Сообщение на тему тепловые машины и их применение
Обновлено: 17.05.2024
Тепловые машины – основа нашей индустриальной цивилизации. Они приводят в движение автомобили и корабли, вырабатывают ток на электростанциях, дают энергию для работы предприятий. Вместе с тем, использование тепловых машин – причина серьезных экологических проблем, которые становятся все острее.
Что такое тепловая машина
Тепловая машина (ТМ) – тип двигателя, преобразующий тепло в полезную работу. Он состоит из трех элементов:
- нагревателя;
- холодильника;
- рабочего тела.
К тепловым машинам относятся все бензиновые и дизельные автомобильные моторы, паровые турбины и котлы, реактивные и ракетные двигатели.
Тепловые двигатели (ТД) распространены повсеместно: на транспорте, в энергетике, промышленности. Изобретение паровой машины привело к индустриальной революции XVIII-XIX столетий, радикально изменило облик нашего мира.
Как работает тепловой двигатель
Работа теплового двигателя основана на способности веществ расширяться при повышении температуры. В качестве рабочего тела в ТД используется газ, который нагревается за счет сжигания топлива.
Все ТМ работают циклически. Чтобы запустить подобную систему, температура нагревателя должна быть существенно выше, чем окружающей среды. При обратном ходе поршня температура газа понижается за счет холодильника. Им может служить охлаждающая жидкость или атмосфера.
Работа двигателя равна разности подведенного и отведенного тепла. Коэффициент полезного действия – это отношение работы к теплу, подведенному к системе. Принцип действия тепловых машин основан на 1-м и 2-м законе термодинамики.
Вредные вещества
Для работы тепловых двигателей чаще всего применяется ископаемое топливо или продукты его переработки: уголь, газ, мазут, бензин, керосин и др. Они никогда не сгорает на 100%, и остатки загрязняют окружающую среду.
Не меньший вред наносят продукты сгорания. При работе ТМ выделяются следующие виды вредных веществ:
- сажа;
- углекислый газ;
- угарный газ;
- оксид азота;
- соединения свинца;
- формальдегид;
- бензол.
Атомные электростанции – также тепловые машины, в которых для нагревания рабочего тела используются ядерные реакции. Их эксплуатация связана с опасностью загрязнения окружающей среды радиоактивными материалами.
Виды загрязнений
Выбросы токсичных веществ – главный негативный фактор воздействия тепловых машин на окружающую среду.
В процессе сжигания топлива расходуется много кислорода, что приводит к уменьшению его количества в воздухе. В странах с развитой промышленностью двигатели и турбины потребляют кислорода больше, чем его успевают выделять растения.
Тепловое загрязнение
За 2008 год все ТМ выработали примерно 125 ПВт/ч энергии. Учитывая их небольшой КПД, примерно столько же энергии рассеялось в виде тепла в атмосфере. Хотя это количество и не кажется слишком большим, но оно способно нарушить хрупкий температурный баланс атмосферы, запустив необратимые изменения.
Последствия для экологии
Тепловые машины – один из главных источников загрязнения окружающей среды. Экологические проблемы при использовании ТД носят комплексный характер – токсичные выбросы отравляют воздух, почву и воду.
Атмосфера принимает на себя первый удар. Тепловые машины ежегодно выбрасывают в окружающую среду около 60 млн тонн оксидов серы и примерно 200 млн тонн сажи. Количество окисей азота, соединений свинца, углеводородов также исчисляется миллионами тонн.
В мире эксплуатируется около 1 млрд автомобилей, на них приходится более половины ядовитых веществ, которые выбрасываются в атмосферу.
В 2018 году в атмосферу было выброшено 33,9 млрд тонн углекислого газа, что на 2% больше, чем годом ранее. Он считается одной из главных причин парникового эффекта и изменения климата.
Выхлопные газы автомобилей – основной источник токсичного смога в крупнейших городах мира. Концентрация вредных веществ в воздухе мегаполисов может превышать норму в десятки раз.
Токсические вещества из атмосферы попадают в почву или воду. Они меняют их химический состав, что самым негативным образом сказывается на живых организмах.
Влияние на живые организмы
Ядовитые выбросы, образующиеся при работе тепловых машин, разрушительно действуют на все живые организмы. Наиболее опасными считаются соединения свинца, азота, фенолы, углеводороды.
Например, свинец, который добавляют в моторное топливо, является сильнейшим канцерогеном. Аналогичными свойствами обладает хром, бром и их соединения.
Выбросы тепловых двигателей угнетают иммунную систему человека, приводят к дыхательным и сердечно-сосудистым заболеваниям.
Соединения азота и серы, вступая в реакции с влагой воздуха, образуют ядовитые кислоты. Именно они – причина кислотных дождей, которые убийственно действуют на почву и растительность.
Пути решения проблемы
Можно утверждать, что ТД породили современное индустриальное общество. При этом необходимость их замены с каждым днем становится все более очевидной. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды плохо сочетаются друг с другом.
Автобус на электрической тяге
Альтернативы для этого уже есть: тепловые электростанции можно заменить солнечными панелями, а автомобили с ДВС – электрокарами.
Такой переход потребует много времени и еще больше ресурсов, но результат оправдает эти затраты.
Теплоэнергетика
Предприятия теплоэнергетики следует вынести за границы населенных пунктов. От этого они не будут выделять в атмосферу меньше вредных веществ, но их концентрация в городах станет меньше.
Выбросы автомобилей
Вполне реально уменьшить вред, который окружающей среде и здоровью людей наносят автомобили с ДВС. Эффективным методом является жесткий контроль качества моторного топлива. Уже сегодня во многих странах запрещена продажа бензина с добавками свинца.
Существуют стандарты по количеству вредных веществ в выхлопных газах самих автомобилей. Они зависят от конструкции двигателя и системы зажигания, наличия нейтрализаторов.
Альтернативная энергетика
Защита атмосферы
Для защита атмосферы от вредных выбросов сегодня используется несколько методов. Чтобы уменьшить концентрацию выбросов, трубы делают выше. Куда более эффективно работают различные фильтры, улавливающие отходы. Однако такая очистка достаточно дорого стоит и также не дает полной гарантии.
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Тепловые двигатели и их применение
Нам Анастасия Альбертовна
Кутенкова Галина Владимировна
ПЦК Математика и Информатика
В XVII в. Был изобретен тепловой двигатель, который в последующие годы был усовершенствован ,но идея осталась той же .Во всех двигателях энергия топлива переходит сначала в энергию газа или пара , а газ пар разширяясь,совершает работу и охлаждается ,а часть его внутренней энергии при этом превращается в механическую энергию..
Тепловой двигатель, паровая машина, двигатель внутреннего сгорания ,паровая и газовые турбины, реактивные двигатели.
ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
Тепловой двигатель устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.
К тепловым двигателям относятся: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Их топливом является твердое и жидкое топливо, солнечная и атомная энергии.
Тепловые 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: на автомобильном - поршневые двигатели внутреннего сгорания, на водном - двигатели 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.
Паросиловая станция. Работа этих двигателей производится посредством пара. В огромном большинстве случаев это водяной пар, но возможны машины, работающие с парами других веществ (например, ртути). Паровые турбины ставятся на мощных электрических станциях и на больших кораблях. Поршневые двигатели в настоящее время находят применение только в железнодорожном и водном транспорте (паровозы и пароходы).
Для работы парового двигателя необходим ряд вспомогательных машин и устройств. Все это хозяйство вместе носит название паросиловой станции. На паросиловой станции все время циркулирует одна и та же вода.
Вода превращается в пар в котле, пар производит работу в турбине (или в поршневой машине) и снова превращается в воду в барабане, охлаждаемом проточной водой (конденсатор). Из конденсатора получившаяся вода посредством насоса через сборный, бак (сборник) снова направляется в котел.
В этой схеме паровой котел является нагревателем, а конденсатор холодильником. Так как в установке циркулирует практически одна и та же вода (утечка пара невелика и добавлять воды почти не приходится), то в котле почти не получается накипи, т. е. осаждения растворенных в воде солей. Это важно, так как накипь плохо проводит тепло и уменьшает коэффициент полезного действия котла. В случае появления накипи на стенках котла ее удаляют.
Паровая турбина тепловой двигатель ротационного типа, преобразующий потенциальную энергию пара сначала в кинетическую энергию и далее в механическую работу. Паровые турбины применяются преимущественно на электростанциях и на транспортных силовых установках судовых и локомотивных, а также используются для приведения в движение мощных воздуходувок и других агрегатов.
После турбины или поршневой машины пар поступает в конденсатор, играющий роль холодильника. В конденсаторе пары должны превратиться в воду. Но пар конденсируется в воду только в том случае, если отводится выделяющаяся при конденсации теплота испарения. Это делают при помощи холодной воды. Например, конденсатор может быть устроен в виде барабана, внутри которого расположены трубы с проточной холодной водой.
В зависимости от степени расширения пара в рабочих лопатках различают активные и реактивные турбины. Пар в активной турбине расширяется только в соплах, и его давление при прохождении каждого венца с рабочими лопатками не изменяется. Поэтому активная турбина называется также турбиной равного давления. В соплах реактивных турбин в отличие от активных происходит лишь частичное расширение пара; дальнейшее расширение происходит в рабочих лопатках. Поэтому иногда реактивная турбина называется турбиной избыточного давления.
Двигатели внутреннего сгорания
Бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Самый распространенный тип современного теплового двигателя двигатель внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания устанавливаются на автомобилях, самолетах, танках, тракторах, моторных лодках и т. д. Двигатели внутреннего сгорания могут работать на жидком топливе (бензин, керосин и т. п.) или на горючем газе, сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах или добываемом сухой перегонкой из дерева (газогенераторные двигатели).
Основной частью двигателя внутреннего сгорания является один или несколько цилиндров, внутри которых производится сжигание топлива. Отсюда и название двигателя.
Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытыми клапанами. Через один из каналов впускной подается горючая смесь, через другой выпускной выбрасываются продукты сгорания. Клапаны имеют вид тарелок, прижимаемых к отверстиям пружинами. Клапаны открываются при помощи кулачков, помещенных на кулачковом валу; при вращении вала кулачки поднимают клапаны посредством стальных стержней (толкателей). Кроме клапанов, в верхней части цилиндра помещается так называемая свеча. Это приспособление для зажигания смеси посредством электрической искры, получаемой от установленных на двигателе электрических приборов (магнето или бобины).
Весьма важной частью бензинового двигателя является прибор для получения горючей смеси карбюратор. Его устройство схематически показано на рисунке 7. Если в цилиндре открыт только впускной клапан и поршень движется к коленчатому валу, то сквозь отверстие 1 засасывается воздух. Воздух проходит мимо трубочки 2, соединенной с поплавковой камерой 3. В камере 3 находится бензин, подцеживаемый при помощи поплавка 4 на таком уровне, что в трубочке 1 он как раз доходит до конца ее. Это достигается тем, что поплавок, поднимаясь при натекании бензина в камеру, запирает отверстие 5 особой запорной иглой 6 и тем прекращает подачу бензина, если уровень его повысится. Воздух, проходя с большой скоростью мимо конца трубочки 2, засасывает бензин и распыляет его (по принципу пульверизатора). Таким образом получается горючая смесь (пары бензина и воздух), приток которой в цилиндр регулируется дроссельной заслонкой 7.
Работа двигателя состоит из четырех тактов:
I такт всасывание. Открывается впускной клапан 1, и поршень 2, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь из карбюратора.
II такт сжатие. Впускной клапан закрывается, и поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь. Смесь при сжатии нагревается.
III такт сгорание. Когда поршень достигает верхнего положения (при быстром ходе двигателя несколько раньше), смесь поджигается электрической искрой, даваемой свечой. Сила давления газов раскаленных продуктов сгорания горючей смеси толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, и этим производится полезная работа. Производя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются и давление их падает. К концу рабочего хода давление в цилиндре падает почти до атмосферного.
IV такт выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан 3, и отработанные продукты горения выбрасываются сквозь глушитель в атмосферу.
Из четырех тактов двигателя (т. е. за два оборота коленчатого вала) только один, третий, является рабочим. Ввиду этого одноцилиндровый двигатель должен быть снабжен массивным маховиком, за счет кинетической энергии которого двигатель движется в течение остальных тактов. Одноцилиндровые двигатели ставятся главным образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах и т. п. с целью получения более равномерной работы двигателя ставятся четыре, шесть и более цилиндров, установленных на общем валу так, что при каждом такте по крайней мере один из цилиндров работает. Чтобы двигатель начал работать, его надо привести в движение внешней силой. В автомобилях это делается при помощи особого электромотора, питающегося от аккумулятора (стартер).
Добавим, что необходимой частью двигателя является приспособление для охлаждения стенок цилиндров. При чрезмерном перегревании цилиндров наступает пригорание масла, возможны преждевременные вспышки горючей смеси и детонация (взрыв горючей смеси вместо сгорания, имеющего место при нормальной работе). Детонация не только вызывает понижение мощности, но и разрушительно действует на мотор. Охлаждение цилиндров производится проточной водой, отдающей теплоту воздуху, или непосредственно воздухом. Вода циркулирует, омывая цилиндры. Движение воды вызывается нагреванием ее вблизи цилиндров и охлаждением в радиаторе. Это система медных трубок, по которым протекает вода. В радиаторе вода охлаждается потоком воздуха, засасываемого при движении вентилятором.
Двигатель внутреннего сгорания обладает рядом преимуществ, являющихся причиной его широкого распространения (компактность, малая масса). С другой стороны, недостатками двигателя являются:
а) он требует жидкого топлива высокого качества;
б) невозможность получить при его помощи малую частоту вращения (при малом числе оборотов, например, не работает карбюратор).
Так как температура газов, получающихся при сгорании смеси внутри цилиндра, довольно высока (свыше 1000 °С), то к. п. д. двигателей внутреннего сгорания может быть значительно выше к. п. д. паровых двигателей. На практике к. п. д. двигателей внутреннего сгорания равен обычно 2030 %.
Реактивный двигатель - двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги путем преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. В результате истечения рабочего тела из сопла двигателя образуется реактивная сила в виде реакции (отдачи) струи, перемещающая в пространстве двигатель и конструктивно связанный с ним аппарат в сторону, противоположную истечению струи.
В кинетическую (скоростную) энергию реактивной струи в реактивном двигателе могут преобразовываться различные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая, солнечная).
Для создания реактивной тяги, используемой реактивным двигателем, необходимы:
· источник исходной (первичной) энергии, которая превращается в кинетическую энергию реактивной струи;
· рабочее тело, которое в виде реактивной струи выбрасывается из реактивного двигателя;
· сам реактивный двигатель - преобразователь энергии.
Исходная энергия запасается на борту летательного или другого аппарата, оснащенного реактивным двигателем (химическое горючее, ядерное топливо), или (в принципе) может поступать извне (энергия Солнца). Для получения рабочего тела в реактивном двигателе может использоваться вещество, отбираемое из окружающей среды (например, воздух или вода); вещество, находящееся в баках аппарата или непосредственно в камере реактивного двигателя; смесь веществ, поступающих из окружающей среды и запасаемых на борту аппарата. В современных реактивных двигателях в качестве первичной чаще всего используется химическая энергия. В этом случае рабочее тело представляет собой раскаленные газы - продукты сгорания химического топлива. При работе реактивного двигателя химическая энергия сгорающих веществ преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, а тепловая энергия горячих газов превращается в механическую энергию поступательного движения реактивной струи и, следовательно, аппарата, на котором установлен двигатель. Основной частью любого реактивного двигателя является камера сгорания, в которой генерируется рабочее тело. Конечная часть камеры, служащая для ускорения рабочего тела и получения реактивной струи, называется реактивным соплом.
В зависимости от того, используется или нет при работе реактивного двигателя окружающая среда, их подразделяют на 2 основных класса - воздушно-реактивные двигатели (ВРД) и ракетные двигатели (РД). Наиболее широко реактивные двигатели используются на летательных аппаратах различных типов.
Воздушно-реактивные двигатели. Все ВРД - тепловые двигатели, рабочее тело которых образуется при реакции окисления горючего вещества кислородом воздуха. Поступающий из атмосферы воздух составляет основную массу рабочего тела ВРД. Таким образом, аппарат с ВРД несет на борту источник энергии (горючее), а большую часть рабочего тела черпает из окружающей среды.
ВРД подразделяются на бескомпрессорные и компрессорные.
Бескомпрессорные ВРД отличаются тем, что необходимая подача сжатого воздуха для эффективного сжигания топлива осуществляется без применения компрессора; сжатие воздуха происходит во входном устройстве за счет скоростного напора набегающего потока. Они делятся на прямоточные и пульсирующие.
Прямоточные ВРД для повышения давления воздуха в камере сгорания используют только скоростной напор встречного потока. Присущие им положительные особенности: простота конструкции, легкость, а также возрастание реактивной тяги пропорционально квадрату скорости полета. Поэтому они особенно выгодны при больших сверхзвуковых скоростях полета. Недостаток ничтожная тяга при малой скорости полета, поэтому прямоточные ВРД могут применяться на самолетах только в сочетании с другими двигателями, обеспечивающими необходимую тягу при взлете и на малых скоростях полета. Прямоточные ВРД устанавливают на зенитных управляемых ракетах, крылатых ракетах, сверхзвуковых истребителях-перехватчиках. Дозвуковые прямоточные двигатели применяются на вертолетах (устанавливаются на концах лопастей несущего винта).
Пульсирующий ВРД отличается от прямоточного тем, что воздух поступает в камеру сгорания не непрерывно, а периодически, импульсами. Давление в камере повышается за счет сгорания топлива. Пульсирующий ВРД может развивать необходимую тягу и при малых скоростях полета. Конструкция его проста. Основной недостаток большой расход топлива. Пульсирующие ВРД имеют небольшую тягу и предназначаются лишь для летательных аппаратов с дозвуковой скоростью.
Компрессорные ВРД имеют центробежный или осевой компрессор, приводимый в действие газовой турбиной или авиационным поршневым двигателем, и соответственно подразделяются на турбокомпрессорные (или турбореактивные) и мотокомпрессорные.
Турбокомпрессорные (или турбореактивные) ВРД получили наиболее широкое распространение. Этими двигателями оснащено большинство военных и гражданских самолетов, их применяют на вертолетах. Они пригодны для полетов как с дозвуковыми, так и со сверхзвуковыми скоростями; их устанавливают также на самолетах-снарядах. Сверхзвуковые турбореактивные двигатели могут использоваться на первых ступенях воздушно-космических самолетов.
Узнать стоимость написания работы -->
Идея создания аналога теплового двигателя зародилась ещё давным-давно. Чего стоит легенда об Архимеде, якобы построившем пушку, которая делала выстрелы при помощи пара. Однако, согласно официальной версии, изобретение первого теплового двигателя случилось в 17 веке, а впоследствии он был усовершенствован.
В это время Дени Папен (французский изобретатель) сконструировал машину, в общих чертах напоминавшую нынешние двигатели внутреннего сгорания. Его современник, английский изобретатель с именем Томас Севери создал паровой насос для того, чтобы откачивать воду. Другой английский изобретатель, по имени Томас Ньюкомен, также сконструировал паровую машину, способную откачивать воду, но в его разработках, хотя и очень умелых, явно перекликались идеи двух предыдущих изобретателей. Работая, в свою очередь, над усовершенствованием технологии Ньюкомена, Джеймс Уатт разработал новую модель двигателя. Универсальный паровой двигатель же был сконструирован спустя примерно 50 лет Иваном Ползуновым, гениальным русским изобретателем.
Какие существуют тепловые двигатели
- Паровая машина – является одним из двигателей внешнего сгорания. Она преобразует энергию, которая вырабатывается с помощью пара, в механическую работу.
- Двигатель внутреннего сгорания – в данном случае химическая энергия вырабатывается из топлива. Затем она становится механической работой.
- Газовая турбина - является одним из двигателей непрерывного действия. Его механизм таков: он преобразует энергию нагретого сжатого газа. Она также становится механической работой.
- Паровая турбина – это по сути, серия дисков, которые вращаются и которые закрепляются на одной оси и несколько неподвижных дисков, которые закрепляются на основании, называющемся статором.
Реактивный двигатель – преобразует одну энергию в другую (исходную в кинетическую энергию струи рабочего тела), тем самым создавая нужную силу тяги. Подразделяются такие двигатели на два подвида: Один подвид – воздушно - реактивное. Второй подвид – ракетные двигатели.
Вариант №2
В давние времена люди пытались использовать энергию топлива и это все для того чтобы вырабатывалась механическая энергия. А спустя некоторое время появились первые тепловые двигатели. Постепенно его преобразовывали и пытались сделать что-то новое. При помощи такого двигателя сначала получается газ, а потом и пар. Сначала они проходят и проделывают очень много работы, а потом происходит процесс охлаждения.
Немного попозже люди научились вырабатывать энергию. И делали они это при помощи разных способов. И это были ветровые мельницы.
Если рассматривать тепловые двигатели, то к ним можно отнести не только паровую машину, но еще и двигатель внутреннего сгорания, а также паровую или газовую турбину. Данные тепловые двигатели обычно заправляются при помощи жидкого или твердого топлива, а также при помощи солнечной или атомной энергии.
На сегодняшний день существует огромное количество разных автомобилей. И они работают обычно на тепловом двигателе. Кроме этого они работают на жидком топливе. Двигатель может выдержать всего четыре года. Также на двигателе имеется четыре такта. Именно поэтому он и называется четырехтактным. А вот для того чтобы увеличить мощность двигателя нужно поставить туда либо четыре цилиндра, а в некоторых случаях устанавливается восемь цилиндров. А вот более мощные двигатели обычно устанавливаются либо на теплоходах или тепловозах.
Кроме этого на сегодняшний день активно применяются и тепловые двигатели. Обычно туда заливается пар или газ, а потом нагревается до высокой температуры. Потом газ начинает вращаться, и при этом здесь совсем не нужен поршень. Также здесь совсем не нужен ни шатун, ни коленчатый вал.
А вот для того чтобы увеличить мощность требуется всего лишь специальные диски. И каждый из них должен был прикреплен к общему валу. Обычно данные турбины можно применять на тепловых электростанциях или на кораблях.
Также к тепловым двигателям относятся воздушно-реактивный двигатель. Он работает при помощи окисления горючего вещества, и потом он превращается в кислород. Они бывают бескомпрессорными (двигатель, который работает без помощи каких-либо компрессоров) и компрессорными (они работают при помощи газовой турбины или поршня).
Кроме этого установлено и отрицательное влияние тепловой машины на окружающую среду и в этом воздействуют некоторые факторы. Когда топливо сжигается, то выделяется кислород, а это значит, что в окружающей среде кислород наоборот уменьшается. Также когда топливо сжигается, то атмосфера загрязняется.
И нужно обязательно сказать о том, что в атмосферу выделяется огромное количество азота, а также серы. А ведь это все очень пагубно влияют на человека.
Также вредные вещества выбрасывает и автомобиль. А вот для того чтобы этого не происходило можно заменить бензиновый двигатель на обычное топливо. Самое главное чтобы в топливо не добавлялся свинец.
Имеются еще и паросиловые станции. Работают они при помощи пара. Обычно это паровой пар. Конечно, имеются еще и другие машины, которые работают при помощи ртути.
8, 10 класс окружающий мир
Тепловые двигатели
Поскольку территория России огромна и на всей ее протяженности постоянно возникают всевозможные катаклизмы природного и техногенного характеров, горят леса, разливаются реки, гибнут люди, все это требует принятия и предотвращения определенной
Эрнест Сетон - Томпсон (урожденный Эрнест Эван Томпсон) - известный канадский и американский писатель- анималист, художник и по совместительству один из основателей скаутского движения.
Планета Сириус является самой большой планетой созвездия Большого пса. Название в переводе с греческого языка означает – яркий, блестящий. Планету Сириус очень легко найти через созвездие Ориона.
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
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 0' alt='A>0' /> , 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:
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
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
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):
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.
Читайте также: