Какое преобразование энергии характерно для теплового двигателя

Тепловые двигатели

Тепловой двигатель – это устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу.

Иногда дается такое определение:

Тепловой двигатель преобразует внутреннюю энергию рабочего тела в механическую.

Итак, для теплового двигателя необходимо рабочее тело (газ или пар), нагреватель. Кроме того, в системе должна быть разница температур, чтобы рабочее тело, после совершения работы, могло отдать теплоту; то есть кроме нагревателя, нужен холодильник.

Классификация тепловых двигателей

Различие между теплотой и внутренней энергией условно, оно принято в термодинамике, отражает специфику рассматриваемых этой наукой объектов. Если пар в котле нагревается внешним источником, или система охлаждается, отдавая тепло в окружающую среду, то говорят о поступающей извне или отдаваемой в окружающую среду теплоте. Если в цилиндре воспламеняется бензин, и расширяющийся газ толкает поршень, то говорят о преобразовании внутренней энергии рабочего тела.

В связи с этим термодинамике принята классификация устройств:

  1. Двигатели внешнего сгорания, преобразующие внешнюю теплоту (паровая машина, паровая турбина)
  2. Двигатели внутреннего сгорания, преобразующие внутреннюю энергию топлива (ДВС, реактивный двигатель)

Первый двигатель внешнего сгорания был изобретен в древнем Риме. Пар, направленный по изогнутым трубам из сферы с кипящей водой, заставлял ее вращаться. Это был просто эффектный эксперимент, игрушка, ее не использовали для работы. Производство машин и применение их в промышленности не было актуально при рабовладении, оно началось тогда, когда стало экономически выгодным.
Отметим, что к тепловым двигателям относятся устройства с принципиальными различиями в конструкции и логике работы: турбина, реактивный двигатель и циклические двигатели.

Термодинамика, как наука, сформировалась в процессе работы над цикличными двигателями. В следующем разделе пойдет речь о цикличных двигателях, их КПД, а также о втором начале термодинамики.

Преобразование энергии в тепловых двигателях

Создание парового двигателя ознаменовало начало научно-технической революции, но сами паровые двигатели поначалу были несовершенны. Они развивали большую мощность, но потребляли слишком много топлива.

Если сравнить работу первых двигателей с тягловой силой лошади, то окажется, что лошадь гораздо эффективнее использует «горючее» — овес и сено. Ученые отмечали, что организм «сжигает» еду: ведь человек и животные вдыхают кислород, а выдыхают углекислый газ и водяной пар; так же поступает топка с горящими дровами.

Именно тогда научились считать калории. Энергию пищи оценили по тому количеству теплоты, которая выделится при ее сжигании. По шкале «калорийности» можно сравнивать овес, уголь и бензин. И по этой шкале первые паровые двигатели были крайне неэффективны: только 1\% — 2\% сгоревших калорий превращались в полезную работу.

Делались попытки усовершенствовать машины, иногда они давали лучший эффект, иногда худший; требовалась теоретическая база для того, чтобы добиться наилучшего варианта.

Основоположники термодинамики прежде всего решали вопрос: может ли вся теплота, передаваемая паровой машине, преобразоваться в работу? В механике преобразование потенциальной энергии в кинетическую может происходить с очень малыми потерями. В основном мешает трение, но во многих задачах трением можно пренебречь. Представим, что мы так же сведем к нулю трение поршня о цилиндр, непроизводительные потери тепловой энергии. Можно ли представить себе идеальный циклический двигатель, в котором вся теплота переходит в работу?

По первому началу термодинамики, теплота расходуется на работу и увеличение внутренней энергии:

Q = A + DU

Читайте также:  Схемы подключения двигателей интерскол

Пусть DU = 0. Теплота заставила пар расширяться, пар привел в движение поршень, тот совершил работу. При этом температура пара и его внутренняя энергия не изменилась, Пренебрежем потерями и допустим, что вся теплота перешла в механическую работу: Q = A

Но мы рассматриваем цикличный двигатель. Поршень переместился, совершив работу; теперь его нужно вернуть в исходное состояние.

Если перемещать поршень, сжимая пар, то придется совершить работу не меньшую, чем А. Но это значит, что никого выигрыша не произошло, и коэффициент полезного действия нулевой, даже при отсутствии потерь!

Чтобы уменьшить работу по обратному перемещению поршня, разрешим внутренней энергии меняться. Если пар охладить, его давление уменьшится, и работа по перемещению поршня будет меньше, чем совершенная в рабочем цикле.

Вот эта разность работ и будет полезной отдачей двигателя.

На графике p(v) прямой и обратный ход поршня показан линиями abc и cda, образующими замкнутую фигуру. Площадь замкнутой фигуры abcd соответствует полезной работе. Площадь фигуры V1abcV2 – это работа прямого хода, площадь V2cdaV1 – соответствует работе обратного хода.

Таким образом, тепловому двигателю нужен не только нагреватель, но и холодильник; чаще всего в роли холодильника выступает окружающая среда, которой передаются остатки тепла

В идеальном случае совершенная за цикл работа соответствует разнице между теплотой, которое имело нагретое рабочее тело, и той теплотой, которая осталась у рабочего тела после охлаждения:

Коэффициент полезного действия идеального двигателя равен отношению работы к полученной от нагревателя теплоте:

Эта формула показывает предел КПД, который не может быть превышен тепловым двигателем при определенных параметрах нагревателя и холодильника. Реальный КПД двигателя зависит от его конструкции, и он всегда меньше идеального значения.

Итак, КПД двигателя всегда меньше единицы, поскольку часть тепловой энергии должна отдаваться холодильнику. Это является отражением второго начала термодинамики

Одна из формулировок второго начала термодинамики:

Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара. (Такой процесс называется процессом Томсона).

Адиабатный процесс и цикл Карно

При конструировании теплового двигателя важную роль сыграло понимание адиабатного процесса.

Адиабатный процесс в идеальном газе происходит без обмена теплотой с окружающей средой.

Математическая формула адиабатного процесса:

p*V k = const

где p – давление, V – объем, k – показатель адиабаты, равный отношению теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме.

Рассмотрим, как применяется адиабатный процесс в термодинамике.

Задача конструкторов при разработке двигателя – приблизиться к идеальному значению КПД. Для этого нужно определить наилучший термический цикл тепловой машины и конструкцию, соответствующую двигателю с таким циклом.

Правило для тепловых машин сформулировал в 1824 году Санди Карно, французский ученый. В своей теоретической модели он использовал свойства идеального газа.

Его идея заключалась в том, чтобы расширение газа при прямом ходе шло изотермически, без изменения температуры, и так же изотермически, но при пониженной температуре, происходило сжатие газа при обратном ходе.

Для перехода между верхней и нижней изотермами Карно предложил использовать адиабатическое расширение и адиабатическое сжатие.

Наиболее наглядно цикл Карно изображается на TS диаграмме, по которой можно оценить изменение энтропии системы и ее температуры:

Изменение объема и давления при цикле Карно можно видеть на PS диаграмме:

Изображение цикла на TS диаграмме показывает зависимость КПД от абсолютных значений температуры нагревателя и холодильника:

Последняя формула позволяет сделать важный вывод: КПД двигателя зависит от абсолютной температуры холодильника, и наибольший КПД=1 может быть достигнут только при температуре холодильника TX = 0°K, или t= -273°C.

Реальный тепловой двигатель имеет меньший КПД, чем идеальный двигатель Карно, поскольку обеспечить полностью адиабатный процесс, без теплообмена с окружающей средой, невозможно. Кроме того, изотермическое расширение и сжатие реального газа возможно только при достаточно медленных процессах, а их ускорение приводит к изменению температуры.

Читайте также:  Температура работы трехфазного двигателя

Теория и практика

Как отразились работы теоретиков на качестве паровых двигателей? Начался быстрый процесс совершенствования этой техники. В семидесятые годы девятнадцатого века паровозы отчаянно дымили и имели КПД = 3\%, а в 1910 году паровозы дымили не меньше, но имели КПД = 7-9\%. Это большой прогресс, но подняться выше при разработке паровых машин не удалось.

На смену паровозам пришли двигатели внутреннего сгорания: их КПД сразу же превысил паровые двигатели, составил 25\%. Современные дизельные двигатели, с электронной системой управления, имеют КПД=40\%.

Является ли это пределом? Для двигателей внутреннего сгорания, пожалуй, является. Но есть более производительные тепловые машины: это турбины. Нагретый газ, непрерывной струей вырываясь из сопла, вращает турбину; это не цикличный, а постоянный процесс, и при его реализации без особого труда достигается КПД=60\%. Недаром сейчас активно разрабатываются турбодвигатели.

Источник

Какие преобразования энергии происходят в тепловых двигателях?

При сгорании топлива его внутренняя энергия топлива частично первращается в механическую, а кроме того отдает тепло, нагревая окружающую среду.

Газ расширяясь охлаждается почему перышкин?

Температура газа зависит от движения его молекул, чем ближе молекулы тем выше нагревается газ. При увеличении объема количество молекул не увеличивается, значит расстояние между ними увеличивается и газ остывает.

Что было бы, если КПД двигателя внутреннего сгорания и топлива были бы по 100%?

Был бы сверхэкономичный двигатель, которому не нужно охлаждение (если КПД равен 100%, то потерь энергии на нагрев двигателя нет) и система смазки (потерь на трение тоже нет).

Но это, конечно, пока утопия.

2 · Хороший ответ

Какие тела солнечной системы испытывают наибольшие возмущения и почему?

Самые большие возмущения испытывают спутники газовых гигантов — силы гравитации и магнитные поля этих планет очень сильно деформируют эти спутники, что в конечном счете приведет к их разрушению и образования колец вокруг планет.

7 · Хороший ответ

Почему и как тела нагреваются? Что такое тепло?

Тепло, или теплота— это внутренняя энергия тела, которая обусловлена суммарной кинетической энергией атомов и молекул из которых оно состоит. Проще говоря, чем быстрее движутся атомы, тем выше температура тела.

Передача тепла может происходить механическим путем (теплопроводностьи конвекция) и при тепловом излучении.

В первом случае передача энергии происходит при столкновении частиц друг с другом. То есть для передачи тепла от одного тела к дугому телу или среде необходим непосредственный контакт.

Во втором случае происходит излучение электромагнитных волн, в основном приходящихся на инфракрасную частьэлектромагнитного спектра (длина волны от 0,74 мкм до 1000 мкм). В отличии от механической передачи тепла, теплообмен излучением может происходить без механического контакта, то есть в вакууме.

Это касательно непосредственно теплопередачи. В целом же, на внутреннюю энергию тела можно повлиять и другими способами.

Газ при расширении и сжатии может сильно охлаждаться и нагреваться. В частности, этот эффект используется в двигателях внутреннего сгорания(дизельных).

Используя переменное электромагнитное поле можно нагревать токопроводящие материалы. Оно индуцирует электрические токинепосредственно внутри материала из-за чего происходит повышение температуры тела (работа электрического тока). Этот метод называется индукционный нагрев и используется, среди прочего, для плавки металлов и в индукционных кухонных плитах.

Ну и в заключение, тепловыделение также может происходить при химических и ядерных реакциях. Простейший пример из химии: при добавлении воды в концентрированную серную кислоту происходит сильное выделение тепла (вода прям вскипает). Поэтому следует медленно вливать концентрат в большой объем воды.

А теперь рассмотрим классическую газовую печь. Пламя печи образуется при окислении бытового газа кислородом:

В основном в нем метан (CH₄). При этом образуется углекислый газ, вода и выделяется много энергии (сами продукты горения горячие + тепловое излучение).

Читайте также:  Моргает лампа давления масла на прогретом двигателе ваз 2112 16 клапанов

Далее продукты горения «бъют» в дно кастрюли, передавая часть своей кинетической энергии атомам металла. В добавок те же атомы поглащают испущенное тепловое излучение, что так же приводит к увеличению внутренней энергии. Атомы двигаются все быстрей и сталкиваются со своими соседями, тем самым передавая энергию дальше по цепочке. В итоге прогревается кастрюля, а за ней, по тому же принципу и ее содержимое.

Источник

Урок на тему. Преобразования энергии в тепловых машинах.

Тема урока: Преобразования энергии в тепловых машинах .

Образовательная : получить представление принципа работы тепловой машины — паровой турбины; сформировать понятие КПД теплового двигателя, умение объяснять физические опыты и явления.

Развивающая : установить взаимосвязь между изученным материалом и явлениями в жизни.

Воспитательная : обсудить проблемы использования тепловых двигателей в экологическом аспекте; воспитывать чувство ответственности, умение работать в коллективе, умение использовать свой интеллект, волю, эмоции.

Тип урока: С-П; С-П; С-П.

Оборудование: учебники, задачники, рабочие тетради.

Повторение пройденного материала.

Устный опрос учащихся по теме » Относительная влажность воздуха и ее измерение «. Подведение итогов контрольной работы, обсуждение ошибок.

Постановка целей и задач.

Изучение нового материала.

В современной технике наряду с ДВС так же широко применяют и другой тип теплового двигателя – турбинные двигатели. Впервые об этой машине заговорил Лаваль, французский ученый в 1889 году. Особенность данного типа тепловой машины в том, что нагретый до высокой температуры пар в нем вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала.

Состоит паровой двигатель из вала, на оси которого размещаются диски с лопастями.

Также как и в ДВС действие паровой машины основано на преобразование энергии: внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию вращения ротора.

Мощность паровой машины тем больше, чем больше дисков будет насажено на общий вал.

Границы применимости паровых машин: тепловые электростанции и морские суда: на автомобильном — поршневые двигатели внутреннего сгорания, на водном — двигатели.

Паровые турбины — устанавливаются на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока, а также на всех атомных электростанциях для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели.

Паровые внутреннего сгорания и паровые турбины, на железнодорожном — тепловозы с дизельными установками, в авиации — поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта. Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только незначительную часть энергии, которая выделяется топливом. Большая часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве.

Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.

Пар является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты.

Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу за счет внутренней энергии. Часть энергии передается атмосфере – холодильнику – вместе с отработанным паром или выхлопными газами.

КПД = Ап 100%/Аз или Q=Qп 100%/Qз

Ап – полезная работа.

Аз — затраченная (полная) работа.

Qп — количество теплоты, выделяющееся при сжигании топлива в камере сгорания ДВС).

— количество теплоты, которое выходит в окружающую среду.

КПД всегда меньше 100%

КПД характеризует степень экономичности тепловой машины, выражается отношением полезной работы, полученной от нагревателя к затраченной, отданной холодильнику (окружающей среде)

Закрепление изученного материала.

Решение задач на закрепление

1. Двигатель внутреннего сгорания совершил полезную работу равную 28.2 кДж и израсходовал при этом 3л бензина. Вычислите КПД двигателя.

Источник

Adblock
detector