесс (цикл), состоящий из четырёх более коротких процессов, или тактов (рис. 31б). Во время одного из тактов (№3) горючая смесь паров бензина и воздуха, сжатая в цилиндре, воспламеняется электрической искрой, в результате чего температура и давление газовой смеси над поршнем возрастают, поршень начинает двигаться вниз, а газ, расширяясь, совершает работу, раскручивая массивное колесо маховика коленчатого вала. Во время следующего такта (№4) вращающийся по инерции маховик через кривошипно-шатунный механизм двигает поршень вверх, выталкивая продукты сгорания через выхлопной клапан. Энергии маховика хватает и на два следующих такта (№1 и №2), когда поршень сначала, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр очередную порцию горючей смеси, а потом сжимает её, после чего она воспламеняется, и цикл повторяется вновь.

Бензиновый ДВС, изобретённый Н. Отто, оказался недостаточно мощным, и в 1892 году Р. Дизель разработал двигатель, работающий на смеси нефтяных масел и воздуха, обладающий большей мощностью, который впоследствии был назван его именем. Работа дизельного ДВС отличается от бензинового только тем, что воспламенение смеси дизельного топлива и воздуха происходит без электрической искры, а в результате повышения температуры горючей смеси при сжатии. Количество теплоты, выделяющееся при горении дизельного топлива, больше, чем при горении такого же объёма бензина, а цена меньше. Поэтому наиболее мощные ДВС работают на дизельном горючем. Однако продукты горения дизельного топлива содержат гораздо больше экологически вредных веществ.

Читать еще:  Двигатель 2 5 tdi давление масла

Работа тепловых двигателей содержит следующие общие для всех них черты:

(1) чтобы двигатель совершил цикл своей работы, ему надо передать некоторое количество теплоты, Q 1 ,

(2) внутри двигателя расширяется газ, совершающий работу A 1 ; этот газ называют рабочим телом,

(3) чтобы рабочее тело стало расширяться, его необходимо нагреть до температуры, которую называют температурой нагревателя, Т 1 ,

(4) рабочее тело, расширяясь, охлаждается до температуры, которую называют температурой холодильника, Т 2 (Т2 охлаждаясь до температуры холодильника, рабочее тело отдаёт ему количество теплоты Q 2 ( Q 2 Q 1 ).

Завершая каждый цикл работы, рабочее тело двигателя возвращается в исходное состояние, получив от нагревателя количество теплоты Q 1 , отдав холодильнику — Q 2 и совершив работу A 1 . Так как внутренняя энергия рабочего тела в исходных состояниях одна и та же, то согласно первому закону термодинамики (30.2)

Таким образом, тепловой двигатель преобразует в работу только часть теплоты, полученной от нагревателя. Отношение работы, совершённой двигателем к количеству теплоты, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия (КПД), h . Французский физик С. Карно доказал, что

где в правой части стоит КПД идеального теплового двигателя.

Вопросы для повторения:

· Какие двигатели называют тепловыми?

· Опишите работу ДВС.

· Что такое КПД, и какова его максимальная величина?

Рис. 31. (а) – паровая машина Герона Александрийского; (б) – схематическое изображение четырёх тактов работы бензинового ДВС.

II. Молекулярная физика

Тестирование онлайн

Тепловой двигатель

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

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

Прямой цикл теплового двигателя

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

Обратный цикл холодильной машины

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

Коэффициент полезного действия

Прямой цикл:

Показатель эффективности холодильной машины:

Цикл Карно

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

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

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

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

Читать еще:  Где у авео т300 температура двигателя

Функционирует такой двигатель следующим образом:

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

КПД цикла Карно не зависит от вида рабочего тела

для холодильной машины

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

Тепловые двигатели

Развитие техники во многом зависит от умения как можно более полно использовать те запасы внутренней энергии, которые содержатся в топливе.

Использовать внутреннюю энергию — значит совершить полезную работу, например переместить поршень, поднять груз и т. д.

Проделаем опыт. Нальем в пробирку немного воды, затем плотно закроем ее пробкой и нагреем воду до кипения. Под давлением образовавшегося пара пробка выскочит и поднимется вверх. Сначала в этом опыте энергия топлива перешла во внутреннюю энергию пара. Затем пар, расширяясь, совершил работу — поднял пробку.

Если мы заменим пробирку прочным металлическим цилиндром, а пробку — плотно пригнанным поршнем, способным двигаться внутри цилиндра, то получим простейший тепловой двигатель.

Тепловым двигателем называют устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива.

Существуют разные виды тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, газовая и паровая турбины, реактивный двигатель. В каждом из них энергия топлива сначала переходит в энергию газа (или пара), который затем, расширяясь, совершает работу. В процессе совершения этой работы часть внутренней энергии газа превращается в механическую энергию движущихся частей двигателя.

Совершая работу, тепловой двигатель использует лишь некоторую часть той энергии, которая выделяется при сгорании топлива.

Физическая величина, показывающая, какую долю составляет совершаемая двигателем работа от энергии, полученной при сгорании топлива, называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя.

КПД теплового двигателя находят по формуле

где Q — количество теплоты, полученное в результате сгорания топлива; А — работа, совершаемая двигателем.

В результате того, что А всегда меньше Q, коэффициент полезного действия любою теплового двигателя оказывается меньше 100 %.

Первые тепловые двигатели были построены в конце XVIII в. Это были паровые машины.

Основной частью паровой машины является цилиндр, внутри которого находится поршень. Поршень приводится в движение паром, который поступает из парового котла.

Первая универсальная паровая машина была построена английским изобретателем Джеймсом Уаттом. Начиная с 1768 г. на протяжении многих лет он занимался усовершенствованием ее конструкции. При поддержке крупного промышленника Болтона за десять лет в период с 1775 по 1785 г. фирма Уатта построила 66 паровых машин: из них 22 для медных рудников, 17 для металлургических заводов, 7 для водопроводов, 5 для каменноугольных шахт и 2 для текстильных фабрик. За следующее десятилетие той же фирмой было поставлено уже 144 такие машины.

Изобретение паровой машины сыграло огромную роль в переходе к машинному производству. Недаром на памятнике Уатту написано: «Увеличил власть человека над природой».

1. Приведите примеры превращения внутренней энергии пара в механическую энергию тела. 2. Что называют тепловым двигателем? 3. Назовите виды тепловых двигателей. 4. Что называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя? 5. Кто изобрел паровую машину?

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector