Принцип действия тепловой машины доклад

Обновлено: 04.07.2024

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

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

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

Устройство, от которого рабочее тело получает тепло Q n , называю нагревателем.

Это понимается как расширение от объема V 1 к V 2 V 2 > V 1 , затем сжатие до первоначального объема. Чтобы значение совершаемой работы за цикл было больше нуля, необходимо температуру и давление увеличить и сделать больше, чем при его сжатии. То есть при расширении телу сообщается определенное количество теплоты, а при сжатии отнимается. Значит, кроме нагревателя тепловой двигатель должен иметь холодильник, которому рабочее тело может отдавать тепло.

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

A = Q n - Q ' c h ( 1 ) .

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

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

η = Q n - Q ' c h Q n ( 3 ) , КПД всегда.

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

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

a = Q ' n A ' = Q ' n Q ' n - Q c h ( 4 ) .

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

КПД теплового двигателя

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

η m a x = T n - T c h T n ( 5 ) .

Любой реальный тепловой двигатель может обладать КПД η ≤ η m a x .

Принцип работы теплового двигателя

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

Q n = T n ( S 2 - S 1 ) ( 6 ) , где S 1 , S 2 являются энтропиями в соответствующих точках цикла из рисунка 1 .

Видно, что участок 3 - 4 характеризуется отдачей тепла холодильнику с температурой T c h идеальным газом, причем количество теплоты равняется получению газом теплоты - Q c h , тогда:

- Q c h = T c h ( S 1 - S 2 ) ( 7 ) .

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

Принцип действия тепловых двигателей КПД

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

η = T n ( S 2 - S 1 ) + T c h ( S 1 - S 2 ) T n ( S 2 - S 1 ) = T n - T c h T n ( 8 ) .

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

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

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

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

Решение

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

η = T n - T c h T n .

Используя систему С И , получим:

T n + 100 ° C + 273 = 373 ( К ) . T c h = 0 ° C + 273 = 273 ( К ) .

Подставляем числовые значения и вычисляем:

η = 373 - 273 373 = 0 , 27 = 27 % .

Ответ: КПД теплового двигателя равняется 27 % .

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

Решение

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

η = Q n - Q ' n Q n ( 2 . 1 ) .

Получения тепла газом происходит во время процесса 1 - 2 Q 12 = Q n :

Q 12 = ∆ U 12 + A 12 ( 2 . 2 ) , где A 12 = 0 потому как является изохорным процессом. Отсюда следует:

Q 12 = ∆ U 12 = i 2 R T 2 - T 1 ( 2 . 3 ) .

Процесс, когда газ отдает тепло, обозначается как 3 - 4 , считается изохорным - Q 34 = Q ' c h . Формула примет вид:

Q 34 = ∆ U 34 = i 2 v R T 4 - T 3 ( 2 . 4 ) .

Адиабатные процессы проходят без подвода и отвода тепла.

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

η = i 2 v R T 2 - T 1 + i 2 v R T 4 - T 3 i 2 v R T 2 - T 1 = T 2 - T 1 + T 4 - T 3 T 2 - T 1 = 1 - T 3 - T 4 T 2 - T 1 ( 2 . 5 ) .

Следует применить уравнение для адиабаты процессу 2 - 3 :

T 2 V 1 γ - 1 = T 3 V 2 γ - 1 → T 2 = T 3 V 2 γ - 1 V 1 γ - 1 = T 3 n γ - 1 ( 2 . 6 ) .

Используем выражение для адиабаты процесса 4 - 1 :

T 1 V 1 γ - 1 = T 3 V 2 γ - 1 → T 1 = T 4 V 2 γ - 1 V 1 γ - 1 = T 4 n γ - 1 ( 2 . 7 ) .

Перейдем к нахождению разности температур T 2 - T 1 :

T 2 - T 1 = T 3 - T 4 n Г - 1 ( 2 . 8 ) .

Произведем подстановку из ( 2 . 8 ) в ( 2 . 5 ) :

η = 1 - T 3 - T 4 T 3 - T 4 n γ - 1 = 1 - 1 n γ - 1 = 1 - n 1 - γ ( 2 . 9 ) .

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

Согласно механическую работу за счет охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего тела (нагревателя), но при этом отдает теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Следовательно, на совершение работы идет не все количество теплоты, полученное от нагревателя, а только часть ее.

Таким образом, основными элементами любого теплового двигателя являются:

1) рабочее тело (газ или пар), совершающее работу;

2) нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу;

3) холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего тела.

Тепловые двигатели: принцип действия, устройство, схема

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

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

Особенности теплового двигателя

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

Алгоритм действия

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

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

Изменения температур

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

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

Некоторые факты

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

КПД тепловых машин

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

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

Изобретение тепловой машины

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

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

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

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

Двигатель внутреннего сгорания

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

Принципы действия тепловых машин

КПД тепловых машин

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

Как работают тепловые двигатели

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

Инструкция

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

Видео по теме

Как устроены и как работают тепловые двигатели

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

Понятие и виды тепловых двигателей

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

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

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

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

Структурная схема работы теплового двигателя

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

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

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

Собрала для вас похожие темы рефератов, посмотрите, почитайте:

Введение

Действительно ли история тепловых двигателей — это история прогресса?

Тепловые двигатели чрезвычайно важны для жизни человека, технологии, энергии и транспорта. Изобретение парового двигателя имело большое значение для перехода к механическому производству и позволило создать пароход (1807 г.) и паровоз (1814 г.). Изобретение паровой турбины позволило значительно увеличить мощность электростанций. Сегодня паровая турбина является важнейшим первичным двигателем на тепловых и атомных электростанциях.

Изобретение двигателя внутреннего сгорания оживило автомобильную и авиационную промышленность.

Тепловой двигатель — это устройство, которое может преобразовывать вырабатываемое тепло в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях осуществляется расширением определенного вещества, так называемого рабочего тела. В качестве рабочих органов обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздуха, воды). Рабочий орган получает (или дает) тепловую энергию при теплообмене с органами, обладающими большим внутренним запасом энергии.

Однократное преобразование тепла в работу не интересует техника. Действительно существующие тепловые двигатели (паровые двигатели, двигатели внутреннего сгорания и т.д.) работают циклически. Процесс теплообмена и преобразования полученного количества тепла в работу повторяется периодически. Для этого рабочий орган должен выполнять круговой процесс или термодинамический цикл, в котором исходное состояние периодически восстанавливается.

Работа А, выполняемая рабочим органом за цикл, равна количеству тепла Q, получаемого за цикл. Отношение работы A к количеству тепла Q1, которое рабочий получает от нагревателя во время цикла, называется нагревательной машиной/эффективностью η.

Этот эолипир представлял собой полую сферу, которая могла быть вынуждена вращаться под ним огнем. Для этого в вертикальной плоскости была предусмотрена сфера с двумя диаметрально противоположными, изогнутыми, выступающими трубками, а под ней был помещен сосуд, частично заполненный водой. Когда под сосудом возник пожар, в нем кипела вода, и выпущенный пар проникал по паровым трубам во внутреннюю полость сферы и выходил из нее по изогнутым трубам, вызывая вращение сферы.

По сути, эолипир — это не более чем паровая турбина. Конечно, эолипир не подходит под определение теплового двигателя, потому что он ничего не приводит в движение, это просто красивая игрушка, но в нем тепло естественным образом преобразуется в механическую работу, а идея использования энергии пара при ускорении и подаче сопел в кольцевом направлении была впоследствии использована для создания паровых турбин.

В шестидесятых годах XVIII века. Век — замечательный человек, сформировавшийся в дикой природе Алтая. Изобретатель и конструктор, технолог и машиностроитель, проектировщик лесопильных и горно-металлургических предприятий, специалист по рудам и строительным материалам, опытный шахтер и металлург, механик и математик, физик и метеоролог, мастер тонких экспериментов и умелый приборостроитель, преподаватель и график — таков был этот выдающийся представитель российского технического мышления — И.И.Ползунов.

20 мая 1765 года уже были закончены сто десять частей завода, не считая котла с арматурой и налоговой ставкой. Отдельные части весили более ста семидесяти пуделей. Наибольший диаметр котла составлял 3,5 метра. Высота паровых цилиндров составляла 2,8 метра. В конце 1765 года было завершено строительство гусеничной тепловой станции. На берегу рабочего пруда находилось машиностроительное предприятие высотой более 18 метров.

В условиях феодального крепостничества паровая машина И. И. Ползунова, конечно, не могла быть универсально циркулирующей. Однако использование отдельных двигателей и в любом случае использование уже построенного двигателя было возможным и разумным. Это поняли ведущие российские личности. A. И. Порошин, который уже был старше и на пенсии, настаивал на продолжении дела Ползунова в 1767 году. Однако он не был поддержан ни кабинетом министров, отвечающим за Алтай, ни Академией наук. Определенную роль сыграл тот факт, что Паллас и Фалк увидели эту машину в природе и впервые описали ее в прессе, все перекрутилось, вплоть до имени создателя новой машины. Старт Паллас и Фалк завершил Ирман и Меллер и физически уничтожил машину Crawler.

Уатт Джеймс (19.1.1736, Гринок, Шотландия — 19.8.1819, Хитфилд, Англия), английский изобретатель, создатель универсального парового двигателя, член Лондонского королевского общества (1785). С 1757 года он работал механиком в Университете Глазго, где познакомился со свойствами пара, а сам с большой точностью исследовал зависимость температуры насыщенного пара от давления с помощью котла Д. Папена. В 1765 г. У. построил экспериментальную машину с цилиндром диаметром 16 см, а в 1768 г. — первый большой паровой двигатель.

В 1774 г. паровой двигатель был закончен, дальнейшие испытания показали, что этот двигатель более чем в два раза эффективнее лучших машин Newcomen. В 1782 году он получил английский патент на паровой двигатель с расширением. В. ввел первую единицу мощности — лошадиную силу (позже его имя было изменено на другую единицу мощности — ватт). Благодаря своей эффективности паровой двигатель U. получил широкое распространение и сыграл важную роль в переходе к машинному производству.

Карно (Никола Леонар) Сади (1796-1832), французский физик и инженер, один из основоположников термодинамики. Работа Карнота стала фактически первым серьезным теоретическим исследованием принципов термических машин. Хотя он воспользовался идеей, уже отвергнутой многими физиками в то время, что приток тепла вызывает нагрев материи, а отток — ее охлаждение, ему удалось обнаружить ряд определений, которые играют решающую роль в работе этих машин.

Попытки Carno связать эффективность (действенность) отопительной машины (что также является ее термином) непосредственно с температурой отопления и холодильника потерпели неудачу по той простой причине, что в то время не была известна абсолютная шкала температур.

Но он многое понял. Например, он подробно проанализировал, выгоднее ли использовать водяной пар или воздух в качестве рабочего материала в тепловой машине, доказал, что теоретически максимально возможная эффективность не зависит от конструкции тепловой машины, а определяется только температурой отопления и холодильника, и установил много других важных моментов.

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания, тепловой двигатель, в котором химическая энергия сжигания топлива в рабочей камере преобразуется в механическую работу.

Первый практически полезный постоянный ток газа был построен французским механиком Э. Ленуаром (1860). В 1876 году немецкий изобретатель Н. Отто построил более совершенный 4-тактный газовый D.V.s. По сравнению с паровым двигателем D.V.s. он принципиально проще, так как исключается одно звено в процессе преобразования энергии — паровая котельная установка. Это улучшение привело к большей компактности D.V.S., меньшей массе на привод и более высокому КПД, но при этом потребовало более качественного топлива (газа, масла).

В зависимости от вида топлива Д. В. С. делятся на жидкотопливные и газовые двигатели. По способу заполнения цилиндра свежим зарядом — для 4-х и 2-х тактных двигателей. По способу приготовления горючей смеси топлива и воздуха — для двигателей с наружной и внутренней смесью. Двигатели с внешней смесью включают в себя карбюраторные двигатели, в которых в карбюраторе образуется горючая смесь жидкого топлива и воздуха, и газовые смеси, в которых в смесителе образуется горючая смесь газа и воздуха. В ДВС с внешним перемешиванием рабочая смесь в цилиндре воспламеняется электрической искрой. В двигателях с внутренним перемешиванием (дизельные двигатели) топливо саморазжигается при впрыске в сжатый воздух, нагретый до высокой температуры.

Максимальная эффективная эффективность самого передового Ц.К.Е. составляет около 44%.

Основным преимуществом Д.В.С., как и других тепловых двигателей (например, реактивных), перед гидравлическими и электрическими двигателями, является независимость от постоянных источников энергии (водных ресурсов, электростанций и т.д.), в этом контексте заводы, оборудованные Д.В.С., могут свободно передвигаться и оседать где угодно. Это привело к широкому применению Д.В.С. на транспортных средствах (автомобилях, сельскохозяйственных и дорожно-строительных машинах, самоходной военной технике и т.д.).

Тепловые двигатели

Черепанов, русский изобретатель, крепостной заводчик Демидов: отец Ефим Алексеевич (1774-1842) и сын Мирон Ефимович (1803-49). Они построили первый в России паровоз.

В 1869 году братья Пьер и Эрнест Мишо создали первый мотоцикл во Франции. Это был мотоцикл с маленьким одноцилиндровым паровым двигателем. Блок двигателя был соединен с блоком на заднем колесе гибким кожаным ремнем.

АВТОМОБИЛЬНОЕ (от авто… и лат. мобильное — мобильное, легко передвигаемое), транспортное безрелезовая машина в основном на колесном приводе, приводимом в движение собственным двигателем (внутреннее сгорание, электрическое или паровое). Первый паровоз был построен в 1769-70 гг. Ж. Куно (Франция), с двигателем внутреннего сгорания Г. Даймлера, К. Бенца (Германия) 1885-86 г.г. Различают легковые автомобили (легковые и автобусные), грузовые автомобили, специальные автомобили (пожарные, санитарные и т.д.) и гоночные автомобили. Скорость движения легковых автомобилей до 300 км/ч, гоночных автомобилей до 1020 км/ч (1993 г.), грузоподъемность грузовых автомобилей до 180 тонн.

Создателем первого автомобиля является немецкий инженер Карл Бенц. Однако есть и более ранние модели самоходных машин, такие как подъемник улиток Demetrius от Фалерского, который был создан около 2000 лет назад.

В 1885 году Бенц построил трехколесный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания собственной конструкции, но не выезжал за пределы завода. Когда 29 января 1886 года он подал заявку на патент на VRS 37435 для самоходного экипажа как такового, появилась возможность провести публичную демонстрацию своего изобретения. Отправка состоялась 3 июля 1886 года.

Механик-самоучка Иван Кулибин (1735-1818) родился в Нижнем Новгороде в 1735 году как сын семьи мелкого купца муки. Его отец был старообрядцем, который воспитывал сына по строгим правилам и приучал его к труду. После того, как он начал учебу, Иван не мог остановиться и приступить к ней, так как у него не было другой возможности самостоятельно изучать науки с помощью книг, в том числе и трудов Михаила Ломоносова.

Среди тепловых двигателей победителями стали паровые двигатели. Только они до сих пор служат на тепловых и атомных электростанциях и мощных кораблях!

Экологические проблемы тепловых двигателей

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КРИСИС, нарушение связей в экосистеме или необратимые события в биосфере, вызванные антропогенной деятельностью, угрожающей существованию человека как вида. Неблагоприятная экологическая ситуация, экологическая катастрофа и экологическая катастрофа отличаются по степени угрозы природной жизни людей и развитию общества.

Загрязнение тепловыми двигателями:

Химический.
Радиоактивный.
Тепловой.

КПД тепловых двигателей Заключение

Сжигание топлива сопровождается выбросом в атмосферу углекислого газа, азота, серы и других соединений.

Меры по предотвращению загрязнения:

сокращение вредных выбросов.
контроль выхлопных газов, модификация фильтров.
сравнение эффективности и экологических показателей различных видов топлива, переход транспорта на газовое топливо

Перспективы использования электродвигателей, пневмоавтомобилей, автомобилей на солнечных батареях.

Список литературы

Образовательный сайт для студентов и школьников

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Тепловыми машинами в термодинамике называются тепловые двигатели и холодильные машины (термокомпрессоры). Разновидностью холодильных машин являются тепловые насосы .

Тепловые двигатели осуществляют превращение тепла в работу. Для функционирования тепловой машины необходимы следующие составляющие: нагреватель, холодильник и рабочее тело. При этом тепло к рабочему телу подводится от нагревателя, имеющего более высокую температуру , и частично отводится к холодильнику, имеющего более низкую температуру . Необходимость наличия нагревателя и рабочего тела обычно не вызывает сомнений, что же касается холодильника, как конструктивной части тепловой машины, то он может отсутствовать. В этом случае его функцию выполняет окружающая среда.

Работа, произведённая тепловым двигателем, согласно первому началу термодинамики равна разности количеств тепла подведённого и отведённого :

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называется отношение произведённой работы к подведённому извне количеству тепла:

Холодильные машины осуществляют процесс переноса тепла от источников с более низким температурным уровнем к источникам более высоким температурным уровнем . Для осуществления этого процесса, называемого термокомпрессией, затрачивается подводимая внешняя работа:

Эффективность работы холодильных машин определяется величиной удельной холодопроизводительности, представляющей отношение отнятой от охлаждаемого тела теплоты к затраченной для этого механической работе :

Холодильная машина может быть использована не только для охлаждения различных тел, но и для отопления помещений. Действительно, даже обычный бытовой холодильник, охлаждая помещённые в нём продукты, одновременно нагревает воздух в комнате. Принцип действия, лежащий в основе современных тепловых насосов, заключается в использовании обращённого цикла тепловой машины для перекачки теплоты из окружающей среды в помещение. Основное отличие теплового насоса от холодильной машины состоит в том, что теплота подводится к нагреваемому телу, например, к воздуху обогреваемого помещения, а теплота отнимается от менее нагретой окружающей среды. Эффективность теплового насоса характеризуется коэффициентом преобразования (трансформации) или, как часто называют, отопительным коэффициентом , который определяется как отношение полученной нагреваемым телом теплоты к затраченной для этого механической работе, либо работе электрического тока :

Учитывая, что , устанавливаем связь между отопительным и холодильным коэффициентами установки:

Так как отводимая от окружающей среды теплота всегда отлична от нуля, то эффективность теплового насоса, в соответствии с её определением, будет больше единицы. Этот результат не противоречит второму началу термодинамики , запрещающему полное превращение тепла в работу, но не обратный процесс. Преимущество теплового насоса по сравнению с электронагревателем заключается в том, что на нагрев помещений используется не только преобразованная в теплоту электроэнергия, но и теплота, отобранная от окружающей среды. По этой причине эффективность тепловых насосов может быть гораздо выше обычных электронагревателей

Широкое применение паровых машин в промышленности началось после изобретения в 1774 году Джеймсом Уаттом (1736 - 1819) паровой машины, в которой работа совершалась без использования атмосферного давления, что значительно сократило расход топлива. Уатт дополнил свои машины важнейшими механическими изобретениями, такими как преобразователь поступательного движения во вращательное, центробежный регулятор, маховое колесо и т. д. В 1784 году Уатт запатентовал универсальную паровую машину двойного действия, в которой пар совершал работу по обе стороны поршня.
Сейчас разработано большое количество разнообразных тепловых машин, в которых реализованы различные термодинамические циклы. Тепловыми машинами являются двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, различные тепловые турбины и т. д.
Тепловые машины или тепловые двигатели предназначены для получения полезной работы за счет теплоты, выделяемой вследствие химических реакций (сгорание топлива) , ядерных превращений или по другим причинам (например, вследствие нагрева солнечными лучами) Для функционирования тепловой машины обязательно необходимы следующие составляющие: нагреватель, холодильник и рабочее тело. При этом, если необходимость в наличии нагревателя и рабочего тела обычно не вызывает сомнений, то холодильник как составная часть тепловой машины в её конструкции зачастую отсутствует. В качестве холодильника выступает окружающая среда.

Что такое термодинамическая система и какими параметрами характеризуется её состояние.
Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.

Именно создание теории тепловых двигателей и привело к формулированию второго закона термодинамики.

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии ещё недостаточно. Необходимо так же уметь за счёт энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели.

Тепловые двигатели — это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую работу.

Принцип действия тепловых двигателей.

Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счёт повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T₁. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т₁ называют температурой нагревателя.

Роль холодильника.

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т₂, которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Её называют температурой холодильника. Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры окружающего воздуха.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть тепла неизбежно передаётся холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин.

Эта часть внутренней энергии топлива теряется. Тепловой двигатель совершает работу за счёт внутренней энергии рабочего тела. Причём в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику). Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 13.13.

Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q₁, совершает работу А' и передаёт холодильнику количество теплоты Q₂

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передаётся холодильнику, то η

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу, состоящему из двух изотерм и двух адиабат, причем эти процессы считаются обратимыми (рис. 13.14). Сначала сосуд с газом приводят в контакт с нагревателем, газ изотермически расширяется, совершая положительную работу, при температуре Т₁, при этом он получает количество теплоты Q₁.

Затем сосуд теплоизолируют, газ продолжает расширяться уже адиабатно, при этом его температура понижается до температуры холодильника Т₂. После этого газ приводят в контакт с холодильником, при изотермическом сжатии он отдаёт холодильнику количество теплоты Q₂, сжимаясь до объёма V₄

Как следует из формулы (13.17), КПД машины Карно прямо пропорционален разности абсолютных температур нагревателя и холодильника.

Главное значение этой формулы состоит в том, что в ней указан путь увеличения КПД, для этого надо повышать температуру нагревателя или понижать температуру холодильника.

Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т₁, и холодильником с температурой Т₂, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины: Процессы, из которых состоит цикл реальной тепловой машины, не являются обратимыми.

Формула (13.17) даёт теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем больше разность температур нагревателя и холодильника.

Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1. Кроме этого доказано, что КПД, рассчитанный по формуле (13.17), не зависит от рабочего вещества.

Но температура холодильника, роль которого обычно играет атмосфера, практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твёрдое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счёт уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д.

Для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т₁ — 800 К и Т₂ — 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно 62 % (отметим, что обычно КПД измеряют в процентах). Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40 %. Максимальный КПД — около 44% — имеют двигатели Дизеля.

Охрана окружающей среды.

Трудно представить современный мир без тепловых двигателей. Именно они обеспечивают нам комфортную жизнь. Тепловые двигатели приводят в движение транспорт. Около 80 % электроэнергии, несмотря на наличие атомных станций, вырабатывается с помощью тепловых двигателей.

Однако при работе тепловых двигателей происходит неизбежное загрязнение окружающей среды. В этом заключается противоречие: с одной стороны, человечеству с каждым годом необходимо всё больше энергии, основная часть которой получается за счёт сгорания топлива, с другой стороны, процессы сгорания неизбежно сопровождаются загрязнением окружающей среды.

При сгорании топлива происходит уменьшение содержания кислорода в атмосфере. Кроме этого, сами продукты сгорания образуют химические соединения, вредные для живых организмов. Загрязнение происходит не только на земле, но и в воздухе, так как любой полёт самолёта сопровождается выбросами вредных примесей в атмосферу.

Одним из следствий работы двигателей является образование углекислого газа, который поглощает инфракрасное излучение поверхности Земли, что приводит к повышению температуры атмосферы. Это так называемый парниковый эффект. Измерения показывают, что температура атмосферы за год повышается на 0,05 °С. Такое непрерывное повышение температуры может вызвать таяние льдов, что, в свою очередь, приведёт к изменению уровня воды в океанах, т. е. к затоплению материков.

Отметим ещё один отрицательный момент при использовании тепловых двигателей. Так, иногда для охлаждения двигателей используется вода из рек и озёр. Нагретая вода затем возвращается обратно. Рост температуры в водоёмах нарушает природное равновесие, это явление называют тепловым загрязнением.

Для охраны окружающей среды широко используются различные очистительные фильтры, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, совершенствуются конструкции двигателей. Идёт непрерывное усовершенствование топлива, дающего при сгорании меньше вредных веществ, а также технологии его сжигания. Активно разрабатываются альтернативные источники энергии, использующие ветер, солнечное излучение, энергию ядра. Уже выпускаются электромобили и автомобили, работающие на солнечной энергии.

Основы термодинамики. Тепловые явления - Физика, учебник для 10 класса - Класс!ная физика

Читайте также: