Потребность использования механической энергии на производстве привело к появлению тепловых машин.
Тепловая машина (тепловой двигатель) - устройство для преобразования внутренней энергии в механическую.
Любая тепловая машина имеет нагреватель, рабочее тело (газ или пар), которое в результате нагрева выполняет работу (приводит во вращение вал турбины, двигает поршень и так далее) и холодильник. На рисунке ниже изображена схема теплового двигателя.
Каждая тепловая машина функционирует благодаря двигателю. Для выполнения работы ему нужно, чтобы по ту и другую сторону поршня двигателя или лопастей турбины была разность давлений. Достигается эта разность во всех тепловых двигателях так: температура рабочего тела повышается на сотни или тысячи градусов в сравнении с температурой окружающей среды. В газовых турбинах и в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) происходит повышение температуры за счет того, что топливо сгорает внутри самого двигателя. Холодильником может выступать атмосфера или специального назначения устройства для конденсации и охлаждения отработанного пара.
Цикл (круговой процесс) - совокупность изменений состояния газа, в результате которых он возвращается в исходное состояние (может выполнять работу). В 1824 году французский физик Сади Карно показал, что выгодным является цикл тепловой машины (цикл Карно), который состоит из двух процессов - изотермического и адиабатного. На рисунке ниже изображен график цикла Карно: 1-2 и 3-4 - изотермы, 2-3 и 4-1 - адиабаты.
В соответствии с законом сохранения энергии работа тепловых машин, которую выполняет двигатель, равна:
А = Q1– Q2,
где Q1 - количество теплоты, которое получено от нагревателя, а Q2 - количество теплоты, которое предано холодильнику.КПД тепловой машины называется отношение работы А, которую выполняет двигатель, к количеству теплоты, которое получено от нагревателя:
η = А/Q =(Q1– Q2)/Q1 = 1 - Q2/Q1.
В работе «Мысли о движущей силе огня и о машинах, которые способны развивать эту силу» (1824) Карно описал тепловую машину под названием "идеальная тепловая машина с идеальным газом, который представляет собой рабочее тело". Благодаря законам термодинамики можно вычислить КПД (максимально возможный) теплового двигателя с нагревателем, который имеет температуру Т1, и холодильником с температурой Т2. Тепловая машина Карно имеет КПД:
ηmax = (T1 – T2)/T1 = 1 – T2/T1.
Сади Карно доказал, что какая угодно тепловая машина реальная, которая работает с нагревателем с температурой Т1 и холодильником с температурой Т2 не способна иметь КПД, который бы превышал КПД тепловой машины (идеальной).
Четырехтактный ДВС состоит из одного или нескольких цилиндров, поршня, кривошипно-шатунного механизма, впускного и выпускного клапанов, свечи.
Рабочий цикл состоит из четырех тактов:
1) засасывания - горючая смесь попадает через клапан в цилиндр;2) сжатия - оба клапана закрыты;3) рабочий ход - взрывное сгорание горючей смеси;4) выхлоп - выпуск отработанных газов в атмосферу.
В паровой турбине преобразование энергии происходит за счет разницы давлений водяного пара на входе и выходе.Мощности современных паровых турбин достигают 1300 МВт.
Тепловая машина состоит из воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины. Принцип работы: воздух адиабатно засасывается в компрессор, поэтому его температура повышается до 200 °С и более. Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, куда одновременно под большим давлением поступает жидкое топливо - керосин, фотоген, мазут. При сгорании топлива воздух нагревается до температуры 1500-2000 °С, расширяется, и скорость его движения растет. Воздух движется с большой скоростью, и продукты сгорания направляются в турбину. После перехода от ступени к ступени продукты сгорания отдают лопастям турбины свою кинетическую энергию. Часть энергии, полученной турбиной, идет на вращение компрессора; оставшаяся часть расходуется на вращение ротора электрогенератора, винта самолета или морского судна, колес автомобиля.
Газовую турбину можно использовать, кроме вращения колес автомобиля и винтов самолета или теплохода, в качестве реактивного двигателя. Воздух и продукты сгорания с большой скоростью выбрасываются из газовой турбины, поэтому реактивная тяга, которая возникает при этом процессе, может использоваться для хода воздушных (самолет) и водных (теплоход) судов, железнодорожного транспорта. Например, турбовинтовые двигатели имеют самолеты Ан-24, Ан-124 («Руслан»), Ан-225 («Мечта»). Так, «Мечта» при скорости полета 700-850 км/ч способна перевозить 250 тонн груза на расстояние почти 15 000 км. Это крупнейший транспортный самолет в мире.
Большое влияние на климат имеет состояние атмосферы, в частности наличие углекислого газа и водяного пара. Так, изменение содержания углекислого газа приводит к усилению или ослаблению парникового эффекта, при котором углекислый газ частично поглощает тепло, которое Земля излучает в космос, задерживает его в атмосфере и повышает тем самым температуру поверхности и нижних слоев атмосферы. Явление парникового эффекта играет решающую роль в смягчении климата. При его отсутствии средняя температура планеты была бы не +15 °С, а ниже на 30-40 °С.
Сейчас в мире существует более 300 млн различного вида автомобилей, которые создают более половины всех загрязнений атмосферы.
За 1 год в атмосферу из тепловых электростанций в результате сжигания топлива выделяется 150 млн тонн оксидов серы, 50 млн тонн оксида азота, 50 млн тонн золы, 200 млн тонн оксида углерода, 3 млн тонн феона.
В состав атмосферы входит озон, который защищает все живое на земле от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей. В 1982 году Дж. Фарманом, английским исследователем, над Антарктидой была открыта озоновая дыра - временное снижение содержания озона в атмосфере. В момент максимального развития озоновой дыры 7 октября 1987 количество озона в ней уменьшилось в 2 раза. Озоновая дыра, вероятно, возникла в результате антропогенных факторов, в том числе использования в промышленности хлорсодержащих хладонов (фреонов), которые разрушают озоновый слой. Однако исследования 1990 гг. не подтвердили эту точку зрения. Скорее всего, появление озоновой дыры не связано с деятельностью человека и является естественным процессом. В 1992 году и над Арктикой была открыта озоновая дыра.
Если весь атмосферный озон собрать в слой у поверхности Земли и сгустить его к плотности воздуха при нормальном атмосферном давлении и температуре 0 °С, то толщина озонового щита будет всего лишь 2-3 мм! Вот и весь щит.
Задача 1. Температуру нагревателя идеальная тепловая машина имеет равную 2000 К, а температуру холодильника - 100 °С. Определить КПД.
Решение:Формула, которая определяет КПД тепловой машины (максимальный):
ŋ = Т1-Т2/Т1.ŋ = (2000К - 373К) / 2000 К = 0,81.
Ответ: КПД двигателя - 81 %.
Задача 2. В тепловом двигателе при сгорании топлива было получено 200 кДж теплоты, а холодильнику передано 120 кДж теплоты. Каков КПД двигателя?
Решение:Формула для определения КПД имеет такой вид:
ŋ = Q1 - Q2 / Q1.ŋ = (2·105 Дж - 1,2·105 Дж) / 2·105 Дж = 0,4.
Ответ: КПД теплового двигателя - 40 %.
Задача 3. Каков КПД тепловой машины, если рабочее тело после получения от нагревателя количества теплоты 1,6 МДж выполнило работу 400 кДж? Какое количество теплоты было передано холодильнику?
Решение:КПД можно определить по формуле
ŋ = А / Q1.
ŋ = 0,4·106 Дж / 1,6·106 Дж = 0,25.
Переданное холодильнику количество теплоты можно определить по формуле
Q1 - А = Q2.Q2 = 1,6·106 Дж - 0,4·106 Дж = 1,2·106 Дж.Ответ: тепловая машина имеет КПД 25 %; переданное холодильнику количество теплоты - 1,2·106 Дж.
fb.ru
Принцип действия теплового двигателя
Темой прошлого урока был первый закон термодинамики, который задавал связь между некоторым количеством теплоты, которое было передано порции газа, и работой, совершаемой этим газом при расширении. И теперь пришло время сказать, что эта формула вызывает интерес не только при неких теоретических расчётах, но и во вполне практическом применении, ведь работа газа есть не что иное как полезная работа, какую мы извлекаем при использовании тепловых двигателей.
Определение. Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую работу (рис. 1).
Рис. 1. Различные примеры тепловых двигателей (Источник), (Источник)
Как видно из рисунка, тепловыми двигателями являются любые устройства, работающие по вышеуказанному принципу, и они варьируются от невероятно простых до очень сложных по конструкции.
Все без исключения тепловые двигатели функционально делятся на три составляющие (см. рис. 2):
Рис. 2. Функциональная схема теплового двигателя (Источник)
Нагревателем является процесс сгорания топлива, которое при сгорании передаёт большое количество теплоты 
газу, нагревая тот до больших температур. Горячий газ, который является рабочим телом, вследствие повышения температуры, а следовательно, и давления, расширяется, совершая работу 
уходит на холодильник, которым, как правило, является окружающая среда. Проще всего можно представить себе процесс, происходящий в простом цилиндре под подвижным поршнем (например, цилиндр двигателя внутреннего сгорания). Естественно, чтобы двигатель работал и в нём был смысл, процесс должен происходить циклически, а не разово. То есть после каждого расширения газ должен возвращаться в первоначальное положение (рис. 3).
Рис. 3. Пример циклической работы теплового двигателя (Источник)
Для того чтобы газ возвращался в начальное положение, над ним необходимо выполнить некую работу (работа внешних сил). А так как работа газа равна работе над газом с противоположным знаком, для того чтобы за весь цикл газ выполнил суммарно положительную работу (иначе в двигателе не было бы смысла), необходимо, чтобы работа внешних сил была меньше работы газа. То есть график циклического процесса в координатах P-V должен иметь вид: замкнутый контур с обходом по часовой стрелке. При данном условии работа газа (на том участке графика, где объём растёт) больше работы над газом (на том участке, где объём уменьшается) (рис. 4).
Рис. 4. Пример графика процесса, протекающего в тепловом двигателе
Раз мы говорим о некоем механизме, обязательно нужно сказать, каков его КПД.
В современной технике широко применяют 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.
Ротор паровой турбины
Схема устройства простейшей паровой турбины приведена на рисунке 28. На вал 5 насажен диск 4, по ободу которого закреплены лопатки 2. Около лопаток расположены трубы — сопла 1, в которые поступает пар 3 из котла. Струи пара, вырывающиеся из сопел, оказывают значительное давление на лопатки и приводят диск турбины в быстрое вращательное движение.
Схема паровой турбины
В современных турбинах применяют не один, а несколько дисков, насаженных на общий вал. Пар последовательно проходит через лопатки всех дисков, отдавая каждому из них часть своей энергии.
На электростанциях с турбиной соединён генератор электрического тока. Частота вращения вала турбин достигает 3000 оборотов в минуту, что является очень удобным для приведения в движение генераторов электрического тока.
В нашей стране строят паровые турбины мощностью от нескольких киловатт до 1 200 000 кВт.
Применяют турбины на тепловых электростанциях и на кораблях.
Постепенно находят всё более широкое применение газовые турбины, в которых вместо пара используются продукты сгорания газа.
Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только незначительную часть энергии, которая выделяется топливом. Большая часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве.
Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты. Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу за счёт своей внутренней энергии. Часть энергии передаётся атмосфере — холодильнику — вместе с отработанным паром или выхлопными газами.
Очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее.
Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия двигателя — КПД.
Отношение совершённой полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя.
Коэффициент полезного действия обозначают η (греч. буква «эта»).
КПД теплового двигателя определяют по формуле
где Ап — полезная работа, Q1 — количество теплоты, полученное от нагревателя, Q2 — количество теплоты, отданное холодильнику, Q1 - Q2 — количество теплоты, которое пошло на совершение работы. КПД выражается в процентах.
Например, двигатель из всей энергии, выделившейся при сгорании топлива, расходует на совершение полезной работы только одну четвёртую часть. Тогда коэффициент полезного действия двигателя равен ¼, или 25% .
КПД двигателя обычно выражают в процентах. Он всегда меньше единицы, т. е. меньше 100% . Например, КПД двигателей внутреннего сгорания 20—40%, паровых турбин — немногим выше 30%.
Задание 1. Ответить на вопросы.
Задание 2. Решить задачи. ☝ При равномерном перемещении груза массой 30 кг по наклонной плоскости была приложена сила 80 Н. Вычисли КПД плоскости, если ее длина 3,6 м, а высота – 60 см. ☝ Какова длина наклонной плоскости, если при перемещении груза массой 1 кг была приложена сила 5 Н? Высота наклонной плоскости 0,2 м, а КПД 80%. ☝ Груз массой 300 кг подняли с помощью рычага на высоту 0,5 м. При этом к длинному плечу рычага была приложена сила 500 Н, а точка приложения силы опустилась на 4 м. Вычислите КПД рычага. ☝ Какая сила была приложена к длинному плечу рычага с КПД 40%, если груз массой 100 кг был поднят на высоту 10 см, а длинное плечо рычага опустилось на 50 см?
ИНТЕРЕСНО
1. Мощные механизмы приводят в движение не паровыми поршневыми машинами, а паровыми турбинами. Ведь поршневые машины при той же мощности имеют большие размеры и вес и меньший кпд. В ряде случаев это технически неудобно и экономически невыгодно.
2. Чтобы поднять КПД парового двигателя стенки парового котла лучше делать из железа или меди. Эти металлы улучшат теплопроводность котла и этим поднимут его КПД. Кстати, слой накипи ухудшает теплопроводность котла и приводит к появлению на нем трещин и, в конце концов, к порче котла, поэтому-то так необходимо очищать котел от накипи.
К занятию прикреплен файл «Изобретение и распространение паровых турбин.». Вы можете скачать файл в любое удобное для вас время.
Использованные источники:
www.kursoteka.ru
Необратимость тепловых процессов.
Второй закон термодинамики.
Закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии при любых процессах остается неизменным. Но он ничего не говорит о том, какие энергетические превращения возможны.
Закон сохранения энергии не запрещает, процессы, которые на опыте не происходят:
-нагревание более нагретого тела более холодным;
— самопроизвольное раскачивание маятника из состояния покоя;
— собирание песка в камень и т.д.
Процессы в природе имеют определенную направленность. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут.
Все процессы в природе необратимы (старение и смерть организмов).
Необратимым процессом может быть … назван такой процесс, обратный которому может протекать только как одно из звеньев более сложного процесса.
Самопроизвольными называются такие процессы, которые происходят без воздействия внешних тел, а значит, без изменений в этих телах.
Процессы перехода системы из одного состояния в другое, которые можно провести в обратном направлении через ту же последовательность промежуточных равновесных состояний, называются обратимыми.
При этом сама система и окружающие тела полностью возвращаются к исходному состоянию.
Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе. Он установлен путем непосредственного обобщения опытных фактов.
Формулировка Р. Клаузиуса: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.
Формулировка У. Кельвина: невозможно осуществить такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника.
| Машины, преобразующие внутреннюю энергию в механическую работу называют тепловыми двигателями | |
| На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. На водном транспорте также использовались вначале паровые двигатели, сейчас используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные турбины для крупных судов. Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей (в основном мощных паровых турбин) на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Около 80 % всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях. Тепловые двигатели (паровые турбины) устанавливают также на атомных электростанциях.Газовые турбины широко используются в ракетах, в железнодорожном и автомобильном транспорте. На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели). В авиации на легких самолетах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах – турбовинтовые и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах. | |
| Хронология изобретений: 1690 — пароатмосферная машина Д.Папена (Франция) 1698 — пароатмосферная машина Т.Севери (Англия) 1705 — пароатмосферная машина Т.Ньюкомена (Англия) 1763 — паровая машина И.Ползунова (Россия) 1774 — паровая машина Д.Уатта (Англия) 1860 — двигатель внутреннего сгорания Ленуара (Франция) 1865 — двигатель внутреннего сгорания Н.Отто (Германия) 1871 — холодильная машина К.Линде (Германия) 1887 — паровая турбина К.Лаваля (Швеция) 1897 — двигатель внутреннего сгорания Р.Дизеля (Германия) | |
Круговой (циклический) процесс — если в результате изменений система вернулась в исходное состояние, то говорят, что она совершила круговой процесс или цикл. А1а2>А1б2 — по модулю (из сравнения площадей). А1а2>0 А1б2<0 Суммарная работа за циклический процесс численно равна площади, ограниченной линией процесса. Из второго з-на термодинамики: ни один тепловой двигатель не может иметь кпд равный единице (100%).  , где А — работа двигателя за цикл, Q — количество теплоты, полученное двигателем за цикл. |   |
| Принцип работы теплового двигателя: Q = A’ + ΔU — количество теплоты, переданное системе расходуется на совершение этой системой механической работы и на увеличение ее внутренней энергии (т.е. система должно отдать тепло в окружающее пространство) — 1-й з-н термодинамики. | Q = A’ + ΔU |
Нагреватель передает тепло рабочему телу при температуре Т1. Рабочее тело совершает полезную механическую работу A’. Холодильник (охладитель) получает часть тепла, обеспечивая циклический процесс. A’ = Q1 — Q2Коэффициент полезного действия теплового двигателя:  |  |
| Кпд реальных двигателей: турбореактивный — 20 -30%; карбюраторный — 25 -30%, дизельный — 35-45%. 0 — 1 — впуск горючей смеси (изобара) 1 — 2 — сжатие (адиабата) 2 — загорание горючей смеси 2 -3 -резкое возрастание давления (изохора) 3 -4 — рабочий ход (адиабата) 4 — 0 — выпуск |  |
| Идеальная тепловая машина — машина Карно (Сади Карно, Франция, 1815). Машина работает на идеальном газе. 1 — 2 — при тепловом контакте с нагревателем газ расширяется изотермически. 2 — 3 — газ расширяется адиабатно. После контакта с холодильником: 3 — 4 — изотермическое сжатие; 4 — 1 — адиабатное сжатие. |  |
КПД идеальной машины:  η является функцией только двух температур, не зависит от устройства машины и вида топлива. | |
| Теорема Карно: кпд реальной тепловой машины не может быть больше кпд идеальной машины, работающей в том же интервале температур. | |
| Цикл Карно обратим. Машина, работающая по обратному циклу наз. холодильной машиной. | |
| Тепловые двигатели и охрана окружающей среды Неуклонный рост энергетических мощностей приводит к тому, что количество выделяемой теплоты становится сопоставимым с другими компонентами теплового баланса в атмосфере. Это не может не приводить к повышению средней температуры на Земле. Повышение температуры может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня Мирового океана. Но этим не исчерпываются негативные последствия применения тепловых двигателей. Растет выброс в атмосферу микроскопических частиц – сажи, пепла, измельченного топлива, что приводит к увеличению “парникового эффекта”, обусловленного повышением концентрации углекислого газа в течение длительного промежутка времени. Это приводит к повышению температуры атмосферы. Выбрасываемые в атмосферу токсические продукты горения, продукты неполного сгорания органического топлива – оказывают вредное воздействие на флору и фауну. Особую опасность в этом отношении представляют автомобили, число которых угрожающе растет, а очистка отработанных газов затруднена. Все это ставит ряд серьезных проблем перед обществом. Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях, а также увеличения эффективности использования энергии, экономии ее на производстве и в быту. Альтернативные двигатели: · 1. Электрические · 2. Двигатели, работающие на энергии солнца и ветра |
| | | следующая страница ==> | |
| Первый закон термодинамики. Необратимость тепловых процессов | | | Взаимодействие заряженных тел. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона |
Дата добавления: 2014-02-26; просмотров: 4.
Поделиться с ДРУЗЬЯМИ:refac.ru
Коэффициент полезного действия (КПД) — это характеристика результативности системы в отношении преобразования или передачи энергии, который определяется отношением полезно использованной энергии к суммарной энергии, полученной системой.
КПД — величина безразмерная, обычно ее выражают в процентах:
Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя определяется по формуле:
где A = Q1Q2. КПД теплового двигателя всегда меньше 1.
Цикл Карно — это обратимый круговой газовый процесс, который состоит из последовательно стоящих двух изотермических и двух адиабатных процессов, выполняемых с рабочим телом.
Круговой цикл, включающий в себя две изотермы и две адиа- баты, соответствует максимальному КПД.
Французский инженер Сади Карно в 1824 г. вывел формулу максимального КПД идеального теплового двигателя, где рабочее тело — это идеальный газ, цикл которого состоял из двух изотерм и двух адиабат, т. е. цикл Карно. Цикл Карно — реальный рабочий цикл теплового двигателя, свершающего работу за счет теплоты, подводимой рабочему телу в изотермическом процессе.
Формула КПД цикла Карно, т. е. максимального КПД тепло- вого двигателя имеет вид:
где T1 — абсолютная температура нагревателя; Т2 — абсолютная температура холодильника.
Тепловые двигатели — это конструкции, в которых тепловая энергия превращается в механическую. Тепловые двигатели многообразны как по конструкции, так и по назначению. К ним относятся паровые машины, паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели. Однако, несмотря на многообразие, в принципе действия различ- ных тепловых двигателей есть общие черты. Основные компонен- ты каждого теплового двигателя: 1) нагреватель; 2) рабочее тело; 3) холодильник.
Нагреватель выделяет тепловую энергию, при этом нагревает рабочее тело, которое находится в рабочей камере двигателя. Рабочим телом может быть пар или газ. Приняв количество теплоты, газ расширяется, т.к. его давление больше внешнего давления, и двигает поршень, производя положительную работу. При этом его давление падает, а объем увеличивается. Если сжимать газ, проходя те же состояния, но в обратном направлении, то совершим ту же по абсолютному значению, но отрицательную работу. В итоге вся работа за цикл будет равна нулю. Для того чтобы работа теплового двигателя была отлична от нуля, работа сжатия газа должна быть меньше работы расширения. Чтобы работа сжатия стала меньше работы расширения, необходимо, чтобы процесс сжатия проходил при меньшей температуре, для этого рабочее тело нужно охладить, поэтому в конструкцию теплового двигателя входит холодильник. Холодильнику рабочее тело отдает при соприкосновении с ним количество теплоты.
uclg.ru
53335531463039513235404944384142294843374734365045565452
XСкопируйте код и вставьте его на свой сайт.
Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей
Описание презентации по отдельным слайдам:
1 слайд ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ. КПД ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
2 слайд Истина – это то, что выдерживает проверку опытом. А. Эйнштейн
3 слайд Задачи урока: Образовательная: Ознакомить учащихся с устройством и принципом действия паровой турбины; Познакомить с формулой расчета КПД тепловых двигателей. 2. Воспитательная: Рассмотреть области применения тепловых двигателей и условия их эксплуатации. 3. Развивающая: Формировать навыки логического мышления, умение обосновывать свои высказывания, делать выводы.
4 слайд План урока: Актуализация знаний. Изучение нового материала. Решение задач. Итоги урока. Домашнее задание.
5 слайд Что общего у автобуса и самолета, у автомобиля и ракеты?
6 слайд Вывод: Общим для них является двигатель и самый распространенный – тот, что работает за счет тепла, преобразуя тепловую энергию в механическую.
7 слайд Тепловой двигатель Смотри учебник физики под редакцией А. В. Перышкина стр. 52 Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую.
8 слайд Мир «огненных машин» История изобретения паровых машин. История изобретения турбин. Паровозы Стефенсона и Черепановых. Достижения науки и техники в строительстве паровых турбин. Использование энергии Солнца на Земле.
9 слайд История изобретения паровых машин Первым механическим двигателем, нашедшим практическое применение, была паровая машина. Вначале она использовалась в заводском производстве, а затем ее стали устанавливать на паровозах, пароходах, автомобилях и тракторах.
10 слайд Паровая машина Дэни Папена В 1698 году он построил паровую машину, используя пороховой двигатель, заменив порох водой.
11 слайд Томас Ньюкомен и его паровая машина Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. При впрыскивании в цилиндр холодной воды пар конденсировался и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. После этого цикл повторялся. Машина Ньюкомена оказалась на редкость удачной и использовалась по всей Европе более 50 лет.
12 слайд Джеймс Уатт В 1782 году Уатт создал первую универсальную паровую машину двойного действия. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поршень совершал и рабочий и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах. Он использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара. Паровая машина Уатта стала изобретением века, положившем начало к промышленной революции.
13 слайд История изобретения турбин В основе действия паровой турбины лежат два принципа создания усилия на роторе, известные с давних времен, реактивный и активный. В машине Бранке, построенной в 1629 году, струя пара приводила в движение колесо, напоминающее колесо водяной мельницы.
14 слайд Паровая турбина Лаваля представляет собой колесо с лопатками. Пар под большим давлением вырывается из трубы (сопла), давит на лопатки и раскручивает колесо.
15 слайд Паровая турбина Парсонса Парсонс соединил паровую турбину с генератором электрической энергии. С помощью турбины стало возможно вырабатывать электричество, и это повысило интерес общества к тепловым турбинам. В результате 15-летних изысканий он создал наиболее совершенную по тем временам реактивную турбину.
16 слайд Первое судно с паротурбинным двигателем – «Турбиния», - построенное Парсонсом в 1894 году развивало скорость около 59 км/час. С 1900 года турбины начали устанавливать на миноносцах, а после 1906 года все большие военные корабли оснащались турбинными двигателями.
17 слайд Паровозы Стефенсона и Черепановых
18 слайд Устройство паровоза Паровоз состоит из трёх основных частей: котла, паровой машины и экипажной части. Кроме того, в состав паровоза включается тендер — специальный вагон, где хранятся запасы воды и топлива. Если же вода и топливо хранятся на самом паровозе, то тогда его называют танк-паровозом.
19 слайд Первый паровоз, двигавшийся по рельсам был создан в 1804 году Тревитиком. Первая железная дорога, открытая в 1825 году между Стоктоном и Дарлингтоном, обслуживалась паровозами Стефенсона. Этот паровоз стал прообразом для всех дальнейших разработок паровозов.
20 слайд Паровозы Черепановых Первый паровоз был построен Мироном и Ефимом Черепановыми в 1834 году Нижнетагильском заводе. Испытания паровоза начались в августе 1834 года. Имеются сведения о том, что в 1833 году Мирон Черепанов побывал в Великобритании и увидел там паровоз Стефенсона«Ракета».
21 слайд КПД теплового двигателя Отношение совершенной полезной работы двигателя, к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя.
22 слайд АП – полезная работа, Q1 – количество теплоты, полученное от нагревателя, Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику.
23 слайд Распределение энергии.
24 слайд КПД тепловых двигателей: Паровая машина 8-12% ДВС 20-40% Паровая турбина 20-40% Дизель 30-36%
25 слайд Экологические последствия работы тепловых двигателей.
26 слайд Решение качественных задач: 1. Можно ли огнестрельное оружие отнести к тепловым двигателям?
27 слайд 2. Можно ли человеческий организм отнести к тепловым двигателям?
28 слайд 3. КПД теплового двигателя 45 %. Что означает это число?
29 слайд Решение задач №1 Определите КПД двигателя трактора, которому для выполнения работы 1,89*107 Дж потребовалось 1,5 кг топлива с удельной теплотой сгорания 4,2*106 Дж/кг.
30 слайд Дано: АП = 1,89*107 Дж m = 1,5 кг q = 4,2*106 Дж/кг КПД - ? Решение: Ответ: КПД = 30%
31 слайд Сегодня на уроке: Тепловые двигатели и их классификация. Из истории тепловых машин. КПД тепловых двигателей. Решение задачи на определение КПД.
32 слайд Сегодня на уроке я : научился мне понравилось хотел бы попробовать сам (придумать задачу, подготовить презентацию на тему: 1. Достижения науки и техники в строительстве паровых турбин. 2. Использование энергии Солнца на Земле.)
33 слайд Авторы: учитель информатики Татаринова Елена Михайловна 228-512-396 учитель физики Бурьяница Ольга Павловна 228-512-461
Чтобы скачать материал, введите свой email, укажите, кто Вы, и нажмите кнопку
Нажимая кнопку, Вы соглашаетесь получать от нас email-рассылку
Если скачивание материала не началось, нажмите еще раз "Скачать материал".
72079407126661409814743167491715717915
336763367833680337703377133902339213392234028340823409734149
У вас есть презентация, загружайте:
Для того чтобы загрузить презентацию на сайт, необходимо зарегистрироваться.
uslide.ru
Класс: 8
Тема: Тепловые двигатели. КПД теплового двигателя. Холодильник. Роль тепловых двигателей в развитии энергетики. Тепловые машины.
Цель: рассмотреть устройство и принцип действия тепловых двигателей, ДВС и паровой турбины, показать области их применения, выявить проблемы, возникающие при их эксплуатации; ввести определение КПД тепловых двигателей и научить решать задачи на изучаемый учебный материал.
Тип: объяснение нового материала.
Вид: традиционный.
Ход урока:
1. Орг. момент.
2. Объяснение нового материала (лекция.)
Тепловыми машинами(тепловыми двигателями) называют устройства, с помощью которых часть внутренней энергии системы можно превратить в механическую энергию и за счет нее совершить работу. Тепловой двигатель – устройство, превращающее внутреннею энергию топлива в механическую. Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. Работа любого теплового двигателя циклична.
ДВС четырехтактные двигатели.
1 такт: впуск 2 такт: сжатие 3 такт: рабочий ход 4 такт: выпуск.
Из всех способов наибольшее применение получило охлаждение с помощью холодильных машин (машинное охлаждение), при котором используется принцип кипящих жидких газов. Работа холодильной машины полностью автоматизирована, что обеспечивает удобство в эксплуатации, безопасность работы обслуживающего персонала, возможность соблюдения требуемого температурного режима для различных видов продуктов, а также режима экономии. Холодильная машина - «это кольцевая герметически замкнутая система, по которой циркулирует одно и то же количество рабочего вещества, называемого холодильным агентом.
В торговом машиностроении применяются холодильные машины двух видов: компрессионная и абсорбционная, в которых используются различные способы обеспечения циркуляции хладагента. В компрессионной холодильной машине для циркуляции хладагента затрачивается механическая энергия, а в абсорбционной - тепловая. Наибольшее распространение получила компрессионная холодильная машина», в которой основным рабочим узлом является компрессор.
Схема компрессионной холодильной машины: 1 - компрессор; 2 - всасывающий клапан; 3 - нагнетающий воздух клапан;
4 - поршень; 5 - цилиндр; б - электропривод; 7 - электровентилятор;
8 - конденсатор; 9 - ресивер; 10- терморегулирующий вентиль; 11 - датчик;
12 - испаритель
Для характеристики эффективности тепловой машины по превращению внутренней энергии в механическую вводится КПД.
η = Ап / Аз .100%
η = Еп / Q1
η = Ап/Q1.100%
КПД теплового двигателя – это физическая величина, показывающая какая часть энергии, полученной от нагревателя, превращается в полезную работу.
Другая часть энергии уходит в виде тепла, количество которого Q2, в холодильник (в окружающую среду).Полезная работа равна разности количества теплоты, полученного от нагревателя и количества теплоты Q1, отданного холодильнику Q2.
Ап = Q2 – Q1 Формула η = Ап / Q1 .100% преобразуется в другую формулу:
η = (Q1 – Q2)/Q1.100%
КПД замкнутого цикла
Q1 – количество теплоты полученное от нагревания Q1>Q2
Q2 - количество теплоты отданное холодильнику Q 2<Q 1
A’ = Q 1- |Q 2| - работа совершаемая двигателем за цикл η < 1
Цикл C. Карно
T1 – температура нагревателя Т2 – температура холодильника
3.Закрепление темы урока.
Решение задач :а) из сборника (№363,364,365)
б) по вариантам.
В – 1.
В топке паровоза сожгли 10 кг сухих дров с удельной теплотой сгорания 1.107Дж/кг, при этом была совершена полезная работа 8 МДж. Определить КПД паровоза.
В – 2.
Двигатель внутреннего сгорания автомобиля совершил полезную работу 92 МДж. При этом он израсходовал 5 кг бензина с удельной теплотой сгорания 46.106 Дж/кг. Определить КПД двигателя автомобиля.
Вопросы для закрепления:
1. Какую физическую величину, изученную в 7 классе, мы вспомнили сегодня?
2. Что такое КПД?
3. Какие превращения энергии происходят в тепловых двигателях?
4. Вся ли энергия, выделившаяся при сгорании топлива, переходит в механическую энергию?
5. Что показывает КПД тепловых двигателей?
6. Может ли КПД тепловых двигателей быть равным 100%?
Итог урока.
Рефлексия.
1. Что заинтересовало вас сегодня на уроке?
2. Что вызвало трудности?
3. Удалось ли нам их преодолеть?
4. Пригодятся ли вам знания, полученные сегодня на уроке?
Домашнее задание: & 22-26 ОК учить, упр13(4,5).
Класс: 8
Тема: Тепловые двигатели. КПД теплового двигателя. Холодильник. Роль тепловых двигателей в развитии энергетики. Тепловые машины.
Цель: рассмотреть устройство и принцип действия тепловых двигателей, ДВС и паровой турбины, показать области их применения, выявить проблемы, возникающие при их эксплуатации; ввести определение КПД тепловых двигателей и научить решать задачи на изучаемый учебный материал.
Тип: объяснение нового материала.
Вид: традиционный.
Ход урока:
1. Орг. момент.
2. Объяснение нового материала (лекция.)
Тепловыми машинами(тепловыми двигателями) называют устройства, с помощью которых часть внутренней энергии системы можно превратить в механическую энергию и за счет нее совершить работу. Тепловой двигатель – устройство, превращающее внутреннею энергию топлива в механическую. Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. Работа любого теплового двигателя циклична.
ДВС четырехтактные двигатели.
1 такт: впуск 2 такт: сжатие 3 такт: рабочий ход 4 такт: выпуск.
Из всех способов наибольшее применение получило охлаждение с помощью холодильных машин (машинное охлаждение), при котором используется принцип кипящих жидких газов. Работа холодильной машины полностью автоматизирована, что обеспечивает удобство в эксплуатации, безопасность работы обслуживающего персонала, возможность соблюдения требуемого температурного режима для различных видов продуктов, а также режима экономии. Холодильная машина - «это кольцевая герметически замкнутая система, по которой циркулирует одно и то же количество рабочего вещества, называемого холодильным агентом.
В торговом машиностроении применяются холодильные машины двух видов: компрессионная и абсорбционная, в которых используются различные способы обеспечения циркуляции хладагента. В компрессионной холодильной машине для циркуляции хладагента затрачивается механическая энергия, а в абсорбционной - тепловая. Наибольшее распространение получила компрессионная холодильная машина» , в которой основным рабочим узлом является компрессор .
Схема компрессионной холодильной машины: 1 - компрессор; 2 - всасывающий клапан; 3 - нагнетающий воздух клапан;
4 - поршень; 5 - цилиндр; б - электропривод; 7 - электровентилятор;
8 - конденсатор; 9 - ресивер; 10- терморегулирующий вентиль; 11 - датчик;
12 - испаритель
Для характеристики эффективности тепловой машины по превращению внутренней энергии в механическую вводится КПД.
η = Ап / Аз .100%
η = Еп / Q1
η = Ап/Q1.100%
КПД теплового двигателя – это физическая величина, показывающая какая часть энергии, полученной от нагревателя, превращается в полезную работу.
Другая часть энергии уходит в виде тепла, количество которого Q2, в холодильник (в окружающую среду).Полезная работа равна разности количества теплоты, полученного от нагревателя и количества теплоты Q1, отданного холодильнику Q2.
Ап = Q2 – Q1 Формула η = Ап / Q1 .100% преобразуется в другую формулу:
η = (Q1 – Q2)/Q1.100%
КПД замкнутого цикла
Q1 – количество теплоты полученное от нагревания Q1Q2
Q2 - количество теплоты отданное холодильнику Q 21
A’ = Q 1- |Q 2| - работа совершаемая двигателем за цикл η
Цикл C. Карно
T1 – температура нагревателя Т2 – температура холодильника
3.Закрепление темы урока.
Решение задач :а) из сборника (№363,364,365)
б) по вариантам.
В – 1.
В топке паровоза сожгли 10 кг сухих дров с удельной теплотой сгорания 1.107Дж/кг, при этом была совершена полезная работа 8 МДж. Определить КПД паровоза.
В – 2.
Двигатель внутреннего сгорания автомобиля совершил полезную работу 92 МДж. При этом он израсходовал 5 кг бензина с удельной теплотой сгорания 46.106 Дж/кг. Определить КПД двигателя автомобиля.
Вопросы для закрепления:
Какую физическую величину, изученную в 7 классе, мы вспомнили сегодня?
Что такое КПД?
Какие превращения энергии происходят в тепловых двигателях?
Вся ли энергия, выделившаяся при сгорании топлива, переходит в механическую энергию?
Что показывает КПД тепловых двигателей?
Может ли КПД тепловых двигателей быть равным 100%?
Итог урока.
Рефлексия.
Что заинтересовало вас сегодня на уроке?
Что вызвало трудности?
Удалось ли нам их преодолеть?
Пригодятся ли вам знания, полученные сегодня на уроке?
Домашнее задание: & 22-26 ОК учить , упр13(4,5).
kopilkaurokov.ru
