2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

В чем польза теплового двигателя

Тепловой двигатель

Теплово́й дви́гатель — тепловая машина, использующая теплоту от внешних источников (двигатель внешнего сгорания) или получаемую при сгорании топлива внутри двигателя (в камере сгорания или цилиндрах двигателя внутреннего сгорания) для преобразования в механическую энергию (поступательное движение либо вращение выходного вала). В соответствии с законами термодинамики, такие двигатели имеют коэффициент полезного действия меньше единицы, что означает неполное преобразование теплоты в механическую энергию. Смотря по конструкции двигателя, от 40 до 80 процентов поступающей (или выделяющейся внутри) энергии покидает машину в виде низкотемпературной теплоты, которая в ряде случаев используется для обогрева салона (наземный транспорт), жилых зданий и сооружений (для неподвижных стационарных двигателей), либо просто выбрасывается в атмосферу (авиационные двигатели, маломощные двигатели ручного инструмента, лодочных моторов и подобные). В таких случаях говорят о коэффициенте использования тепла топлива, который выше КПД самого двигателя [1] .

Важным аспектом любого теплового двигателя является вид и количество потребляемого им топлива, а также обусловленное этим загрязнение окружающей среды. Паровые турбины, преобразующие теплоту атомного реактора и солнечные тепловые станции топлива не сжигают, остальные же зависят от имеющихся энергоносителей, которые во многих случаях транспортируются издалека. Совокупность имеющихся в государстве тепловых двигателей (преобразующих энергию для вторичных двигателей, обычно электрическую) мест добычи топлива и транспортной инфраструктуры для его транспортировки называется топливно-энергетическим комплексом. Тепловые двигатели являются первичными, в отличие от вторичных (электрические, гидромоторы, и другие, получающие энергию от первичных) [2] .

Содержание

  • 1 Теория
  • 2 Циклы тепловых двигателей
  • 3 Типы тепловых двигателей
    • 3.1 Двигатель внешнего сгорания
      • 3.1.1 Паровая машина
      • 3.1.2 Паровая турбина
      • 3.1.3 Двигатель Стирлинга
    • 3.2 Двигатель внутреннего сгорания
      • 3.2.1 Поршневой двигатель внутреннего сгорания
      • 3.2.2 Газовая турбина
      • 3.2.3 Реактивный двигатель
      • 3.2.4 Другие типы
    • 3.3 Твёрдотельные двигатели
    • 3.4 Атмосфера и гидросфера Земли
  • 4 Примечания
  • 5 Ссылки

Теория [ править | править код ]

Работа, совершаемая двигателем, равна:

A = Q H − | Q X | -left|Q_right| >, где:

  • Q H >— количество теплоты, полученное от нагревателя,
  • Q X >— количество теплоты, отданное охладителю.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя рассчитывается как отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя: η = | Q H | − | Q X | | Q H | = 1 − | Q X | | Q H | right|-left|Q_right|>right|>>=1-right|>right|>>>

Часть теплоты при передаче неизбежно теряется, поэтому КПД двигателя менее 1. Максимально возможным КПД обладает двигатель Карно. КПД двигателя Карно зависит только от абсолютных температур нагревателя( T H > ) и холодильника( T X > ):

η K = T H − T X T H = 1 − T X T H =-T_ over T_>=1- over T_>>

Однако, смотря по устройству двигателя, его теоретический КПД может быть меньше такого для цикла Карно. Так, для наиболее распространённого двигателя Отто, работающего по циклу Отто, теоретический КПД циклла составляет:

η = 1 − 1 n k − 1 >>>, где:

  • n = V 1 / V 2 /V_<2>>— степень сжатия,
  • k — показатель адиабаты.

Так называемый индикаторный КПД меньше теоретического, что показывает несовершенство осуществляемого цикла (отличие индикаторной диаграммы от теоретической ввиду потерь теплоты в стенки, отличного от нуля времени нагрева газа, наполнения и очистки цилиндра).

В свою очередь, эффективный КПД (учитывающий все потери, до выходного вала) ещё меньше на сумму механических потерь и потерь на привод систем двигателя (масляный насос, системы газораспределения, охлаждения и другие — в зависимости от устройства).

Циклы тепловых двигателей [ править | править код ]

Почти любая спроектированная конструкция теплового двигателя использует термодинамический цикл, показывающий изменение состояния рабочего тела. Это не относится к твердотельным двигателям, у которых меняется состояние конструкции двигателя, а не газа или жидкости внутри него. Наиболее широко известны цикл Ренкина, регенеративный цикл (паровые машины), классический цикл Отто, цикл Дизеля.

Типы тепловых двигателей [ править | править код ]

Двигатель внешнего сгорания [ править | править код ]

Такие двигатели получили распространение раньше, ввиду неприхотливости к виду топлива, более простому устройству, ненужности в ранних вариантах (паровая машина) систем запуска, зажигания, охлаждения. Дали мощный импульс индустриализации, поскольку с их помощью были механизированы шахты, швейные и другие фабрики, затем транспорт (железная дорога). Улучшенные новые схемы таких двигателей обеспечивают мир большей частью вырабатываемой электроэнергии (ТЭС, АЭС, ТЭЦ, солнечные электростанции с нагревом котла). Новейшие модели паровозов до сих пор имеют применение ввиду простоты и потреблению древесной пыли в качестве топлива. Некоторые (двигатель Стирлинга) получили применение в космических кораблях.

Паровая машина [ править | править код ]

Является наиболее старым тепловым двигателем, первые конструкции которого относятся к XVII веку. Использовалась вначале исключительно в стационарном применении (насосы для рудничных вод, привод вагонеток), затем была установлена на транспортные средства: паровоз, пароход, паромобиль. Имеет широкий диапазон рабочих скоростей с умеренным КПД (ранние версии около 4%, наиболее поздние 12..14% [3] .

Паровая турбина [ править | править код ]

Иначе: турбозубчатый агрегат (ТЗА). Получила распространение вначале на военных кораблях, взамен паровых машин. Имея значительно меньшие размеры, турбина позволила улучшить скоростные и уменьшить массогабаритные показатели, при снижении экономичности на частичных нагрузках. В настоящее время имеет широчайшее применение на тепловых и атомных электростанциях, где хороший КПД паровых турбин поддерживается за счёт высоких показателей (температура, давление) пара и режима работы агрегата, близкого к максимальной мощности.

Двигатель Стирлинга [ править | править код ]

Поршневой двигатель с утилизацией внешней теплоты, без потери рабочего тела, которое остаётся внутри двигателя. Имеет наивысший КПД среди двигателей внешнего сгорания, при умеренной единичной мощности и высокой стоимости. Применение: космические аппараты [4] , подводные лодки [5] .

Двигатель внутреннего сгорания [ править | править код ]

Более поздние и сложные конструкции тепловых двигателей, обладающие высокими удельными массовыми показателями, почему получили основное применение на транспорте. В силу интенсивного рабочего процесса имеют меньшую теплопередачу в стенки, и потому более высокий термический КПД. Единственные двигатели, обеспечивающие полёты, включая космические (вывод на орбиту).

Поршневой двигатель внутреннего сгорания [ править | править код ]

Наиболее распространённый (по числу) тепловой двигатель. Устанавливается на многочисленные транспортные средства, также на локомотивы, электростанции умеренной мощности, морские суда и корабли. Особенностью является хороший КПД в широких диапазонах мощности. Требует трансмиссии (кроме дизель-молотов и свободно-поршневых генераторов газа).

Газовая турбина [ править | править код ]

Иначе: газотурбинный двигатель. Имеет сравнительно узкий диапазон мощностей с достаточным КПД, зато более высокие массогабаритные показатели. Отдаёт крутящий момент с достаточно большими оборотами, часто требует редуктора, системы запуска, зажигания, и других. Использовался в турбовинтовых двигателях самолётов, широко применяется в мощных электростанциях, силовых установках кораблей и быстроходных судов (судно на воздушной подушке, глиссер, судно на подводных крыльях).

Реактивный двигатель [ править | править код ]

Одновременно является движителем (отдаёт мощность в виде поступательного движения газа). Применяется в авиации (реактивный самолёт) и космонавтике (химический ракетный двигатель). Способен работать в безвоздушном пространстве (в камеру сгорания подаётся как топливо, так и окислитель).

Другие типы [ править | править код ]

Под классификацию тепловых двигателей внутреннего сгорания попадает огнестрельное оружие [6] , дизель-молот и свободнопоршневой генератор газа.

Твёрдотельные двигатели [ править | править код ]

Такие двигатели используют твёрдый материал (вещество в твёрдой фазе) в качестве рабочего тела. Работа совершается при изменении формы рабочего тела. Позволяют использовать малые перепады температур. [7]

  • Johnson thermoelectric energy converter (JTEC) — использует электрохимическое окисление и восстановление водорода в паре ячеек, реализует тепловой цикл, приближенный к циклуДжона Эрикссона[8]
  • металлические двигатели, использующие изменение формы различных твердых сплавов из-за температуры, например составов с памятью формы или теплового расширения твердых тел [9]

Атмосфера и гидросфера Земли [ править | править код ]

Эти оболочки планеты в свою очередь являются грандиозными тепловыми двигателями, работающими на перепаде температур по высоте атмосферы, глубине воды, и широте местности. Получаемая механическая работа при движении воздуха и воды, в свою очередь, переходит в тепло и рассеивается, хотя ничтожная часть её используется для привода многочисленных ветроэлектростанций и станций, работающих на температурном градиенте воды.

Вред и польза тепловых двигателей

u00a0u0423u043cu0435u043du044cu0448u0430u0435u0442u0441u044f u0441u043eu0434u0435u0440u0436u0430u043du0438u0435 u043au0438u0441u043bu043eu0440u043eu0434u0430 u0438 u0443u0432u0435u043bu0438u0447u0438u0432u0430u0435u0442u0441u044f u043au043eu043bu0438u0447u0435u0441u0442u0432u043e u0443u0433u043bu0435u043au0438u0441u043bu043eu0433u043e u0433u0430u0437u0430 u0432 u0430u0442u043cu043eu0441u0444u0435u0440u0435 u0417u0430u0433u0440u044fu0437u043du044fu0435u0442u0441u044f u0432u043eu0437u0434u0443u0445 u0432u0440u0435u0434u043du044bu043cu0438 u0445u0438u043cu0438u0447u0435u0441u043au0438u043cu0438 u0441u043eu0435u0434u0438u043du0435u043du0438u044fu043cu0438 u0412u043eu0437u043du0438u043au0430u0435u0442 u0443u0433u0440u043eu0437u0430 u0438u0437u043cu0435u043du0435u043du0438u044f u043au043bu0438u043cu0430u0442u0430u00a0
u00a0

u0422u043eu043fu043au0438 u0442u0435u043fu043bu043eu0432u044bu0445 u044du043bu0435u043au0442u0440u043eu0441u0442u0430u043du0446u0438u0439, u0434u0432u0438u0433u0430u0442u0435u043bu0438 u0432u043du0443u0442u0440u0435u043du043du0435u0433u043e u0441u0433u043eu0440u0430u043du0438u044f u0430u0432u0442u043eu043cu043eu0431u0438u043bu0435u0439, u0441u0430u043cu043eu043bu0435u0442u043eu0432 u0438 u0434u0440u0443u0433u0438u0445 u043cu0430u0448u0438u043d u0432u044bu0431u0440u0430u0441u044bu0432u0430u044eu0442 u0432 u0430u0442u043cu043eu0441u0444u0435u0440u0443 u0432u0440u0435u0434u043du044bu0435 u0434u043bu044f u0447u0435u043bu043eu0432u0435u043au0430, u0436u0438u0432u043eu0442u043du044bu0445 u0438 u0440u0430u0441u0442u0435u043du0438u0439 u0432u0435u0449u0435u0441u0442u0432u0430, u043au043eu0442u043eu0440u044bu0435 u043fu043eu043fu0430u0434u0430u044eu0442 u0432 u0430u0442u043cu043eu0441u0444u0435u0440u0443, u0430 u0438u0437 u043du0435u0435 u2014 u0432 u0440u0430u0437u043bu0438u0447u043du044bu0435 u0447u0430u0441u0442u0438 u043bu0430u043du0434u0448u0430u0444u0442u0430.u00a0
u00a0

u0416/u0434 u0442u0440u0430u043du0441u043fu043eu0440u0442 u044fu0432u043bu044fu0435u0442u0441u044f u0437u0430u0433u0440u044fu0437u043du0438u0442u0435u043bu0435u043c u043eu043au0440u0443u0436u0430u044eu0449u0435u0439 u0441u0440u0435u0434u044b. u0412 u0430u0442u043cu043eu0441u0444u0435u0440u0443 u0432u044bu0431u0440u0430u0441u044bu0432u0430u0435u0442u0441u044f u0431u043eu043bu044cu0448u043eu0435 u043au043eu043bu0438u0447u0435u0441u0442u0432u043e u0440u0430u0437u043bu0438u0447u043du044bu0445 u0433u0430u0437u043eu0432: u043eu043au0441u0438u0434u043eu0432 u0443u0433u043bu0435u0440u043eu0434u0430, u0430u0437u043eu0442u0430, u043au0440u0435u043cu043du0438u044f u0438 u0434u0440.u00a0 «>]» data-test=»answer-box-list»>

Уменьшается содержание кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере Загрязняется воздух вредными химическими соединениями Возникает угроза изменения климата

Топки тепловых электростанций, двигатели внутреннего сгорания автомобилей, самолетов и других машин выбрасывают в атмосферу вредные для человека, животных и растений вещества, которые попадают в атмосферу, а из нее — в различные части ландшафта.

Ж/д транспорт является загрязнителем окружающей среды. В атмосферу выбрасывается большое количество различных газов: оксидов углерода, азота, кремния и др.

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Вы будете перенаправлены на Автор24

Принципиальное устройство теплового двигателя

В природе мы часто можем наблюдать процессы перехода механической энергии в тепловую энергию, например, трение тел друг о друга в процессе их относительного движения вызывает их нагрев.

Используя тепловой двигатель можно провести обратный процесс: преобразовать теплоту в механическую работу. В тепловом двигателе нагреваемый пар расширяясь, давит на поршень и производит работу.

Любой тепловой двигатель имеет три части:

  • нагреватель;
  • холодильник;
  • рабочее тело, это пар или газ, находящийся в емкости с поршнем, который может расширяться и сжиматься.

При конструировании теплового двигателя задача заключается в том, чтобы создать такие условия, при которых газ будет попеременно соприкасаться с нагревателем и холодильником.

  • Контактируя с нагревателем, рабочее тело нагревается, расширяется и совершает работу.
  • Соприкасаясь с холодильником газ сжимается, поршень уходит в первоначальное положения, работа совершается над рабочим телом.
  • Цикл может начинаться сначала.

В описанном цикле механическая работа получается в результате теплоотдачи нагревателя.

Нагреватель получает теплоту за счет сжигания топлива разного вида:

  • каменного угля;
  • бензина;
  • природного газа.

Сжигание топлива можно производить вне цилиндра, в котором происходит расширение рабочего тела (газа), такой двигатель называют двигателем внешнего сгорания. Примером двигателей внешнего сгорания могут быть:

  • паровая машина;
  • турбина.

Двигатели, у которых сжигание топлива происходит внутри камеры сгорания, называют двигателями внутреннего сгорания. Примерами двигателей внутреннего сгорания могут быть:

  • бензиновый двигатель;
  • дизель;
  • реактивный двигатель.

Тепловой двигатель не может работать без потерь, то есть он не может переводить в механическую работу все тепло, которое подводится ему извне.

Эффективность работы теплового двигателя определяют при помощи коэффициента полезного действия:

где $A$ — работа в одном цикле; $Q_1$ — количество теплоты, получаемое рабочим телом от нагревателя; $Q_2$ — количество теплоты, отданное системой холодильнику.

Готовые работы на аналогичную тему

Выражение (1) показывает, что тепловой двигатель будет тем эффективнее, чем меньше количество теплоты уходит из системы (не используется).

Теплопередача должна проходить в системе так, чтобы:

  • вся теплота, полученная от нагревателя, по возможности шла на выполнение работы;
  • рабочее тело могло выполнять работу, то есть газ, увеличивая свой объем мог двигать поршень.

Цикл Карно

Тезис о том, что для выполнения работы в замкнутом цикле должны присутствовать два тела, имеющие разные температуры: $T_1$ и $T_2$, называют принципом Карно.

В первой половине XIX века Н. Карно показал, что максимальная механическая работа получается в термодинамическом цикле, который состоит из пары изотерм и пары адиабат. Тепловой двигатель, который работает в соответствии с циклом Карно, назвали машиной Карно.

Коэффициент полезного действия такого цикла зависит только от температуры нагревателя ($T_1$) и холодильника ($T_2$):

Не существует тепловой машины, температура нагревателя которой $T_1$ , а холодильника $T_2$, КПД которой больше, чем КПД машины Карно. Из уравнения (2) следует, что КПД цикла Карно не зависит от вида рабочего тела.

Единственным способом увеличения эффективности теплового двигателя, как видно из (2) является увеличение разности температур нагревателя и холодильника:

Часто в тепловых двигателях холодильником является окружающая среда, следовательно, для увеличения эффективного двигателя необходимо увеличивать температуру нагревателя, то есть создавать, например, для двигателей внутреннего сгорания смеси, выделяющие максимальное количество теплоты.

В действительности идеальный цикл Карно выполнить не удается.

  1. Так как практически сложно выполнить строго изотермический и адиабатный процессы.
  2. Большая часть энергии уходит на трение, при котором тепловая энергия излучается в окружающее пространство.

КПД паровых турбин на сегодняшний момент составляет около 40%.

Загрязнение атмосферы

Тепловые двигатели используют для того, чтобы получать дешевую эклектическую и механическую энергию. В соответствии законами термодинамики производство полезной работы не возможно без отвода в окружающую среду большого количества теплоты, что ведет к повышению средней температуры на нашей планете.

Быстрый рост автомобильного транспорта увеличил массу выбросов в атмосферу выхлопных газов. В промышленно развитых городах до 70% выбросов связано с транспортом.

Больший вклад в загрязнении атмосферы делают бензиновые автомобили, далее идут самолеты, автомобили с дизельными двигателями, сельскохозяйственный транспорт и железнодорожный транспорт.

Основными веществами, которыми загрязнет транспорт атмосферу, являются:

  • оксиды углерода;
  • оксиды азота;
  • углеводороды.

Проблемы энергетики

Проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды, вызванным активным ростом энергетики, касаются всех стран и народов нашей планеты. С другой стороны, энергия обеспечивает развитие цивилизации и жизнь каждого человека в наше время.

Факторами, которые негативно воздействуют на окружающую среду при эксплуатации тепловых двигателей, являются:

  1. Загрязнение продуктами сгорания; сточные воды; твердые отходы (шлаки, зола).
  2. Тепловое загрязнение (тепловые воздушные потоки, отвод тепла водой).
  3. Радиоактивное загрязнение (при использовании ядерного топлива).
  4. Электромагнитные воздействия.
  5. Шумовые загрязнения.
  6. Изъятие из использования территорий при строительстве крупных энергетических комплексов.

На сегодняшний день большую часть энергии в мире получают при сжигании органического топлива.

Основными факторами воздействия теплоэлектрических станций (ТЭС) на окружающую среду можно считать потребление природных ресурсов, таких как нефть, уголь, газ.

Сжигание топлива на ТЭС ведет к превращению всей их массы в отходы, при этом продукты сгорания в несколько раз превышают массу использованного топлива из-за включения кислорода и азота из воздуха.

Все сжигающие топливо установки каждый год поставляют в атмосферу более 200 млн. тонн оксида углерода, 50 млн. тон разных углеводородов, 150 млн. тонн двуокиси серы, более 50 млн. тонн окислов азота. В суммарном загрязнении атмосферы отходами производства, отходы теплоэнергетики составляют:

  • 20-35% пыли;
  • до 50% диоксида серы;
  • 30-35% окислов азота.

Физика. 10 класс

Конспект урока

Физика, 10 класс

Урок 25. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Понятие теплового двигателя;

2)Устройство и принцип действия теплового двигателя;

3)КПД теплового двигателя;

Глоссарий по теме

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

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

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

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

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

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

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

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

Основная и дополнительная литература по теме урока:

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

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

Открытые электронные ресурсы по теме урока

Теоретический материал для самостоятельного изучения

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.

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

Q1 – количество теплоты полученное от нагревания

Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику

– работа, совершаемая двигателем за цикл.

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

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

Передача неиспользуемой части энергии холодильнику.

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

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

Цикл Карно — самый эффективный цикл, имеющий максимальный КПД.

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

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

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

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.

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

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

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

Паровой двигатель – 8%.

Паровая турбина – 40%.

Газовая турбина – 25-30%.

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.

Дизельный двигатель – 40– 44%.

Реактивный двигатель – 25%.

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

Примеры и разбор решения заданий

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

Дано: v=180км/ч = 50 м/с, V = 15 л = 0,015 м 3 , s = 100 км = 10 5 м, ɳ = 25% = 0,25, ρ = 700 кг/м 3 , q = 46 × 10 6 Дж/кг.

Запишем формулу для расчёта КПД теплового двигателя:

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

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

Учитывая всё это, мы можем записать:

Время работы двигателя можно найти по формуле:

Из формулы КПД выразим среднюю мощность:

.

Подставим числовые значения величин:

После вычислений получаем, что N=60375 Вт.

Ответ: N=60375 Вт.

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

Дано: ɳ = 25%, N = 4000 Вт, t = 20 с.

=

– это количество теплоты, отданное холодильнику

Тепловые двигатели МОУ «Караваинская СОШ» учитель физики – Юмашев А.В. — презентация

Презентация была опубликована 9 лет назад пользователемuma2029.narod.ru

Похожие презентации

Презентация на тему: » Тепловые двигатели МОУ «Караваинская СОШ» учитель физики – Юмашев А.В.» — Транскрипт:

1 Тепловые двигатели МОУ «Караваинская СОШ» учитель физики – Юмашев А.В.

2 Содержание Стартовый слайд Стартовый слайд Содержание Содержание Краткая история развития Т.Д. Краткая история развития Т.Д. Типы тепловых двигателей Типы тепловых двигателей –Двигатель внутреннего сгорания –Паровая турбина –Ракетный двигатель Значение тепловых двигателей Значение тепловых двигателей Цикл Карно Цикл Карно Вред наносимый окружающей среде Вред наносимый окружающей среде Уменьшение загрязнений окружающей среды. Уменьшение загрязнений окружающей среды.

3 Краткая история. Ещё в давние времена люди старались использовать энергию топлива для превращения её в механическую. В XVIIв. был изобретён 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) расширяясь, совершает работу и охлаждается,а часть его внутренней энергии при этом превращается в механическую энергию. К сожалению, коэффициент полезного действия не высок.

4 Типы тепловых двигателей. Двигатель внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания. Паровая турбина. Паровая турбина. Ракетный двигатель Ракетный двигатель

5 Двигатель внутреннего сгорания. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию. По роду топлива различают жидкостные и газовые; по рабочему циклу непрерывного действия, 2- и 4-тактные; по способу приготовления горючей смеси с внешним (напр., карбюраторные) и внутренним (напр., дизели) смесеобразованием; по виду преобразователя энергии поршневые, турбинные, реактивные и комбинированные. Коэффициент полезного действия 0,4-0,5. Первый двигатель внутреннего сгорания сконструирован Э. Ленуаром в 1860.Э. Ленуаром В наше время чаще встречается автомобильный транспорт, который работает на тепловом двигателе внутреннего сгорания, работающем на жидком топливе. Рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня, за четыре такта. Поэтому такой двигатель и называется четырёхтактным. Цикл двигателя состоит из следующих четырёх тактов: 1.впуск, 2.сжатие, 3.рабочий ход, 4.выпуск. Для усиления мощности и лучшей системы обеспеченности равномерности вращения вала, используют 4,8 и более цилиндровых двигателей. Особенно мощные двигатели на теплоходах, тепловозах и др. Для усиления мощности и лучшей системы обеспеченности равномерности вращения вала, используют 4,8 и более цилиндровых двигателей. Особенно мощные двигатели на теплоходах, тепловозах и др.

6 Паровая турбина. В современной технике так же широко применяют и другой тип теплового двигателя. В нём пар или нагретый до высокой температуры газ вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. Такие двигатели называют турбинами. ПАРОВАЯ ТУРБИНА, турбина, преобразующая тепловую энергию водяного пара в механическую работу. Подразделяются на стационарные (напр., на теплоэлектростанции) и транспортные (судовые). Выполняются одно- и многокорпусными (обычно не более 4 корпусов), одновальными (валы всех корпусов на одной оси) и с параллельным расположением 2-3 валов. В Российской Федерации строят паровые турбины мощностью от нескольких кВт до 1200 МВт. В современных турбинах, для увеличения мощности применяют не один, а несколько дисков, насажанных на общий вал. Турбины применяют на тепловых электростанциях и на кораблях.

7 Ракетный двигатель РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, реактивный двигатель, не использующий для работы окружающую среду (воздух, воду). Распространены химические ракетные двигатели (разрабатывают и испытывают электрические, ядерные и другие ракетные двигатели). Простейший ракетный двигатель работает на сжатом газе. По назначению различают разгонные, тормозные, управляющие и др. Применяют на ракетах (отсюда название), самолетах и др. Основной двигатель в космонавтике.

8 Значение тепловых двигателей Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Тепловые двигатели- паровые турбины- устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном- поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном- ДВС и паровые турбины; на ж/д- тепловозы с дизельными установками; в авиации- поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели. Тепловые двигатели- паровые турбины- устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном- поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном- ДВС и паровые турбины; на ж/д- 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.

9 Цикл Карно КАРНО ЦИКЛ, обратимый круговой процесс, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных процессов; впервые рассмотрен Н. Л. С. Карно (1824) в связи с определением кпд тепловых машин. Кпд Карно цикла n не зависит от свойств рабочего тела (пара, газа и т. п.) и определяется температурами теплоотдатчика Т1 и теплоприемника Т2, n = (Т1- Т2)/Т1. Кпд любой тепловой машины не может быть больше кпд Карно цикла (при тех же Т1 и Т2). круговой процесс круговой процесс

10 Вред наносимый окружающей среде Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов. Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается. Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается. Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. В третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. В третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. А автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу два-три тонн свинца. А автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу два-три тонн свинца. Выбросы вредных веществ в атмосферу- не единственная сторона воздействия энергетики на природу. Согласно законам термодинамики производство электрической и механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительных количеств теплоты. Это не может не приводить к постепенному повышению средней температуры на земле. Одно из направлений, связанное с охраной окружающей среды, это увеличение эффективности использования энергии, борьба за её экономию.

11 Уменьшение загрязнений окружающей среды. Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды- использование в автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей дизелей, в топливо которых не добавляют соединения свинца. Перспективными являются разработки автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей применяются электродвигатели или двигатели, использующие в качестве топлива водород. Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды- использование в автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей дизелей, в топливо которых не добавляют соединения свинца. Перспективными являются разработки автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей применяются электродвигатели или двигатели, использующие в качестве топлива водород.

голоса
Рейтинг статьи
Читать еще:  Что такое демпфер двигателя ваз 2110
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector