Принцип работы теплового двигателя

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

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

Таким образом, основными элементами любого теплового двигателя являются:

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

2) нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу;

3) холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего те­ла.

 

Тепловые двигатели: принцип действия, устройство, схема

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

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

Особенности теплового двигателя

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

Алгоритм действия

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

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

Изменения температур

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

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

Некоторые факты

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

КПД тепловых машин

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

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

Изобретение тепловой машины

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

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

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

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

Двигатель внутреннего сгорания

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

На первом этапе наблюдается плавное передвижение клапана вниз, процесс происходит благодаря заполнению камеры рабочей смесью. В конце первого такта впускной клапан закрывается. Далее поршень передвигается вверх, при этом происходит сжатие рабочей смеси. Появление искры в свече приводит к воспламенению горючей смеси. Давление, которое оказывают пары воздуха и бензина на поршень, приводят к его самопроизвольному движению вниз, поэтому такт называют «рабочим ходом». В движение приводится коленчатый вал. На четвертом этапе открывается выпускной клапан, происходит выталкивание в атмосферу отработанных газов.

Принципы действия тепловых машин

 

КПД тепловых машин

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

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

Как работают тепловые двигатели

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

Инструкция

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

Видео по теме

//www.youtube.com/embed/wfZuvZiU4Qk

Как устроены и как работают тепловые двигатели

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

Понятие и виды тепловых двигателей

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

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

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

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

Структурная схема работы теплового двигателя

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

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

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

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 10 чел.
Средний рейтинг: 4.4 из 5.

Тепловой двигатель – принцип действия, примеры, определение и кпд кратко

4. 2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 74.

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 74.

Тепловые двигатели нашли широчайшее применение в технике в последние 200 лет. Первоначально это были паровые двигатели, потом двигатели внутреннего сгорания. Рассмотрим принципы действия тепловых двигателей.

Превращение внутренней энергии в работу

Согласно законам молекулярно-кинетической теории, тепло представляет собой энергию движения молекул вещества. Нулевая энергия соответствует абсолютному нулю температуры, чем температура выше, тем средняя энергия молекулы выше.

Запасы внутренней тепловой энергии на Земле огромны. Однако, Второе Начало термодинамики налагает жесткое ограничение на их использование. Действительно, если некоторая часть внутренней энергии будет превращена в энергию движения макроскопических тел, то внутренняя энергия уменьшится, уменьшив температуру молекул. Согласно же Второму Началу термодинамики, тепловая энергия молекул без дополнительных усилий может переходить только от более нагретого тела к менее нагретому. Для передачи энергии от менее нагретого тела к более нагретому, требуется совершить дополнительную работу.

Рис. 1. Второе начало термодинамики.

Таким образом, даже располагая большой внутренней энергией в окружающей среде, превратить ее в работу оказывается далеко не всегда возможно. Ведь при этом должно произойти охлаждение окружающей среды без наличия более холодных тел. А этого не может быть.

То есть, превращение внутренней энергии вещества в работу возможно только при наличии «потока тепла», который может быть организован только при наличии двух тел с разной температурой. Такие тела в теории тепловых двигателей называются Нагревателем и Холодильником. Тепло от Нагревателя переходит к Холодильнику, при этом совершается полезная работа.

Рабочее тело теплового двигателя

Для совершения полезной работы необходимо создать движение под действием силы. Такое движение в тепловом двигателе совершается при расширении порции газа, называемого рабочим телом. Во всех тепловых двигателях рабочее тело получает тепло от Нагревателя, затем расширяется, совершая работу. При расширении оно охлаждается и отдает тепло Холодильнику.

Для всех применяемых тепловых двигателей Холодильником является окружающая среда. Нагреватели же зависят от типа двигателя. Для парового двигателя Нагревателем является топка парового котла. Для двигателя внутреннего сгорания (ДВС) Нагревателем является само рабочее тело – горючая газовая смесь.

Рис. 2. Схема теплового двигателя.

КПД теплового двигателя

В любом тепловом двигателе рабочее тело разогревается до некоторой высокой температуры $T_1$, а затем совершает работу, охлаждаясь до температуры $T_2 < T_1$.

Поскольку температура $T_2$ не равна абсолютному нулю, в рабочем теле остается еще некоторая внутрення энергия. Но, получить ее запрещает Второе Начало термодинамики. Эта энергия безвозвратно уходит. Отсюда следует важный вывод: тепловой двигатель имеет ограниченный коэффициент полезного действия (КПД), менее единицы.

В самом деле, Первое Начало термодинамики утверждает, что изменение внутренней энергии системы равно сумме работы внешних сил над системой и количества теплоты, переданной системе. А значит, работа теплового двигателя равна разности энергии, полученной от Нагревателя и отданной Холодильнику:

$$A=Q_н-Q_х$$

Для определения КПД теплового двигателя надо учесть, что КПД равен отношению полезной работы к полученной энергии. Допустим, рассматриваемый двигатель идеален, и потерь на трение нет:

$$\eta = {A \over Q_н} = {Q_н-Q_х \over Q_н}<1$$

Полученная формула идеального теплового двигателя показывает, что его КПД менее единицы даже без потерь на трение, поскольку часть полученной энергии рабочее тело передает Холодильнику.

Простейшим примером теплового двигателя является ночной светильник «Лампа с пузырьками» (лавовая лампа). Несмотря на простоту, в этом светильнике есть все части, необходимые для теплового двигателя – Нагреватель (лампа накаливания или спираль), Холодильник (окружающий воздух), рабочее тело (пузырьки парафина). Движение пузырьков в светильнике продолжается до тех пор, пока существует разница температур Нагревателя и Холодильника.

Рис. 3. Светильник Лавовая лампа.

Что мы узнали?

В тепловом двигателе рабочее тело получает тепло от Нагревателя, расширяется, совершая работу и отдавая тепло Холодильнику. Поскольку на совершение полезной работы идет только часть энергии, полученной от Нагревателя, КПД теплового двигателя всегда меньше единицы.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.




Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 74.

---

А какая ваша оценка?

Принцип действия теплового двигателя — termodinamikaVM.ru

Тепловой двигатель – устройство преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. Основные части теплового двигателя: нагреватель, рабочее тело и холодильник. Чтобы получить полезную работу, необходимо сделать работу сжатия газа меньше работы расширения. Для этого нужно, чтобы каждому объёму при сжатии соответствовало меньшее давление, чем при расширении. Поэтому газ перед сжатием должен быть охлажден. Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива. Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T1. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру T1 температурой нагревателя. ‘ Рассмотрим это на примере идеальной тепловой машины. Любая тепловая машина состоит из трех частей: теплоотдатчика, рабочего тела и теплоприемника. Теплоотдатчик имеет температуру Т1 и отдает некоторое количество теплоты Q1 рабочему телу. Рабочее тело (газ, пар, нагретая жидкость) совершает работу. Причем, не вся теплота Q1 превращается в работу, а только некоторая ее часть А = Q1 – Q2 (4.8) Другая часть теплоты Q2 передается телу с более низкой температурой (Т2) – теплоприемнику. Таким образом, сущность работы тепловой машины заключается не только в получении теплоты Q1 от теплоотдатчика и совершении работы А, но и передаче некоторого количества теплоты Q2теплоприемнику, температура которого ниже чем температура теплоотдатчика (Т1 > Т2). Вечный двигатель второго рода состоит из первых двух частей, то есть, теплота Q1 полностью переходит в работу А, а это невозможно. Там, где нет перепада температур (Т1 = Т2), невозможно превратить теплоту в работу. Чтобы получить математическое выражение второго начала термодинамики, рассматривают действие идеальной тепловой машины. Идеальной называют машину, которая работает без трения и потерь тепла. В ней рабочим телом является идеальный газ. Работа машины основана на принципе обратимого термодинамического цикла, называемого циклом Карно. Цикл Карно состоит из четырех последовательно совершаемых процессов: изотермического расширения, адиабатического расширения, изотермического сжатия, адиабатического сжатия газа. Все процессы проводят обратимо, в результате чего газ возвращается в исходное положение. В результате математических преобразований получают (Q1 – Q2)/Q1 = (Т1 – Т2)/Т1 (4.9) или h = А/Q1; h = (Т1 – Т2)/Т1 (4.10) где h – коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины. Роторно-поршневого двигателя. Установленный на валу ротор жестко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестерней. Ротор с зубчатым колесом как бы обкатывается вокруг шестерни. Его грани при этом скользят по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре. Такая конструкция позволяет осуществить 4-тактный цикл без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания. Практическое применение получили двигатели с трёхгранными роторами, с отношением радиусов шестерни и зубчатого колеса: r: R = 2: 3, которые устанавливают на автомобилях, лодках и т.п. Масса и габариты двигателя Ванкеля в 2-3 раза меньше соответствующих им по мощности двигателей внутреннего сгорания обычной схемы. Дизельного двигателя. Воздух сначала поступает в цилиндр, сжимается и нагревается до высокой температуры. В раскаленный воздух с помощью форсунки впрыскивается самовоспламеняющееся и быстро сгорающее топливо, за счет чего мотор и начинает работать. Для таких двигателей необходимо специальное дизельное топливо. Из уроков физики все мы знаем, что тепловая энергия может преобразовываться в механическую. Именно это и происходит, когда в цилиндре двигателя сгорает топливо. Тепло, превращаясь в механическую работу, начинает двигать поршень, который в цилиндре двигается возвратно-поступательно. Коленчатый вал, связанный с поршнем при помощи шатуна, вращается. Во время работы, поршень то приближается, то удаляется от коленчатого вала. Когда эти две детали сближаются, то в цилиндр поступает горючая смесь. При движении цилиндра в обратную сторону, в нем увеличивается давление. Сжатая горючая смесь в этот момент готова к сгоранию, едва стоит вспыхнуть искре, как смесь легко воспламеняется и выделяет газы, которые нужны для того, чтобы привести мотор в движение. Цилиндр соединен с трубопроводом, через который из двигателя выбрасываются отработанные газы. Одно движение поршня к коленчатому валу или обратно называется ходом. Если за четыре хода поршня вал сделает два оборота вокруг своей оси, значит, закончился так называемый рабочий цикл. Двигатель, рабочий цикл которого совершается за два оборота коленчатого вала, называется четырехкратным. Существуют также и двукратные двигатели. Рабочий цикл у них совершается за два хода поршня и за один оборот коленчатого вала. В автомобильных моторах такие двигатели практически не применяются, зато их широко используют для мотоциклов. Чем сильнее будет давление на поршень при сгорании горючей смеси, тем больше мощность двигателя. Поэтому выгодно увеличивать степень сжатия в двигателе. В этом случае из той же порции топлива получается больше полезной работы. Многие автолюбители пытаются самостоятельно отрегулировать двигатель так, чтобы расходовать меньше топлива, но при этом не терять мощности. Но увлекаться этим не следует, поскольку при сильном увеличении степени сжатия горючая смесь сгорает слишком быстро (этот процесс называется детонация), что вызывает неустойчивую работу двигателя. При этом в работающем двигателе слышен стук, мощность значительно снижается, а из глушителя идет черный дым.

Принципы действия тепловых двигателей

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

Рабочим
телом у всех тепловых двигателей является
газ (см. § 3.11), который совершает работу
при расширении. Обозначим начальную
температуру рабочего тела (газа) через
Т₁.
Эту температуру в паровых турбинах или
машинах приобретает пар в паровом котле.
В двигателях внутреннего сгорания и
газовых турбинах повышение температуры
происходит при сгорании топлива внутри
самого двигателя. Температуру Т₁
называют
температурой
нагревателя.

Роль холодильника

По
мере совершения работы газ теряет
энергию и неизбежно охлаждается до
некоторой температуры Т₂.
Эта температура не может быть ниже
температуры окружающей среды, так как
в противном случае давление газа станет
меньше атмосферного и двигатель не
сможет работать. Обычно температура Т₂
несколько больше температуры окружающей
среды. Ее называют температурой
холодильника. Холодильником
являются атмосфера или специальные
устройства для охлаждения и конденсации
отработанного пара — конденсаторы. В
последнем случае температура холодильника
может быть несколько ниже температуры
атмосферы.

Таким образом, в
двигателе рабочее тело при расширении
не может отдать всю свою внутреннюю
энергию на совершение работы. Часть
энергии неизбежно передается атмосфере
(холодильнику) вместе с отработанным
паром или выхлопными газами двигателей
внутреннего сгорания и газовых турбин.
Эта часть внутренней энергии безвозвратно
теряется. Именно об этом и говорит второй
закон термодинамики в формулировке
Кельвина.

Принципиальная
схема теплового двигателя изображена
на рисунке 5. 15. Рабочее тело двигателя
получает при сгорании топлива количество
теплоты Q₁,
совершает
работу А’
и передает холодильнику количество
теплоты |Q₂|
<|Q₁|.

Рис. 5.15

Кпд теплового двигателя

Согласно закону
сохранения энергии работа, совершаемая
двигателем, равна

(5.11.1)

где
Q₁
— количество теплоты, полученное от
нагревателя, a
Q₂
— количество теплоты, отданное
холодильнику.

Коэффициентом
полезного действия теплового двигателя
называют отношение работы А’,
совершаемой
двигателем, к количеству теплоты,
полученному от нагревателя:

(5.11.2)

У паровой турбины
нагревателем является паровой котел,
а у двигателей внутреннего сгорания —
сами продукты сгорания топлива.

Так как у всех
двигателей некоторое количество теплоты
передается холодильнику, то η < 1.

Применение тепловых двигателей

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. На этих
станциях для получения пара высокой
температуры используется энергия
атомных ядер.

На всех основных
видах современного транспорта
преимущественно используются тепловые
двигатели. На автомобилях применяют
поршневые двигатели внутреннего сгорания
с внешним образованием горючей смеси
(карбюраторные двигатели) и двигатели
с образованием горючей смеси непосредственно
внутри цилиндров (дизели). Эти же двигатели
устанавливаются на тракторах.

На
железнодорожном транспорте до середины
XX
в. основным двигателем была паровая
машина. Теперь же главным образом
используют тепловозы с дизельными
установками и электровозы. Но и электровозы
получают энергию от тепловых двигателей
электростанций.

На водном транспорте
используются как двигатели внутреннего
сгорания, так и мощные турбины для
крупных судов.

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.

Без тепловых
двигателей современная цивилизация
немыслима. Мы не имели бы дешевую
электроэнергию и были бы лишены всех
видов современного скоростного
транспорта.

Принцип действия и КПД тепловых двигателей. Физика. 10 класс. — Паровая турбина.КПД теплового двигателя.

Комментарии преподавателя

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):

• На­гре­ва­тель
• Ра­бо­чее тело
• Хо­ло­диль­ник

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 . Ко­неч­но же, так как все­гда су­ще­ству­ет теп­ло­пе­ре­да­ча с кор­пу­сом дви­га­те­ля, окру­жа­ю­щим воз­ду­хом и т. д., ра­бо­та не будет чис­лен­но рав­нять­ся пе­ре­дан­ной теп­ло­те – часть энер­гии  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%.

Домашняя работа

Задание 1. Ответить на вопросы.

1. Какие тепловые двигатели называют паровыми турбинами?
2. В чём отличие в устройстве турбин и поршневых машин?
3. Из каких частей состоит паровая турбина и как она работает?
4. Почему в тепловых двигателях только часть энергии топлива превращается в механическую энергию?
5. Что называют КПД теплового двигателя?
6. Почему КПД двигателя не может быть не только больше 100%, но и равен 100%?

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: 

• http://interneturok.ru/ru/school/physics/10-klass/
• http://www.youtube.com/watch?v=AMFRpRQnMRM
• http://www.youtube.com/watch?v=iDDGCf9eyes
• http://www.youtube.com/watch?v=Ny2YDArHerY
• http://www.youtube.com/watch?v=G3RtYsmE_Jw
  
   

Принцип работы теплового двигателя: описание, характеристики

Содержание

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

«Физика — 10 класс»

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

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

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

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

Принцип действия тепловых двигателей.

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

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

Роль холодильника.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Охрана окружающей среды.

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

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

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

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

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

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

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

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

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

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

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

Таким образом, основными элементами любого теплового двигателя являются:

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

2) нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу;

3) холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего те­ла.

Немецкий инженер Дизель нашел интересный выход из этого затруднения…

Хронология этого изобретения ведёт свой отсчёт от эпохи Архимеда, придумавшего пушку, стрелявшую с помощью пара. Затем следует череда славных имён, предлагавших свои проекты. Наиболее эффективный вариант устройства принадлежит русскому изобретателю Ивану Ползунову. В отличие от своих предшественников он предложил непрерывный ход рабочего вала за счёт использования попеременной работы 2-х цилиндров.

Сгорание топлива и образование пара у паровых машин происходит вне рабочей камеры. Поэтому их называют двигателями внешнего сгорания.

По такому же принципу образуется рабочее тело в паровых и газовых турбинах. Их далеким прообразом явился шар, вращаемый паром. Автором этого механизма был учёный Герон, творивший свои машины и приборы, в древней Александрии.

Круговой (циклический) процесс — если в результате изменений система вернулась в исходное состояние, то говорят, что она совершила круговой процесс или цикл.

Тепловые двигатели.

Машины, преобразующие внутреннюю энергию механическую работу называют тепловыми двигателями

1690 — пароатмосферная машина Д.Папена (Франция) — теоретически

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.

А_1а2>А_1б2 — по модулю (из сравнения площадей).

А_1б2Q = 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.

Коэффициент 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)

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.

Законы термодинамики позволяют вычислить максимальный возможный КПД для данного теплового двигателя. Впервые это сделал ученый и инженер Сади Карно. Карно справедливо рассудил, что максимальный КПД будет у идеализированной тепловой машины. В этой тепловой машине рабочим телом был идеальный газ, а цикл состоял из двух изотерм и двух адиабат:

Урок 57. Физика 10 класс

Конспект урока «Принцип действия тепловых двигателей. КПД»

В восьмом классе мы уже затрагивали тему тепловых двигателей. Напомним, что тепловым двигателем называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую энергию.

Для примера рассмотрим газ, находящийся в цилиндре под поршнем. Очевидно, что для того, чтобы привести поршень в движение, необходима разность давления по обе стороны поршня. В тепловых двигателях эта разность достигается путем повышения температуры газа. Нагретый газ обладает достаточно большой внутренней энергией и, расширяясь, совершает работу.

Однако, по мере расширения газ охлаждается, теряя свою внутреннюю энергию. Конечно, для нормальной работы двигателя необходима цикличность. То есть, после совершения работы, газ необходимо перевести в первоначальное состояние.

Итак, принципиальная схема работы теплового двигателя такова: от нагревателя рабочему телу (то есть газу) передается некоторое количество теплоты.

Под этим подразумевается сжигание топлива, в результате которого температура газа повышается на сотни градусов. Внутренняя энергия газа увеличивается и, за счет неё он совершает работу до тех пор, пока не охладится до температуры холодильника (роль холодильника, как правило, выполняет окружающая среда). Очевидно, что газ не может потерять всю свою внутреннюю энергию (если только не охладится до абсолютного нуля). Поэтому, некоторое количество теплоты будет передано холодильнику.

Важными характеристиками теплового двигателя являются следующие величины: количество теплоты, полученное от нагревателя, температура нагревателя (то есть температура образовавшегося газа), температура холодильника, количество теплоты, переданное холодильнику и полезная работа. Полезная работа определяется как разность между количеством теплоты, полученным от нагревателя и количеством теплоты, отданном холодильнику:

Конечно же, любой двигатель характеризуется такой величиной как коэффициент полезного действия. Для теплового двигателя коэффициент полезного действия равен отношению совершенной двигателем работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Если мы подставим в это уравнение выражение для полезной работы, то убедимся, что КПД теплового двигателя не может быть больше единицы (то есть не может превышать 100%):

Для наглядности мы можем изобразить графически работу теплового двигателя.

Законы термодинамики позволяют вычислить максимальный возможный КПД для данного теплового двигателя. Впервые это сделал ученый и инженер Сади Карно. Карно справедливо рассудил, что максимальный КПД будет у идеализированной тепловой машины. В этой тепловой машине рабочим телом был идеальный газ, а цикл состоял из двух изотерм и двух адиабат:

Таким образом, цикл Карно описывает максимальную возможную работу газа с минимальными потерями энергии. Итак, максимальный возможный КПД данной тепловой машины определяется отношением разности температуры нагревателя и температуры холодильника к температуре нагревателя:

Необходимо отметить, что в данном уравнении следует использовать абсолютную температурную шкалу. Как видно из формулы, и этот КПД не может быть больше единицы, если только температура холодильника не равна абсолютному нулю. Исходя из всего выше перечисленного, мы можем заключить следующее: КПД любого теплового двигателя не может превышать КПД идеального теплового двигателя.

Примеры решения задач.

Задача 1. Температура холодильника равна 20 ℃. Какова должна быть температура нагревателя, чтобы стало возможным достичь значения КПД теплового двигателя, равное 85%?

Задача 2. Двигатель внутреннего сгорания совершил полезную работу, равную 45 МДж. Если КПД этого двигателя составляет 55%, то, сколько литров бензина было израсходовано на совершение данной работы? Плотность бензина равна 710 кг/м .

Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.

Вспомните, что такое термодинамическая система и какими параметрами характеризуется её состояние.

Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.

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

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

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

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

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

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

3. раскрыть роль тепловых двигателей в современной цивилизации.

Конспект урока физики

для 10 класса учителя МОУ СОШ №14 Лужновой Г.В.

Тема урока: Тепловые двигатели.

1. ввести понятие о тепловом двигателе и его устройстве;

2. показать взаимосвязь развития физики и техники на примере принципов действия тепловых двигателей;

3. раскрыть роль тепловых двигателей в современной цивилизации.

Приемы и методы

Актуализация знаний. Постановка проблемы.

Изучение нового материала.

История и теория тепловых двигателей, характеристики, применение и проблемы.

Лекция с демонстрацией компьютерной презентации.

Записи в тетрадях.

Совершенствование знаний и умений.

Запись в дневниках.

I Вопросы для организации фронтального повторения:

1. Допускает ли первый закон термодинамики теплообмен от менее нагретого тела к более нагретому?

Ответ: Первый закон не запрещает этого процесса, он требует лишь сохранения энергии.

2. Наблюдаются ли такие процессы в природе и технике?

Ответ: В природе – нет, в технике – да.

3. Какие параметры газа меняются при сжатии?

Ответ: Давление возрастает, объем уменьшается, температура увеличивается.

4. О чем говорит второй закон термодинамики? Можно ли его сформулировать так: без совершения работы тепло переходит лишь от более нагретого тела к менее нагретому, а не наоборот?

Мощный расцвет промышленности и транспорта в 19 веке был связан с изобретением и совершенствованием тепловых двигателей. Наша цивилизация – машинная цивилизация, причем большая часть машин – это тепловые машины разных видов. Принцип их работы основан на законах термодинамики. Без тепловых двигателей жизнь общества резко затормозилась бы. Не ездили бы машины, не летали бы самолеты, электроэнергия была бы в дефиците… вот почему так важно изучить работу тепловых двигателей.

На уроке мы рассмотрим следующие вопросы:

· Определение понятия «тепловой двигатель»

· Устройство тепловых двигателей

· Принцип действия тепловых двигателей

· Применение тепловых двигателей

Идея создания теплового двигателя состоит в превращении части внутренней энергии тела (топлива) в механическую энергию других тел. Таким образом возникает возможность совершения механической работы.

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

1. В каком случае термодинамическая система совершает работу?

Ответ: При расширении.

2. В каких процессах работа совершается наиболее эффективно?

Ответ: В изотермическом и адиабатном.

Идея преобразования внутренней энергии топлива в механическую работу состоит в следующем: внутренняя энергия топлива при его сгорании преобразуется во внутреннюю энергию высокотемпературного газа и при расширении газа частично превращается в работу.

· ДВС – двигатель внутреннего сгорания ( слайд 5)

· Турбореактивный ( слайд 6)

· Ракетный ( слайд 7).

Разные двигатели устроены по-разному, но у всех есть общие элементы:

1. Объект, который совершает работу – это газ, его называют рабочим телом.

2. Элемент по преобразованию внутренней энергии топлива во внутреннюю энергию газа – нагреватель.

3. Не вся энергия превращается в работу, часть ее отдается холодильнику.

Как обеспечивается постоянная работа теплового двигателя? С теоретической точки зрения процесс должен быть круговым, т.е. система должна возвращаться в первоначальное состояние. Рассмотрим машины, которые выполняют работу в результате реализации круговых процессов – циклов.

Цикл работы ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход и выхлоп, поэтому такой двигатель называют четырехтактным.

Проблему преобразования теплоты в полезную работу впервые исследовал Сади Карно в 1824 г. В своей работе он дал ответ на вопросы, актуальные и сейчас. Существует ли предел улучшения работы теплового двигателя?

Важнейшей характеристикой теплового двигателя является КПД – коэффициент полезного действия – отношение энергии, которая пошла на работу, ко всей энергии, полученной от сгорания топлива: h =

12.4 Применение термодинамики: тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники

Цели обученияТепловые двигатели, тепловые насосы и холодильникиТепловая эффективностьРешение задач тепловой эффективностиПрактические задачиПроверьте свое понимание

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее: а холодильники работают по законам термодинамики

• Опишите тепловой КПД
• Решение проблем, связанных с тепловой эффективностью
.»>

Ключевые термины

циклический процесс	тепловая машина	тепловой насос
тепловая эффективность

Тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники

В этом разделе мы рассмотрим, как работают тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники с точки зрения законов термодинамики.

Одна из самых важных вещей, которые мы можем делать с теплом, — использовать его для выполнения работы за нас. Тепловая машина делает именно это — она использует свойства термодинамики для преобразования тепла в работу. Бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины, вырабатывающие электроэнергию, — все это примеры тепловых двигателей.

На рис. 12.13 показан один из способов передачи энергии теплом для выполнения работы. Сгорание топлива высвобождает химическую энергию, которая передается через газ в цилиндре. Это увеличивает температуру газа, что, в свою очередь, увеличивает давление газа и, следовательно, силу, которую он оказывает на подвижный поршень. Газ действует на внешний мир, так как эта сила перемещает поршень на некоторое расстояние. Таким образом, передача тепла газу в цилиндре приводит к совершению работы.

Рисунок 12.13 (a) Теплопередача газу в цилиндре увеличивает внутреннюю энергию газа, создавая более высокое давление и температуру. б) Сила, действующая на подвижный цилиндр, совершает работу при расширении газа. Давление и температура газа уменьшаются во время расширения, что указывает на то, что внутренняя энергия газа уменьшилась во время его работы. (c) Теплопередача энергии в окружающую среду еще больше снижает давление в газе, так что поршень может легче вернуться в исходное положение.

Чтобы повторить этот процесс, необходимо вернуть поршень в исходную точку. Тепло теперь передает энергию от газа к окружающей среде, так что давление газа уменьшается, а окружающая среда прикладывает силу, чтобы оттолкнуть поршень назад на некоторое расстояние.

Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла. Все тепловые двигатели используют циклические процессы.

Тепловые двигатели работают, используя часть энергии, переданной теплом от какого-либо источника. Как показано на рис. 12.14, тепло передает энергию QhQh от высокотемпературного объекта (или горячего резервуара), тогда как тепло передает неиспользованную энергию QcQc низкотемпературному объекту (или холодному резервуару), а работа, выполненная двигатель Вт . В физике резервуар определяется как бесконечно большая масса, которая может поглощать или отдавать неограниченное количество тепла в зависимости от потребностей системы. Температура горячего резервуара равна Th,Th, а температура холодного резервуара равна TcTc.

Рис. 12.14 (а) Тепло самопроизвольно передает энергию от горячего объекта к холодному, что согласуется со вторым законом термодинамики. б) Тепловая машина, изображенная здесь кружком, использует часть энергии, переданной теплом, для совершения работы. Горячие и холодные объекты называются горячими и холодными резервуарами. Q _h – теплота из горячего резервуара, W – выходная мощность, Q _c – неиспользованное тепло в холодный резервуар.

Как уже отмечалось, циклический процесс возвращает систему в исходное состояние в конце каждого цикла. Внутренняя энергия такой системы, U , одинакова в начале и в конце каждого цикла, то есть ΔU=0ΔU=0 . Первый закон термодинамики утверждает, что ΔU=Q−W, ΔU=Q−W, где Q — это чистая теплопередача во время цикла, а Вт — это чистая работа, выполненная системой. Чистая теплопередача представляет собой энергию, передаваемую теплом из горячего резервуара, за вычетом количества, переданного в холодный резервуар (Q=Qh-QcQ=Qh-Qc). Поскольку внутренняя энергия не изменяется за полный цикл (ΔU=0ΔU=0), мы имеем

12.200=Q-W,0=Q-W,

так что

12.21W=Q.W=Q.

Таким образом, чистая работа, совершаемая системой, равна полезному теплу, поступающему в систему, или

12,22W=Qh-QcW=Qh-Qc

для циклического процесса.

Поскольку горячий резервуар нагревается снаружи, что является энергоемким процессом, важно, чтобы работа выполнялась максимально эффективно. На самом деле мы хотим, чтобы Вт равнялось QhQh, и чтобы в окружающую среду не выделялось тепло (то есть Qc=0Qc=0). К сожалению, это невозможно. Согласно второму закону термодинамики, тепловые двигатели не могут иметь совершенного преобразования теплоты в работу. Напомним, что энтропия — это мера беспорядка в системе, а также то, сколько энергии недоступно для выполнения работы. Второй закон термодинамики требует, чтобы полная энтропия системы либо увеличивалась, либо оставалась постоянной в любом процессе. Следовательно, существует минимальное количество QhQh, которое нельзя использовать для работы. Количество тепла, отводимого в холодный резервуар, Qc,Qc, зависит от эффективности тепловой машины. Чем меньше увеличение энтропии, ΔSΔS, тем меньше значение QcQc и тем больше тепловой энергии доступно для совершения работы.

Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют теплопередачу энергии от низких до высоких температур, что противоположно тому, что делают тепловые двигатели. Тепло переносит энергию QcQc из холодного резервуара и отдает энергию QhQh в горячий. Для этого требуется работа, Вт , которая обеспечивает передачу энергии в виде тепла. Следовательно, общая теплоотдача в горячий резервуар составляет

12.23Qh=Qc+W.Qh=Qc+W.

Целью теплового насоса является передача энергии посредством тепла в теплую среду, например, в дом зимой. Большим преимуществом использования теплового насоса для обогрева вашего дома, а не просто сжигания топлива в камине или печи, является то, что тепловой насос обеспечивает Qh=Qc+WQh=Qc+W. Тепло QcQc поступает из наружного воздуха, даже при минусовой температуре, во внутреннее помещение. Вы платите только за W , и вы получаете дополнительную теплоотдачу QcQc извне без затрат. Во многих случаях в отапливаемое помещение передается как минимум в два раза больше энергии, чем используется для работы теплового насоса. Когда вы сжигаете топливо, чтобы согреться, вы платите за все это. Недостаток теплового насоса заключается в том, что ввод работы (требуемой вторым законом термодинамики) иногда обходится дороже, чем простое сжигание топлива, особенно если работа обеспечивается за счет электроэнергии.

Основные компоненты теплового насоса показаны на рис. 12.15. Используется рабочая жидкость, например хладагент. В наружных змеевиках (испарителях) тепло QcQc поступает в рабочее тело из холодного наружного воздуха, превращая его в газ.

Рис. 12.15 Простой тепловой насос состоит из четырех основных компонентов: (1) испарителя, (2) компрессора, (3) конденсатора и (4) расширительного клапана. В режиме обогрева тепло QcQc отдает рабочему телу в испарителе (1) от более холодного наружного воздуха, превращая его в газ. Компрессор с электрическим приводом (2) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора (3) внутри отапливаемого помещения. Поскольку температура газа выше температуры в помещении, тепло передает энергию от газа в помещение по мере того, как газ конденсируется в жидкость. Затем рабочая жидкость охлаждается, возвращаясь через расширительный клапан (4) к змеевикам наружного испарителя.

Компрессор с электрическим приводом (рабочая мощность Вт ) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора, находящиеся внутри отапливаемого помещения. Поскольку температура газа выше температуры внутри помещения, тепло передает энергию помещению, и газ конденсируется в жидкость. Затем жидкость течет обратно через расширительный (редукционный) клапан. Жидкость, охлажденная за счет расширения, возвращается в змеевики наружного испарителя, чтобы возобновить цикл.

О качестве теплового насоса судят по тому, сколько энергии передается теплом в теплое помещение (QhQh) по сравнению с тем, сколько входной работы ( Вт ) требуется.

Предупреждение о неправильном понимании

Помните, что холодильники и кондиционеры не создают холода. Они просто передают тепло изнутри наружу.

Вернитесь к законам идеального газа, законам термодинамики и энтропии. Используйте их, чтобы понять работу кондиционеров и холодильников. Это также даст вам возможность оценить свое понимание этих концепций. И в холодильниках, и в кондиционерах используются химические вещества, которые могут легко переходить из жидкого состояния в газообразное и обратно. Химикат присутствует в замкнутом контуре трубки. Первоначально он находится в газообразном состоянии. Компрессор работает, чтобы сжать частицы газа химического вещества ближе друг к другу, создавая высокое давление. Согласно закону идеального газа, с увеличением давления растет и температура. Этот горячий плотный газ распространяется по маленьким трубочкам или ребрам конденсатора, расположенного на внешней стороне кондиционера (и на задней стенке холодильника). Ребра вступают в контакт с наружным воздухом, который холоднее, чем сжатый химикат, и, следовательно, как показывает энтропия, тепло передает энергию от горячего конденсатора относительно более холодному воздуху. В результате газ охлаждается и превращается в жидкость. Затем эту жидкость пропускают к испарителю через крошечное узкое отверстие. По другую сторону отверстия газ растекается (энтропия возрастает), а его давление падает. Следовательно, по закону идеального газа уменьшается и его температура. Вентилятор нагнетает воздух через этот уже остывший испаритель в комнату или холодильник (рис. 12.16).

Рис. 12.16 Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники — это тепловые двигатели, работающие в обратном направлении. Почти в каждом доме есть холодильник. Большинство людей не понимают, что они также делят свои дома с тепловым насосом.

Кондиционеры и холодильники предназначены для охлаждения веществ путем передачи энергии с помощью тепла QcQc из более прохладной среды в более теплую, в которой отдается тепло QhQh. В случае с холодильником тепло перемещается из внутренней части холодильника в окружающее помещение. Для кондиционера тепло передается наружу из дома. Тепловые насосы также часто используются для охлаждения помещений летом.

Как и в случае с тепловыми насосами, для передачи тепла от холодного к горячему требуется затрата работы. О качестве кондиционеров и холодильников судят по тому, сколько энергии удаляется теплом QcQc из холодной среды по сравнению с тем, сколько работы, Вт , требуется. Итак, то, что считается энергетическим преимуществом в тепловом насосе, считается отходящим теплом в холодильнике.

Тепловой КПД

При преобразовании энергии в работу мы всегда сталкиваемся с проблемой того, что получаем меньше, чем вкладываем. Проблема в том, что во всех процессах присутствует некоторое количество теплоты QcQc, передающее энергию в окружающую среду, и обычно очень значительная сумма при этом. Одним из способов количественной оценки эффективности работы машины является величина, называемая тепловым КПД.

Мы определяем тепловой КПД, Eff , как отношение выхода полезной энергии к входной энергии (или, другими словами, отношение того, что мы получаем, к тому, что мы тратим). Эффективность тепловой машины равна выходу полезной работы Вт , деленной на переданную двигателю энергию QhQh; это

12.24Eff=WQh.Eff=WQh.

КПД 1, или 100 процентов, был бы возможен только в том случае, если бы не было тепла в окружающую среду (Qc=0Qc=0 ).

Советы по достижению успеха

Все значения тепла (QhQh и QcQc) положительны; нет такой вещи, как отрицательное тепло. Направление тепла указывается знаком плюс или минус. Например, QcQc находится вне системы, поэтому в уравнении полезного тепла ему предшествует знак минус.

12.25Q=Qh-QcQ=Qh-Qc

Решение проблем с тепловой эффективностью

Пример работы

Ежедневная работа угольной электростанции и ее эффективность

Угольная электростанция — это огромная тепловая машина. Он использует тепло для передачи энергии от сжигания угля для выполнения работы по вращению турбин, которые затем используются для выработки электроэнергии. За один день крупная угольная электростанция передает 2,50×1014 Дж2,50×1014 Дж тепла от сжигания угля и отдает 1,48×1014 Дж1,48×1014 Дж тепла в окружающую среду. а) Какую работу совершает электростанция? б) Каков КПД электростанции?

СТРАТЕГИЯ

Мы можем использовать W=Qh-QcW=Qh-Qc, чтобы найти выход работы, W , если на электростанции используется циклический процесс. В этом процессе вода кипятится под давлением с образованием высокотемпературного пара, который используется для запуска паровых турбин-генераторов, а затем конденсируется обратно в воду, чтобы снова запустить цикл.

Решение

Результат работы определяется выражением

12.26W=Qh-Qc.W=Qh-Qc.

Подставив данные значения,

12,27W=2,50×1014Дж−1,48×1014Дж=1,02×1014Дж.

СТРАТЕГИЯ

КПД можно рассчитать с помощью Eff=WQhEff=WQh, поскольку задано QhQh, а работа, W , была рассчитана в первой части этого примера.

Решение

Эффективность определяется выражением

12.28Eff=WQh.Eff=WQh.

Работа, Вт , равна 1,02×1014J1,02×1014Дж, а QhQh задано (2,50×1014J2,50×1014Дж), поэтому эффективность равна

12,29Eff=1,02×1014J2,50× 1014J=0,408 или 40,8%.Eff=1,02×1014J2,50×1014J=0,408 или 40,8%.

Обсуждение

Найденный КПД близок к обычному значению 42% для угольных электростанций. Это означает, что целых 59,2 процента энергии передается в окружающую среду с помощью тепла, что обычно приводит к нагреванию озер, рек или океана вблизи электростанции и в целом связано с потеплением планеты. В то время как законы термодинамики ограничивают эффективность таких установок, включая установки, работающие на ядерном топливе, нефти и природном газе, энергия, передаваемая теплом окружающей среде, может использоваться и иногда используется для обогрева домов или для промышленных процессов.

 

Практические задания

Тепловая машина отдает 120 Дж тепла и отдает 20 Дж тепла в окружающую среду. Каков объем работы, выполняемой системой?

1. −100 Дж
2. −60 Дж
3. 60Дж
4. 100Дж

Тепловая машина получает 6,0 кДж тепла и производит отработанное тепло 4,8 кДж. Какова его эффективность?

1. 25 процентов
2. 2,50 процента
3. 2,00 процента
4. 20 процентов

Проверьте свое понимание

Упражнение 13

Что такое тепловая машина?

1. Тепловая машина преобразует механическую энергию в тепловую.
2. Тепловая машина преобразует тепловую энергию в механическую.
3. Тепловая машина преобразует тепловую энергию в электрическую.
4. Тепловая машина преобразует электрическую энергию в тепловую.

Упражнение 14

Приведите пример тепловой машины.

1. Генератор
2. Аккумулятор
3. Водяной насос
4. Автомобильный двигатель

Упражнение 15

Что такое тепловой КПД?

1. Тепловой КПД – это отношение подводимой работы к подводимой энергии.
2. Термический КПД – это отношение произведенной работы к затраченной энергии.
3. Тепловой КПД – это отношение вложенной работы к выходной энергии.
4. Термический КПД – это отношение объема работы к выходу энергии.

Упражнение 16

Какое математическое выражение дает тепловой КПД?

1. Эфф=QhQh-Qc
2. Эфф=QhQc
3. Эфф=QcQh
4. Эфф=Qh-QcQh
• Печать
• Поделиться

Тепловой двигатель — Энергетическое образование

Энергетическое образование

Меню навигации

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

Поиск


4-тактный двигатель внутреннего сгорания. Рис. 1. 1: впрыск топлива, 2: зажигание, 3: расширение (работа выполнена), 4: выпуск ^[1]

Тепловая машина — тип двигателя (подобного двигателю в автомобиле), который производит макроскопическое движение за счет тепла. Когда люди потирают руки, трение превращает механическую энергию (движение наших рук) в тепловую энергию (руки нагреваются). Тепловые двигатели делают прямо противоположное; они берут энергию тепла (по сравнению с окружающей средой) и превращают ее в движение. Часто это движение превращается в электричество с помощью генератора.

Почти вся энергия, используемая для транспорта и электричества, поступает от тепловых двигателей. Горячие объекты, даже газы, обладают тепловой энергией, которую можно превратить во что-то полезное. Тепловые двигатели перемещают энергию из горячего места в холодное и переводят часть этой энергии в механическую энергию. Для работы тепловых двигателей требуется разница температур.

Изучение термодинамики изначально было вдохновлено попыткой получить как можно больше энергии от тепловых двигателей. ^[2] По сей день используются различные виды топлива, такие как бензин, уголь и уран. Все эти тепловые двигатели все еще работают в пределах, налагаемых вторым законом термодинамики. Это означает, что для нагревания газа используются различные виды топлива, а для избавления от отработанного тепла необходим большой холодный резервуар. Часто отработанное тепло уходит в атмосферу или в большой водоем (океан, озеро или река).

В зависимости от типа двигателя используются различные процессы, такие как воспламенение топлива при сгорании (бензин и уголь) или использование энергии ядерных процессов для производства тепла (уран), но конечная цель одна и та же: превратить тепло в работу. Наиболее известным примером тепловой машины является двигатель автомобиля, но большинство электростанций, таких как угольные, газовые и атомные, также являются тепловыми двигателями.

Двигатель внутреннего сгорания

полный артикул

Двигатели внутреннего сгорания являются наиболее распространенной формой тепловых двигателей, поскольку они используются в транспортных средствах, лодках, кораблях, самолетах и ​​поездах. Они названы так потому, что топливо воспламеняется, чтобы совершать работу внутри двигателя. Та же топливно-воздушная смесь выбрасывается в виде выхлопных газов. Хотя это чаще всего делается с помощью поршня, это также можно сделать с помощью турбины.

На рис. 1 показан пример двигателя внутреннего сгорания. Этот конкретный тип называется четырехтактным двигателем, который довольно распространен в автомобилях.

Внешняя тепловая машина

полная статья

Внешние тепловые машины, как правило, представляют собой паровые машины, и они отличаются от внутренних тем, что источник тепла отделен от работающего газа. Эти тепловые двигатели обычно называют двигателями внешнего сгорания, потому что сгорание происходит вне двигателя. Например, внешнее горение будет использовать пламя для нагрева воды в пар, а затем использовать пар для вращения турбины. Это отличается от внутреннего сгорания, как в двигателе автомобиля, где бензин воспламеняется внутри поршня, работает, а затем выбрасывается.

В ядерных реакторах нет сгорания, поэтому используется более широкий термин «внешний тепловой двигатель». Реактор с кипящей водой на рис. 2 представляет собой внешнюю тепловую машину, как и другие атомные электростанции.

Рис. 2. Ядерный реактор с кипящей водой, представляющий собой внешнюю тепловую машину. ^[3]

Примеры тепловых двигателей

Внутреннее сгорание

• Поршневой двигатель
• Газовая турбина
• Реактивный двигатель

Внешнее сгорание

• ядерные реакторы, такие как реактор CANDU, реактор с водой под давлением
• угольная электростанция
• электростанция, работающая на природном газе

КПД

основной артикул

КПД двигателя — это процент подводимой энергии, которую двигатель может преобразовать в полезную работу. Уравнение для этого: η = выходная мощность / входная энергия. Наиболее эффективные поршневые двигатели работают с КПД около 50%, а средняя угольная электростанция работает с КПД около 33%. Электростанции, построенные совсем недавно, имеют КПД более 40%.

Меньшие тепловые двигатели, например, в автомобилях, имеют выходную механическую мощность, измеряемую в лошадиных силах. Более крупные тепловые двигатели, такие как электростанции, измеряют мощность в МВт. Конечно, выходная мощность может быть измерена в любых единицах мощности, например, в ваттах.

Потребление тепловой машины также является мощностью, часто измеряемой в МВт. С силовой установкой есть и электрическая выходная мощность. Чтобы различать эти две мощности, тепловая мощность (входная мощность) измеряется в тепловых мегаваттах (МВт), а для производства электроэнергии выходная мощность измеряется в электрических мегаваттах (МВт). Для тепловых двигателей, которые обеспечивают движение вместо электричества, выходная мощность будет механической.

Когенерация

Основная статья

Тепловая машина имеет два побочных продукта: работу и тепло. Назначение большинства двигателей — производить работу, а тепло обрабатывается просто как отходы. Когенерация использует отработанное тепло для полезных вещей. Отопитель в автомобиле работает по принципу когенерации, отбирая отработанное тепло двигателя для нагрева воздуха, который прогревает салон. Вот почему работа отопителя автомобиля зимой мало влияет на расход бензина, а работа кондиционера летом может стоить примерно 10-20% расхода бензина автомобиля.

Для дополнительной информации

• Роторный двигатель
• Поршневой двигатель
• Работа
• Первый закон термодинамики
• Или просмотрите случайную страницу

Ссылки

1. ↑ «File:4StrokeEngine Ortho 3D Small.gif — Wikimedia Commons», Commons.wikimedia.org, 2018. [Онлайн]. Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3A4StrokeEngine_Ortho_3D_Small.gif. [Доступ: 17 мая 2018 г.].
2. ↑ «Энергия тонкой концепции» Дж. Куперсмит, глава 12, стр. 208, Oxford University Press, 2010.
3. ↑ (2015, 4 января). Реактор с кипящей водой [Онлайн]. Доступно: http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/students/animated-bwr.html

4.2 Тепловые двигатели. Университетская физика, том 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Описать функцию и компоненты тепловой машины
• Объясните КПД двигателя
• Рассчитайте КПД двигателя для заданного цикла идеального газа

Тепловая машина — это устройство, используемое для извлечения тепла из источника и последующего преобразования его в механическую работу, которая используется во всех видах приложений. Например, паровой двигатель поезда старого образца может производить работу, необходимую для движения поезда. В связи с конструкцией и применением тепловых двигателей возникает несколько вопросов. Например, каков максимальный процент извлеченной теплоты, который можно использовать для совершения работы? Оказывается, это вопрос, на который можно ответить только с помощью второго закона термодинамики.

Второй закон термодинамики можно формально сформулировать несколькими способами. Одно представленное до сих пор утверждение касается направления спонтанного теплового потока, известного как утверждение Клаузиуса. Несколько других утверждений основаны на тепловых двигателях. Всякий раз, когда мы рассматриваем тепловые двигатели и связанные с ними устройства, такие как холодильники и тепловые насосы, мы не используем нормальные знаки для теплоты и работы . Для удобства мы предполагаем, что символы Qh, Qc, Qh, Qc и W представляют только количества переданной теплоты и произведенной работы, независимо от того, кто является отдающим или получающим. Входит ли тепло в систему или выходит из нее, и работа, совершаемая системой или системой, указывается соответствующими знаками перед символами и направлением стрелок на диаграммах.

Оказывается, для создания тепловой машины нам нужно более одного источника/поглотителя тепла. Мы вернемся к этому позже в этой главе, когда будем сравнивать различные формулировки второго закона термодинамики. На данный момент мы предполагаем, что тепловой двигатель построен между источником тепла (высокотемпературным резервуаром или горячим резервуаром) и поглотителем тепла (низкотемпературным резервуаром или холодным резервуаром), схематично представленным на рис. 4.4. Двигатель поглощает тепло QhQh от источника тепла (горячего резервуара) с температурой по Кельвину Th,Th, использует часть этой энергии для выполнения полезной работы Вт , а затем сбрасывает оставшуюся энергию в виде тепла QcQc в радиатор (холодный резервуар) с температурой Кельвина Tc.Tc. Электростанции и двигатели внутреннего сгорания являются примерами тепловых двигателей. Электростанции используют пар, произведенный при высокой температуре, для привода электрогенераторов, при этом отводя тепло в атмосферу или близлежащий водоем в роли поглотителя тепла. В двигателе внутреннего сгорания горячая газовоздушная смесь используется для толкания поршня, и аналогичным образом тепло отводится в окружающую атмосферу.

Рисунок
4.4

Схематическое изображение тепловой машины. Энергия перетекает из горячего резервуара в холодный резервуар при совершении работы.

Настоящие тепловые двигатели имеют множество различных конструкций. Примеры включают двигатели внутреннего сгорания, такие как те, которые используются в большинстве автомобилей сегодня, и двигатели внешнего сгорания, такие как паровые двигатели, используемые в старых поездах с паровыми двигателями. На рис. 4.5 представлена ​​фотография работающей атомной электростанции. Атмосфера вокруг реакторов действует как холодный резервуар, а тепло, выделяемое в результате ядерной реакции, обеспечивает тепло от горячего резервуара.

Рисунок
4,5

Тепло, выделяемое атомной электростанцией, поступает в градирни, где выбрасывается в атмосферу.

Тепловые двигатели работают, перемещая рабочее вещество через цикл. В паровой электростанции рабочим веществом является вода, которая сначала находится в жидком состоянии, затем испаряется, затем используется для привода турбины и, наконец, снова конденсируется в жидкое состояние. Как и все рабочие вещества в циклических процессах, когда вода возвращается в исходное состояние, она повторяет ту же последовательность.

На данный момент мы предполагаем, что циклы тепловых двигателей обратимы, поэтому потери энергии на трение или другие необратимые эффекты отсутствуют. Предположим, что двигатель, изображенный на рис. 4.4, совершает один полный цикл и что Qh, Qc, Qh, Qc и W представляют обмен теплоты и работу, выполненную за этот цикл. Так как начальное и конечное состояния системы одинаковы, то для цикла ΔEint=0ΔEint=0. Таким образом, из первого начала термодинамики имеем

W=Q−ΔEint=(Qh−Qc)−0,W=Q−ΔEint=(Qh−Qc)−0,

, так что

W=Qh-Qc.W=Qh-Qc.

4.1

Наиболее важной мерой тепловой машины является ее КПД ( e ), который представляет собой просто «то, что мы получаем», деленное на «то, что мы вкладываем» во время каждого цикла, как определено как e=Wout/Qin. e= Вут / Цинь.

Для тепловой машины, работающей между двумя тепловыми резервуарами, мы получаем Вт и добавляем Qh,Qh, поэтому КПД машины равен

e=WQh=1−QcQh.e=WQh=1−QcQh.

4.2

Здесь мы использовали уравнение 4.1, W=Qh-Qc,W=Qh-Qc, на последнем шаге этого выражения для эффективности.

Пример
4.1

Газонокосилка

Газонокосилка рассчитана на КПД 25,0%25,0% и среднюю мощность 3,00 кВт. Каковы (а) средняя работа и (б) минимальный выброс тепла в воздух газонокосилкой за одну минуту использования?

Стратегия

Из средней мощности, т. е. скорости производства работы, мы можем вычислить работу, выполненную за заданное прошедшее время. Затем, исходя из приведенного КПД, мы можем вычислить минимальный тепловой расход Qc=Qh(1-e)Qc=Qh(1-e) с Qh=Qc+W.Qh=Qc+W.

Решение

1. Средняя работа, выполняемая газонокосилкой, составляет

   Вт=PΔt=3,00×103×60×1,00Дж=180кДж.W=PΔt=3,00×103×60×1,00Дж=180кДж.

2. Минимальное тепло, выделяемое в воздух, определяется выражением

   Qc=Qh(1−e)=(Qc+W)(1−e),Qc=Qh(1−e)=(Qc+W)(1−e),

   что приводит к

   Qc=W(1/e-1)=180×(1/0,25-1)кДж=540кДж. Qc=W(1/e-1)=180×(1/0,25-1)кДж=540кДж.

Значение

С ростом КПД минимальное тепловыделение падает. Это помогает нашей окружающей среде и атмосфере, поскольку не выбрасывается столько отработанного тепла.

Тепловой двигатель: определение, типы и примеры

Тепловые двигатели окружают вас повсюду. От автомобиля, на котором вы едете, до холодильника, в котором ваша еда охлаждается, до систем отопления и охлаждения вашего дома — все они работают на основе одних и тех же ключевых принципов.

Целью любой тепловой машины является преобразование тепловой энергии в полезную работу, и для этого можно использовать множество различных подходов. Одной из простейших форм теплового двигателя является двигатель Карно, названный в честь французского физика Николя Леонара Сади Карно, построенный вокруг идеализированного четырехступенчатого процесса, который зависит от адиабатических и изотермических стадий.

Но двигатель Карно — это всего лишь один пример теплового двигателя, и многие другие типы достигают той же основной цели. Изучение того, как работают тепловые двигатели и как рассчитать эффективность тепловой машины, важно для всех, кто изучает термодинамику.

Что такое тепловая машина?

Тепловая машина представляет собой термодинамическую систему, преобразующую тепловую энергию в механическую. Хотя под этим общим заголовком подпадает множество различных конструкций, несколько основных компонентов можно найти практически в любой тепловой машине.

Любому тепловому двигателю требуется тепловая ванна или высокотемпературный источник тепла, который может принимать различные формы (например, ядерный реактор является источником тепла на атомной электростанции, но во многих случаях сжигание топлива используется в качестве источника тепла). источник тепла). Кроме того, должен быть низкотемпературный холодный резервуар, а также сам двигатель, который обычно представляет собой газ, расширяющийся при нагревании.

Двигатель поглощает тепло из горячего резервуара и расширяется, и этот процесс расширения воздействует на окружающую среду, обычно облекаясь в пригодную для использования форму поршня. Затем система отдает тепловую энергию обратно в холодный резервуар и возвращается в исходное состояние. Затем процесс циклически повторяется снова и снова, чтобы непрерывно производить полезную работу.

Типы тепловых двигателей

Термодинамические циклы или циклы двигателя — это общий способ описания многих конкретных термодинамических систем, которые работают циклическим образом, характерным для большинства тепловых двигателей. Простейшим примером тепловой машины, работающей по термодинамическим циклам, является двигатель Карно или двигатель, работающий на основе цикла Карно. Это идеализированная форма тепловой машины, в которой участвуют только обратимые процессы, в частности адиабатическое и изотермическое сжатие и расширение.

Все двигатели внутреннего сгорания работают по циклу Отто, который представляет собой другой тип термодинамического цикла, использующий воспламенение топлива для выполнения работы с поршнем. На первом этапе поршень опускается, втягивая в двигатель топливно-воздушную смесь, которая затем адиабатически сжимается на втором этапе и воспламеняется на третьем.

Происходит быстрое повышение температуры и давления, которое воздействует на поршень за счет адиабатического расширения, прежде чем открывается выпускной клапан, что приводит к снижению давления. Наконец, поршень поднимается, чтобы очистить отработавшие газы и завершить цикл двигателя.

Другим типом тепловой машины является двигатель Стирлинга, который содержит фиксированное количество газа, перемещающегося между двумя разными цилиндрами на разных стадиях процесса. Первый этап включает в себя нагрев газа для повышения температуры и создания высокого давления, которое перемещает поршень для выполнения полезной работы.

Затем поршень снова поднимается вверх и выталкивает газ во второй цилиндр, где он охлаждается в холодном резервуаре перед повторным сжатием. Этот процесс требует меньше работы, чем на предыдущем этапе. Наконец, газ возвращается в исходную камеру, где цикл двигателя Стирлинга повторяется.

 Эффективность тепловых двигателей

Эффективность тепловой машины – это отношение полезной работы, произведенной к подводимой теплу или тепловой энергии. выходная мощность измеряется в джоулях. Это означает, что если бы у вас была идеальная тепловая машина , она имела бы КПД 1 и преобразовывала бы всю тепловую энергию в полезную работу, а если бы ей удалось преобразовать половину ее, КПД был бы 0,5. В базовой форме формулу можно записать:

\text{КПД}= \frac{\text{Работа}}{\text{Тепловая энергия}}

Конечно, тепловая машина не может иметь КПД, равный 1, поскольку второй закон термодинамики диктует что любая закрытая система будет увеличивать энтропию с течением времени. Хотя существует точное математическое определение энтропии, которое вы можете использовать, чтобы понять это, самый простой способ думать об этом состоит в том, что неэффективность, присущая любому процессу, приводит к некоторой потере энергии, обычно в виде отработанного тепла. Например, поршень двигателя, несомненно, будет иметь некоторое трение, противодействующее его движению, а это означает, что система будет терять энергию в процессе преобразования тепла в работу.

Теоретический максимальный КПД тепловой машины называется КПД Карно. Уравнение для этого связывает температуру горячего резервуара T _H и холодного резервуара T _C с КПД ( η ) двигателя.

η = 1 — \frac{T_C}{T_H}

Вы можете умножить результат на 100, если хотите выразить ответ в процентах. Важно помнить, что это теоретическое значение 9.Максимум 0057 — маловероятно, что какой-либо реальный двигатель действительно приблизится к эффективности Карно на практике.

Важно отметить, что вы максимизируете эффективность тепловых двигателей, увеличивая разницу температур между горячим и холодным резервуарами. Для автомобильного двигателя T _H – температура газов внутри двигателя при сгорании, а T _C – температура, при которой они выталкиваются из двигателя.

Реальные примеры — паровой двигатель

Паровой двигатель и паровые турбины — два самых известных примера теплового двигателя, а изобретение парового двигателя стало важным историческим событием в индустриализации общества. Работа паровой машины очень похожа на другие рассмотренные выше тепловые машины: котел превращает воду в пар, который направляется в цилиндр с поршнем, и под высоким давлением пара приводит в движение цилиндр.

Пар передает часть тепловой энергии цилиндру, охлаждаясь при этом, а затем, когда поршень полностью выдвинут, оставшийся пар выпускается из цилиндра. В этот момент поршень возвращается в исходное положение (иногда пар направляется к другой стороне поршня, чтобы он тоже мог толкнуть его обратно), и термодинамический цикл начинается снова с большим количеством пара.

Эта относительно простая конструкция позволяет производить большое количество полезной работы из всего, что способно кипятить воду. КПД тепловой машины такой конструкции зависит от разницы температур пара и окружающего воздуха. Паровоз использует работу, созданную в результате этого процесса, для вращения колес и движения поезда.

Паровая турбина работает очень похоже, за исключением того, что работа идет на вращение турбины вместо движения поршня. Это особенно полезный способ выработки электроэнергии из-за вращательного движения, создаваемого паром.

Реальные примеры – двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания работает на основе цикла Отто, описанного выше, с искровым зажиганием, используемым для бензиновых двигателей, и воспламенением от сжатия, используемым для дизельных двигателей. Основное различие между ними заключается в способе воспламенения топливно-воздушной смеси: топливно-воздушная смесь сжимается, а затем физически воспламеняется в бензиновых двигателях, а топливо впрыскивается в сжатый воздух в дизельных двигателях, вызывая его воспламенение от температуры. .

Помимо этого, остальная часть цикла Отто завершается, как описано ранее: топливо всасывается в двигатель (или просто воздух для дизеля), сжимается, воспламеняется (искрой для топлива и распылением топлива в горячий сжатый воздух) для дизеля), который совершает полезную работу над поршнем за счет адиабатического расширения, а затем открывается выпускной клапан, чтобы уменьшить давление, и поршень выталкивает использованный газ.

Реальные примеры – тепловые насосы, кондиционеры и холодильники

Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники также работают в форме теплового цикла, хотя у них другая цель использования работы для перемещения тепловой энергии, а не наоборот. Например, в цикле нагрева теплового насоса хладагент поглощает тепло из наружного воздуха из-за его более низкой температуры (поскольку тепло всегда течет от горячего к холодному), а затем проталкивается через компрессор, чтобы повысить его температуру. давление и, следовательно, его температура.

Затем этот более горячий воздух перемещается в конденсатор рядом с обогреваемым помещением, где тот же процесс передает тепло в помещение. Наконец, хладагент проходит через клапан, который снижает давление и, следовательно, температуру, готовый к следующему циклу нагрева.

В цикле охлаждения (например, в кондиционере или холодильнике) процесс протекает в обратном порядке. Хладагент поглощает тепловую энергию из помещения (или внутри холодильника), потому что он хранится при низкой температуре, а затем проталкивается через компрессор для повышения давления и температуры.

В этот момент он перемещается за пределы комнаты (или к задней части холодильника), где тепловая энергия передается более прохладному наружному воздуху (или окружающему помещению). Затем хладагент направляется через клапан, чтобы понизить давление и температуру, считывая для следующего цикла нагрева.

Поскольку цель этих процессов противоположна примерам с двигателями, выражение для эффективности теплового насоса или холодильника также отличается. Хотя по форме это вполне предсказуемо. Для отопления:

η = \frac{Q_H}{W_{in}}

И для охлаждения:

η = \frac{Q_C}{W_{in}}

Где ​ Q термины относятся к теплу энергия, поступающая в помещение (с индексом H) и выводимая из него (с индексом C), а ​ Вт ​ _в – это работа, вводимая в систему в виде электричества. Опять же, это значение представляет собой безразмерное число от 0 до 1, но вы можете умножить результат на 100, чтобы получить процент, если хотите.

Пример из реальной жизни – электростанции или электростанции

Электростанции или электростанции на самом деле являются просто еще одной формой теплового двигателя, вырабатывают ли они тепло с помощью ядерного реактора или путем сжигания топлива. Источник тепла используется для приведения в движение турбин и, таким образом, выполнения механической работы, часто с использованием пара из нагретой воды для вращения паровой турбины, которая вырабатывает электричество описанным выше способом. Точный используемый тепловой цикл может варьироваться в зависимости от электростанции, но обычно используется цикл Ренкина.

Цикл Ренкина начинается с того, что источник тепла повышает температуру воды, затем происходит расширение водяного пара в турбине, за которым следует конденсация в конденсаторе (при этом выделяется отработанное тепло), прежде чем охлажденная вода пойдет в насос. Насос повышает давление воды и подготавливает ее к дальнейшему нагреву.

Второй закон термодинамики (обновлено 05.07.2014)

Глава 5: Второй закон термодинамики (обновлено 05.07.2014)

В этой главе мы рассмотрим более абстрактный подход
нагревать циклы двигателя, холодильника и теплового насоса, пытаясь
определить, выполнимы ли они, и получить предельный максимум
производительность, доступная для этих циклов. Понятие механического и
термообратимость занимает центральное место в анализе, что приводит к
идеальные циклы Карно. (См. Википедию: Сади
Карно французский физик, математик
и инженер, который первым успешно описал тепловые двигатели,
цикл Карно и заложил основы второго закона
термодинамика). Для получения дополнительной информации об этом
тему, см. статью: A
Встреча Роберта Стирлинга и Сади Карно в 1824 году
представлен на 2014
МЭК .

Мы представляем тепловой двигатель и цикл теплового насоса в
минималистский абстрактный формат, как на следующих диаграммах. В обоих
корпусов два температурных резервуара Т _Н и
Т _Л , с Т _Х >
Т _Л .

В случае теплового двигателя тепло Q _H извлекается из высокотемпературного источника T _H ,
часть этого тепла превращается в работу W, совершаемую над окружающей средой,
а остальное отбрасывается в низкотемпературную мойку T _L .
Обратное происходит с тепловым насосом, в котором работа W совершается на
система для извлечения тепла Q _L из
низкотемпературный источник Т _л и
«закачать» его в высокотемпературную раковину T _H .
Обратите внимание, что толщина линии представляет собой количество тепла.
или переданная рабочая энергия.

Теперь мы представляем два утверждения второго закона
Термодинамика, первая о тепловой машине, а вторая
по поводу теплового насоса. Ни одно из этих утверждений не может быть доказано,
однако никогда не наблюдалось нарушений.

Заявление Кельвина-Планка: Оно
невозможно построить устройство, работающее по циклу и
не производит никакого другого эффекта, кроме передачи тепла от одного тела
для того, чтобы произвести работу.

Мы предпочитаем менее формальное описание этого оператора
с точки зрения лодки, извлекающей тепло из океана для производства
его требуемая двигательная работа:

Заявление Клаузиуса: Оно
невозможно построить устройство, работающее по циклу и
не производит никакого другого эффекта, кроме передачи тепла от более холодного тела
к более горячему телу.

Эквивалентность Клаузиуса и Кельвина-Планка
Выписки

Примечательно, что два вышеуказанных утверждения
Второй закон фактически эквивалентен. Для демонстрации своих
эквивалентности рассмотрим следующую диаграмму. Слева мы видим тепло
насос, который нарушает утверждение Клаузиуса, перекачивая теплоту Q _L из низкотемпературного резервуара в высокотемпературный
температурный резервуар без каких-либо затрат труда. Справа мы видим
тепловой двигатель, отводящий тепло Q _L в
низкотемпературный резервуар.

Если теперь мы соединим два устройства, как показано ниже,
что теплота, отводимая тепловой машиной Q _L , равна
просто закачивается обратно в высокотемпературный резервуар, тогда
отсутствие необходимости в низкотемпературном резервуаре, что приводит к
двигатель, который нарушает утверждение Кельвина-Планка, отбирая тепло
от одного источника тепла и преобразования его непосредственно в работу.

Механическая и термическая обратимость

Обратите внимание, что утверждения о втором законе
отрицательные утверждения в том, что они описывают только то, что невозможно
достигать. Чтобы определить максимальную производительность, доступную от
тепловая машина или тепловой насос нам необходимо ввести понятие
Реверсивность ,
включая механическую и термическую обратимость. мы попробуем
пояснить эти понятия на следующем примере
реверсивный поршневой цилиндр, находящийся в тепловом равновесии с
окружающей среды при температуре T ₀ и
подвергается циклическому процессу сжатия/расширения.

Для механической обратимости мы предполагаем, что
процесс без трения, однако мы также требуем, чтобы процесс
квазиравновесный. На диаграмме мы видим, что во время
при сжатии частицы газа, находящиеся ближе всего к поршню, будут
более высокое давление, чем те, которые находятся дальше, поэтому поршень будет
делать больше работы по сжатию, чем если бы мы ждали
условия равновесия, возникающие после каждого дополнительного шага.
Точно так же термическая обратимость требует, чтобы вся теплопередача
изотермический. Таким образом, если происходит постепенное повышение температуры из-за
к сжатию, то нужно дождаться установления теплового равновесия
учредил. При расширении постепенное падение температуры
приведет к передаче тепла с окрестности по
систему до тех пор, пока не установится равновесие.

Таким образом, для
реверсивный режим:

• Все механические
  процессы без трения.

• При каждом приращении
  шаг в процессе условия теплового и барического равновесия
  учредил.

• Все процессы теплопередачи являются изотермическими.

Теорема Карно

Теорема Карно, также известная как правило Карно, или
Принцип Карно можно сформулировать следующим образом:

Тепловой двигатель не работает между двумя
резервуары могут быть более эффективными, чем обратимая тепловая машина
работающий между одними и теми же двумя резервуарами.

Самый простой способ доказать эту теорему — рассмотреть
сценарий, показанный ниже, в котором у нас есть необратимый двигатель как
а также реверсивный двигатель, работающий между резервуарами Т _Н и Т _L , однако
необратимая тепловая машина имеет более высокий КПД, чем обратимая
один. Оба они получают одинаковое количество тепла Q _H от
высокотемпературный резервуар, однако необратимый двигатель
производит больше работы W _I , чем
реверсивный двигатель W _R .

Обратите внимание, что реверсивный двигатель по своей природе может
работать в обратном порядке, т. е. если мы используем часть выхода работы (W _R )
от нереверсивного двигателя для привода реверсивного двигателя
то он будет работать как тепловой насос, передавая тепло Q _H в высокотемпературный резервуар, как показано на
следующая диаграмма:

Обратите внимание, что высокотемпературный резервуар становится
избыточны, и в итоге мы получаем чистое количество тепла (Q _LR — Q _LI ) из
температурный резервуар для производства чистого количества работы (W _I — W _R ) — метод Кельвина-Планка
нарушитель — тем самым доказывая теорему Карно.

Следствие 1 теоремы Карно:

Можно сформулировать первое следствие теоремы Карно
следующим образом:

Все реверсивные тепловые двигатели, работающие
между теми же двумя тепловыми резервуарами должны иметь одинаковую эффективность.

Таким образом, независимо от типа тепловой машины,
рабочее тело или любой другой фактор, если тепловая машина обратима,
то он должен иметь такой же максимальный КПД. Если это не тот
случае, то мы можем управлять реверсивным двигателем с нижней
КПД как тепловой насос, а нарушитель Кельвина-Планка как
выше.

Следствие 2 теоремы Карно:

Второе следствие теоремы Карно может быть
заявлено следующим образом:

Эффективность реверсивного теплогенератора
двигатель является функцией только соответствующих температур горячего
и холодные резервуары. Его можно оценить, заменив отношение
heat transfers Q _L and Q _H by the ratio of temperatures T _L and T _H of
соответствующие тепловые резервуары.

Таким образом, используя это следствие, мы можем оценить тепловую
КПД обратимой тепловой машины:

Обратите внимание, что мы всегда переходим в «режим медитации».
до замены отношения теплоты отношением абсолютных
температуры, что справедливо только для реверсивных машин.
Простейшим концептуальным примером обратимой тепловой машины является машина Карно.
цикла двигателя, как показано на следующей диаграмме:

Очевидно, совершенно непрактичный двигатель, который не может
реализоваться на практике, поскольку для каждого из четырех процессов в
цикл окружающей среды должен быть изменен с изотермического
к адиабатическому. Более практический пример — идеальный цикл Стирлинга.
двигатель, как показано на следующей схеме:

Этот двигатель имеет поршень для сжатия и
работы по расширению, а также вытеснитель для перемещения рабочей
газа между горячим и холодным пространством, и было описано ранее в
Глава 3b .
Отметим, что при одинаковых условиях температуры и сжатия
отношение идеальный двигатель Карно имеет такой же КПД, однако
значительно меньшая полезная производительность за цикл, чем у Ideal Stirling
цикла двигателя, как легко увидеть на следующей диаграмме:

Когда реверсивный двигатель работает в обратном направлении,
становится тепловым насосом или холодильником. Коэффициент производительности
из этих машин разработано следующее:

__________________________________________________________________________

Решено
Задача 5.1 — Реверсивный домашний воздух
Кондиционер и горячая вода
Нагреватель
______________________________________________________________________

Проблема 5.2 — Тепловой насос
используется для удовлетворения потребностей в отоплении дома и поддержания его
при 20°С. В день, когда температура наружного воздуха опускается до -10°C
подсчитано, что дом теряет тепло в размере 10 кВт.
В этих условиях фактический коэффициент полезного действия (COP _HP )
теплового насоса 2,5.

• а) Нарисуйте схему
  представляющая систему теплового насоса, показывающую поток энергии и
  температуры и определить:

• б) фактическая мощность
  потребляется тепловым насосом [4
  кВт]

• в) мощность, которая
  будет потребляться реверсивным
  тепловой насос в этих условиях [1,02
  кВт]

• г) мощность, которая
  будет потребляться электрическим нагревателем сопротивления при этих
  условия [10 кВт]

• e) Сравнение фактического теплового насоса с
  обратимый тепловой насос определить, если производительность фактического тепла
  насос возможен,

Вывести все используемые уравнения, начиная с основного
значение
КПД _л.с. .
__________________________________________________________________________

Проблема 5.3 — Во время
эксперимент, проведенный в старшей лаборатории при 25 ° C, студент измерил, что
холодильник с циклом Стирлинга, который потребляет 250 Вт энергии, удален
1000кДж тепла от охлаждаемого помещения, поддерживаемого при -30°С.
время работы холодильника во время эксперимента составляло 20 мин.
Нарисуйте схему, представляющую холодильную систему, показывающую поток
энергии и температуры, и определить, являются ли эти измерения
разумны [COPR
= 3,33, COPR, об.
= 4,42, соотношение COPR/COPR, об.
= 75% > 60% — нет
достижимый]. Укажите причины вашего
выводы. Получить все
уравнения, используемые, начиная с основного определения коэффициента
производительности холодильника
(КС _Р ).
__________________________________________________________________________

К главе 6:
Энтропия — новое свойство

________________________________________________________________________________________


Инженерная термодинамика Израиля
Уриэли находится под лицензией Creative
Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 США
Лицензия

Преобразование энергии и тепловые двигатели

 

(с небольшим количеством термодинамики)

 

Будь то уголь, нефть, газ или атомная энергетика, 80% электроэнергии в мире вырабатывается из источников тепла, и почти все используемые процессы преобразования энергии преобразуют тепловую энергию в электрическую энергию и включают промежуточный этап преобразования тепловой энергии в механическая энергия в той или иной форме тепловой машины. Чтобы удовлетворить эту потребность, был разработан широкий спектр систем преобразования энергии для оптимизации процесса преобразования в доступный источник тепла.

 

 

Несмотря на более чем 250 лет разработки с момента первого запуска паровой машины Джеймса Уатта, наилучшая эффективность преобразования, достигнутая сегодня, составляет всего около 60% для паровых и газотурбинных систем с комбинированным циклом. КПД в диапазоне от 35% до 45% более характерен для паровых турбин, от 20% до 30% для поршневых двигателей и всего 3% для океанских тепловых электростанций OTEC. На этой странице описаны некоторые термодинамические аспекты различных типичных тепловых двигателей. Более подробные описания этих двигателей можно найти на других страницах этого сайта по ссылкам ниже.

 

Эффективность тепловых двигателей была впервые исследована Карно в 1824 г. и расширена Клапейроном, предоставившим аналитические инструменты в 1834 г., и Кельвином, сформулировавшим второй закон термодинамики в 1851 г., и, наконец, Клаузиусом, который ввел понятие энтропии в 1865 г.

 

Термодинамическая система

Каждая термодинамическая система существует в определенном состоянии, которое определяется свойствами ее компонентов, такими как теплота, температура, давление, объем, плотность, энтропия и фаза (жидкость, газ и т. д.) в данный момент времени. Термодинамика касается преобразований между теплом и другими формами энергии в системе и связанных с ними потоков энергии.

В термодинамическом цикле энергия применяется в одной форме для изменения состояния системы, а затем извлекается энергия в другой форме, чтобы вернуть систему в исходное состояние. В тепловом двигателе энергия применяется в виде тепла для изменения состояния рабочего тела, а затем извлекается в виде механической работы для возвращения рабочего тела в исходное состояние. Другими словами, тепловой двигатель — это система, в которой происходит обмен энергией между системой преобразования энергии и окружающей средой.

Важно отметить, что хотя рабочее тело в тепловом двигателе может работать в замкнутом цикле, «система» и «состояние системы» определяются как включающие в себя как физический «двигатель», так и рабочую среду. или окрестности.

 

Тепловые двигатели

В тепловых двигателях используется ряд методов подачи тепла и преобразования изменений давления и объема в механическое движение.

 

Из законов о газе             PV = кН T

где P давление, V объем и T температура газа

и k — постоянная Больцмана, а N — число молекул в газовом заряде.

 

Введение энергии в виде тепла в газ повысит его температуру, но в то же время газовые законы означают, что давление или объем газа, или и то и другое, должны увеличиваться пропорционально. Газ можно вернуть в исходное состояние, снова забрав эту энергию, но не обязательно в виде тепла. Изменение давления и/или объема можно использовать для выполнения работы путем перемещения механического устройства соответствующей конструкции, такого как поршень или лопатка турбины.

Чем больше изменение температуры, тем больше энергии можно извлечь из жидкости

 

Тепловая машина как часть системы Тепловые двигатели позволяют преобразовывать тепловую энергию в кинетическую через среду рабочего тела.   На диаграмме напротив показан тепловой поток системы. Теплота передается от источника через рабочее тело в тепловую машину к стоку, и в этом процессе часть теплоты превращается в работу.   Теория теплового двигателя касается только процесса преобразования тепла в механическую энергию, а не способа получения тепла, процесса сгорания. Сжигание представляет собой отдельный процесс преобразования и подвержен собственным потерям эффективности. В некоторых практических системах, таких как паровые турбины, эти два процесса физически разделены, но в двигателях внутреннего сгорания, которые составляют большинство двигателей, два процесса происходят в одной и той же камере в одно и то же время.

 

Энтропия

Понятие энтропии полезно для понимания преобразования энергии в системе, потоков энергии и работы тепловых двигателей. Слово «энтропия» происходит от греческого «преобразование». Хотя энтропия впервые была определена для термодинамических приложений, эта концепция использовалась и в других областях науки, особенно в электрохимии и связи. Таким образом, существует множество определений энтропии, некоторые из которых противоречивы или сбивают с толку. Следующие три примера являются последовательными и используются в контексте тепловых двигателей.

• Энтропия мера беспорядка системы.
• Энтропия мера количества энергии, недоступной для выполнения работы.
• Энтропия S — это переменная состояния для обратимого (без потерь) процесса, изменение которого в любой точке цикла определяется как:

dS = dQ/T

Где Вопрос — теплота в джоулях, поступающая в систему в любой момент цикла

.

и T температура в °К в точке подвода тепла

 

Примером может служить температура замкнутого объема газа, нагреваемого теплом от источника энергии или резервуара.

По мере увеличения температуры газа увеличивается беспорядок или кинетическая энергия его молекул, что означает увеличение его энтропии. Это сопровождается изменением состояния газа, объем или давление которого увеличивается в зависимости от характера оболочки.

 

Второй закон термодинамики

Второй закон касается изменений энтропии. Это может быть сформулировано в различных формах следующим образом;

• Энтропия изолированной системы, не находящейся в равновесии, имеет тенденцию к увеличению со временем, достигая максимального значения, когда система находится в равновесии
• В любом циклическом процессе энтропия будет либо увеличиваться (или в идеальной системе оставаться неизменной).

 

Неравенство Клаузиуса

Теорема Клаузиуса — это еще один способ сформулировать Второй закон. Таким образом:

∫dQ/T < 0       (интеграл вокруг одного полного цикла)

 

Интеграл представляет собой чистое изменение энтропии рабочего тела в течение одного полного теплового цикла, когда рабочее тело в тепловом двигателе возвращается в исходное состояние. На первый взгляд может показаться, что это нарушит второй закон, поскольку он показывает, что изменение энтропии всегда будет равно нулю или отрицательно, а мы знаем, что энтропия может только увеличиваться или оставаться неизменной.

Объяснение состоит в том, что уравнение относится к потоку энергии между тепловым двигателем и окружающей средой во время цикла.

В идеальном (обратимом) тепловом цикле изменение энтропии будет нулевым, однако для реальной (необратимой) системы энтропия в рабочем теле будет увеличиваться в процессе процессов преобразования энергии, но для завершения цикла рабочего тела в В том же состоянии, что и в начале, эта избыточная энтропия должна выйти из «двигателя» в окружающую среду (холодный резервуар). Интеграл Клаузиуса относится к выбросу этой избыточной энтропии из тепловой машины в окружающую среду. Это согласуется со вторым законом, поскольку любой реальный цикл двигателя приведет к тому, что в окружающую среду будет передано больше энтропии, чем было взято из нее, что приведет к общему чистому увеличению энтропии всей системы.

Одним из следствий потери энтропии тепловой машиной является то, что будет меньше доступной энергии для выполнения полезной работы.

 

Процессы тепловых двигателей

 

Тепловой цикл включает три или более основных термодинамических основных процесса, обычно четыре, для преобразования состояния рабочего тела и возвращения его в исходное состояние. Это; сжатие, подвод тепла, расширение и отвод тепла, и каждый из этих процессов может осуществляться при одном или нескольких из следующих условий: Изотермические — при постоянной температуре, поддерживаемые с добавлением или отводом тепла от источника тепла или поглотителя Изобарические — при постоянном давлении Изометрический/Изохорный/Изообъемный — При постоянном объеме Адиабатический — При постоянной энтропии. Тепло не добавляется и не отводится от системы. Работа не сделана. Изэнтропический При постоянной энтропии. Обратимые адиабатические условия Отсутствие подвода или потери тепла. Работа не сделана.

 

Анализ теплового цикла

Характеристики теплового цикла, связанного с тепловым двигателем, обычно описываются с помощью двух диаграмм изменения состояния: диаграммы PV, показывающей зависимость давления от объема, и диаграммы TS, показывающей зависимость температуры от энтропии.

При постоянной массе газа работа тепловой машины представляет собой повторяющийся цикл, и ее PV-диаграмма будет замкнутой фигурой

Примеры, иллюстрирующие процессы преобразования энергии, используемые в некоторых идеальных, закрытых и открытых системах, показаны ниже.

 

Работа, выполненная за один цикл плавки

Механическая работа, взятая из системы, определяется уравнением:

Вт = — ∫P.dV       (Интеграл вокруг одного полного цикла)

Из диаграммы PV этот интеграл эквивалентен заключенной площади
по кривой.

 

Эффективность тепловой машины

Карно показал, что максимальный КПД η , который может быть достигнут от тепловой машины, определяется выражением:

η = (T _h — T _c )/T _h      или      η = 1 — T _c /T _h

3

Примечания по эффективности

• Эффективность может быть повышена за счет максимизации разницы между температурами горячего впуска и холодного выхлопа рабочего тела во время теплового цикла.
• Эффективность всех систем открытого цикла снижается из-за потерь тепла с высокотемпературными выхлопными газами.
• КПД также снижается из-за потерь на трение при работе вращающихся механизмов, энергии, потребляемой на стадии сжатия, и энергии накачки в ДВС.
• Большинство систем преобразования энергии представляют собой многоступенчатые системы, так что общая производительность системы также зависит от других факторов, таких как эффективность сгорания топлива, используемого для выработки тепла, и эти факторы эффективности или потерь не зависят от и дополняют основной тепловой (Карно) цикл рабочего тела.
• Эффективность Карно представляет собой совершенство и не является хорошей мерой для сравнения производительности реальных систем преобразования энергии. Реальные системы настолько разнообразны, что не существует простого теоретического стандарта для сравнения, кроме отношения фактической выходной энергии системы к теплотворной способности используемого топлива.

 

Варианты теплового двигателя

Было разработано большое разнообразие конструкций тепловых двигателей, основанных на ряде различных тепловых циклов, для оптимизации конструкции для различных приоритетов, таких как следующие:

• Максимальная термодинамическая эффективность за цикл.
• Максимальная частота повторения цикла (максимальная мощность)
• Максимальная мощность (максимальный крутящий момент)
• Минимальный расход топлива
• Возможность использования альтернативных видов топлива
• Механическая простота

Ниже приведены некоторые примеры.

 

Сводка процессов, используемых во всех этих циклах, представлена ​​в таблице ниже.

 

Цикл Карно

Тепловая машина Карно — гипотетическая идеальная машина, работающая по обратимому циклу Карно. Он используется в качестве эталонного цикла, хотя, по иронии судьбы, о реальных двигателях Карно не известно. Это замкнутый цикл, использующий внешнее приложение тепла.

Цикл Карно при работе в качестве тепловой машины состоит из следующих шагов:

 

Смена Государственный	Процесс теплового цикла Карно es
от А до В	Реверсивное изотермическое сжатие холодного газа. Изотермический отвод тепла. Газ запускается при «холодной» температуре. Тепло уходит из газа в низкотемпературную среду.
от В до С	Обратимое адиабатическое сжатие газа. Сжатие вызывает повышение температуры газа до «горячей» температуры. Тепло не накапливается и не теряется.
от C до D	Обратимое изотермическое расширение горячего газа. Изотермический подвод тепла. Поглощение тепла от высокотемпературного источника. Расширяющийся газ доступен для работы с окружающей средой (например, для перемещения поршня).
от Д до А	Обратимое адиабатическое расширение газа. Газ продолжает расширяться, совершая внешнюю работу. Расширение газа заставляет его охлаждаться до «холодной» температуры. Тепло не приобретается и не теряется.

 

Если тепловой цикл выполняется по часовой стрелке, как показано на приведенной выше диаграмме, двигатель использует тепло для выполнения полезной работы. Если цикл работает в обратном направлении (против часовой стрелки), он использует работу для передачи тепловой энергии от более холодной системы к более теплой, тем самым действуя как холодильник или тепловой насос. Смотри ниже.

 

Еще одно явное нарушение второго закона? Диаграмма TS (энтропия) показывает уменьшение энтропии в замкнутом цикле!

Объяснение состоит в том, что на диаграмме TS показаны потоки энтропии в замкнутом цикле, но хотя цикл рабочего тела замкнут, тепловая машина является частью более крупной замкнутой системы, включающей в себя окружающую среду. В обратимой системе происходит обмен энтропией между тепловой машиной и окружающей средой, а общая энтропия системы остается неизменной. В необратимой системе происходит такой же обмен, но общая энтропия системы фактически увеличивается.

 

Цикл Стирлинга

Цикл Стирлинга подробно описан в разделе о двигателях Стирлинга. Как и двигатель Карно, это также воздушный двигатель внешнего сгорания с замкнутым циклом.

ΔT=0 (постоянная температура – ​​изотермический)

ΔV=0 (постоянный объем — изометрический)

Двигатель Стирлинга использует следующие процессы

 

Смена Государственный	Процессы теплового цикла двигателя Стирлинга
от А до В	Изотермическое сжатие . Отвод тепла к радиатору и сжатие холодного воздуха в цилиндре
от В до С	Изометрическая теплопередача Тепло, передаваемое от регенератора воздуху в цилиндре, увеличивает давление
от C до D	Изотермическое расширение . Тепло добавлено, и воздух расширяется в цилиндре.
от Д до А	Изометрический отвод тепла Тепло, поглощаемое регенератором

 

Велосипед Эрикссона

Двигатель Ericsson, аналогичный двигателю Стирлинга, но использующий открытый цикл, представляет собой двигатель внешнего сгорания с регенератором, в котором используется механическая конфигурация двойного действия. Эрикссон также производил версии своих двигателей с замкнутым циклом.

 

Цикл Ренкина (паровой цикл)

Цикл Ренкина описывает системы замкнутого цикла, в которых используются внешние источники тепла и двухфазные рабочие жидкости, которые попеременно конденсируются в жидкую форму и испаряются в газообразную форму по мере того, как они расширяются и сжимаются во время теплового цикла. Этот процесс подробно описан в разделе о паровых турбинах, которые являются основными крупномасштабными приложениями, зависящими от цикла Ренкина.

 

Примечание: Поскольку работа, совершаемая системой за один цикл, равна площади, заключенной на диаграмме теплового цикла, информация, отображаемая на диаграммах, может быть использована для выбора подходящего рабочего тела с оптимальными характеристиками и задания его оптимальные пределы и условия эксплуатации.

 

Цикл Ренкина использует следующие процессы

 

Смена Государственный	Процессы теплового цикла Ренкина
1 до В	Рабочая жидкость (вода) нагревается до насыщения (фазового перехода/точки кипения) в процессе постоянного давления.
В до 2	После достижения насыщения дальнейшая теплопередача происходит при постоянном давлении до полного испарения рабочей жидкости (качество 100 % / сухой пар)
от 2 до 3	Пар изоэнтропически расширяется (без добавления или потери тепла) через ступень турбины, производя работу, вращающую вал. Давление пара (пара) падает, когда он проходит через турбину и выходит при низком давлении.
от 3 до 4	Рабочая жидкость направляется через конденсатор, где она конденсируется (фазовый переход) в жидкость (воду).
от 4 до 1	Рабочая жидкость закачивается обратно в котел.

 

Перегрев пара до очень высоких температур используется в большинстве установок, чтобы максимизировать разницу температур между горячей и холодной фазами жидкости, чтобы максимизировать эффективность Карно.

Цикл Ренкина также используется в низкотемпературных установках, для которых недоступна подача высокотемпературного пара, такого как водяной пар. Примерами являются генераторы OTEC и генераторы, работающие на солнечном тепле.

 

Цикл Стоддарда

Двигатель Стоддарда представляет собой двигатель внешнего сгорания, аналогичный двигателю Стирлинга, использующий однофазные рабочие жидкости, такие как воздух или другие газы. Расположение клапанов уменьшает мертвое пространство рабочей жидкости, обеспечивая большую эффективность.

 

Цикл Ленуара

Двигатель

Ленуара был первым двигателем внутреннего сгорания. Все двигатели внутреннего сгорания представляют собой двигатели с открытым циклом, которые получают новую порцию рабочей жидкости при каждом тепловом цикле. В этих двигателях рабочим телом является топливно-воздушная смесь, которая сгорает в двигателе. Механическая работа двигателя происходит за счет расширения горячих газов сгорания.

 

Цикл Отто

Цикл Отто является стандартным открытым циклом, используемым в четырехтактном бензиновом двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Подробно это описано в разделе о поршневых двигателях.

ΔS=0 (постоянная энтропия — адиабатическая)

ΔV=0 (Постоянный объем — изометрический)

Цикл Отто использует следующие процессы

 

Смена Государственный	Тепловые циклы Отто
от А до В	Ход сжатия . Адиабатическое сжатие воздушно-топливной смеси в цилиндре
от В до С	Воспламенение смеси сжатого воздуха и топлива в верхней части такта сжатия, при этом объем практически не меняется.
от C до D	Расширение (мощность) Ход . Адиабатическое расширение горячих газов в цилиндре.
от Д до А	Такт выпуска Выброс отработавших горячих газов . Индукционный ход Впуск очередного заряда воздуха в цилиндр. Объем выхлопных газов такой же, как и заряда воздуха.

 

Цикл Аткинсона

Цикл Аткинсона представляет собой вариант цикла Отто, который эффективно увеличивает степень расширения двигателя по сравнению со степенью сжатия за счет использования сложной связи коленчатого вала. Это позволяет сделать ход выпуска длиннее, чем ход впуска, и, следовательно, рабочие объемы отличаются. Большее расширение позволяет извлекать больше энергии из топливного заряда и позволяет двигателю работать с меньшим нагревом. Это обеспечивает лучшую эффективность за счет удельной мощности.

 

Цикл Миллера

Цикл Миллера представляет собой еще один вариант цикла Отто, обеспечивающий асимметричные степени сжатия и расширения с помощью механизмов газораспределения. Впускной и выпускной такты в этом двигателе идентичны, но фазы газораспределения эффективно уменьшают впускной топливно-воздушный заряд. Он имеет те же преимущества и недостатки, что и двигатель Аткинсона.

 

Дизельный цикл

Дизельный двигатель подробно описан в разделе, посвященном поршневым двигателям. В цикле Дизеля тепло подается при постоянном давлении, тогда как в цикле Отто тепло подается при постоянном объеме.
Подобный по конструкции двигателю Отто, дизель также является двигателем внутреннего сгорания с замкнутым циклом, но вместо использования искры для воспламенения топлива воспламенение достигается за счет быстрого сжатия топливно-воздушной смеси до более высокого давления, чем в двигателе Отто. Более высокая степень сжатия позволяет дизелю достичь большей эффективности.

ΔS=0 (постоянная энтропия — адиабатическая)

ΔV=0 (постоянный объем — изометрический)

Дизельный цикл использует следующие процессы

 

Смена Государственный	Процессы теплового цикла дизельного топлива
от А до В	Ход сжатия . Адиабатическое сжатие воздуха в цилиндре. Топлива еще не добавляли.
от В до С	Зажигание Изобарический подвод тепла. Топливо вводится в сжатый воздух в верхней части такта сжатия. Топливная смесь воспламеняется при практически постоянном давлении.
от C до D	Расширение (мощность) Ход . Адиабатическое расширение горячих газов в цилиндре.
от Д до А	Такт выпуска Выброс отработавших горячих газов . Индукционный ход Впуск очередного заряда воздуха в цилиндр. Объем выхлопных газов такой же, как и заряда воздуха.

 

Цикл Брайтона, также известный как Цикл 9 газовой турбины0005


Этот цикл описывает цикл непрерывного сгорания, который впервые был использован в поршневом двигателе Brayton. Хотя двигатели Брайтона больше не производятся, цикл Брайтона описывает тепловой цикл, используемый в современных газотурбинных двигателях.

ΔS=0 (постоянная энтропия — адиабатическая)

ΔS=0 (Постоянное давление – изобарическое)

Цикл Брайтона использует следующие процессы

 

Смена Государственный	Процессы теплового цикла Брайтона
от А до В	Адиабатическое сжатие . Воздух всасывается в турбину и сжимается в ступени компрессора.
от В до С	Изобарическое зажигание Топливо смешивается с воздухом высокого давления и сжигается при постоянном давлении.
от C до D	Адиабатическое расширение Горячие газы расширяются в ступенях турбины.
от Д до А	Изобарический выхлоп Выброс отработавших горячих газов в окружающую среду при постоянном давлении.

 

Сводка

	Процессы теплового двигателя Резюме
Тип сжигания Цикл/процесс Сжатие Дополнительный источник тепла Расширение Отвод тепла Внешний Сгорание (Замкнутый цикл) Карно изоэнтропический изотермический изоэнтропический изотермический Стерлинг изотермический изометрический изотермический изометрический Эрикссон изотермический изобарический изотермический изобарический Ренкин (Пар) адиабатический изобарический адиабатический изобарический Стоддард адиабатический изобарический адиабатический изобарический Внутреннее сгорание (открытый цикл) Ленуар нет изометрический изоэнтропический изобарический Отто (бензин) адиабатический изометрический адиабатический изометрический Аткинсон адиабатический изометрический адиабатический изометрический Миллер адиабатический изометрический адиабатический изометрический Дизель адиабатический изобарический адиабатический изометрический Брайтон (Джет) адиабатический изобарический адиабатический изобарический

 

 

Тепловые насосы и холодильники – парокомпрессионные системы

Парокомпрессионные тепловые насосы и холодильники имеют много общего с тепловыми двигателями. Разница в том, что тепловой цикл работает в противоположном направлении.

• Тепловой насос предназначен для подачи тепла теплоносителю
• Задачей холодильника является отвод тепла от холодного носителя

Эти два процесса дополняют друг друга и работают по одним и тем же принципам. Оба они используют внешний источник энергии для передачи тепла «в гору» от холодной среды к теплой среде, которые изолированы или изолированы друг от друга. Единственная разница заключается в том, является ли приоритет применения эффектом нагрева или охлаждения.

 

Поскольку тепловой насос может обеспечивать как обогрев, так и охлаждение, стоимость системы контроля микроклимата с тепловым насосом может быть распределена как на сезон отопления, так и на сезон охлаждения.

 

Системы сжатия пара и используют эффект Джоуля-Томсона и вариант цикла ( Ренкина ) с различными рабочими жидкостями или хладагентами.

 

Рабочими жидкостями, использовавшимися в ранних системах сжатия, были токсичные газы, такие как аммиак (NH ₃ ), метилхлорид (CH ₃ Cl) и диоксид серы (SO ₂ ), но после нескольких несчастных случаев со смертельным исходом в 1920-х годах, вызванных утечкой метилхлорида, поиск менее опасного хладагента привел к разработке фреона хлорфторуглерода (CFC). Спустя десятилетия было обнаружено, что фреоны несут ответственность за разрушение озонового слоя, делая планету более подверженной изменению климата. В ответ на это был разработан ряд альтернативных хладагентов на основе гидрофторуглеродов (ГФУ), не содержащих хлора.

 

История

 

На приведенной ниже схеме показаны компоненты системы и потоки тепла и рабочей жидкости.

 

 

История

 

На приведенных ниже диаграммах показаны соответствующие диаграммы теплового цикла.

 

 

В таблице ниже показаны процессы, используемые в парокомпрессионных системах

 

Смена Государственный	Системы сжатия пара Тепловой насос и Холодильник Системы
от 1 до 2	Рабочая жидкость (хладагент) в парообразном состоянии сжимается, повышая свою температуру.
от 2 до 3	Перегретый пар охлаждается до насыщенного пара. Тепло отводится от хладагента при постоянном давлении и отводится в окружающую среду.
от 3 до 4	Пар конденсируется при постоянной температуре в жидкость с выделением большего количества тепла.
от 4 до 5	Расширительный клапан (дроссель) создает резкое снижение давления, что снижает температуру кипения жидкости, которая мгновенно превращается в жидкость + пар, получая тепло от среды, окружающей испаритель.
от 5 до 1	Жидкость испаряется и расширяется при постоянном давлении, отводя тепло от окружающей среды

 

 

Газоабсорбция Холодильные установки Системы

Альтернативой парокомпрессионным холодильным системам является газоабсорбционная система, которая в простейшем варианте не имеет движущихся частей. Энергия для циклирования рабочей жидкости и превращения горячего пара высокого давления обратно в жидкость, как это ни парадоксально, обеспечивается за счет приложения большего количества тепла, а не с помощью компрессора, который используется в системе сжатия. Рабочая жидкость в типичной системе представляет собой аммиак, но ему нужны две другие вспомогательные жидкости на разных этапах цикла: газообразный водород для контроля давления в процессе испарения и вода, используемая в качестве поглотителя, для отделения аммиака от водорода. Система идеально подходит для мест, где нет электричества.

 

Ниже описаны процессы, связанные с использованием тепла для охлаждения.

 

Смена Государственный	Газоабсорбция Холодильные установки Системы
от 1 до 2	Испаритель — Ступень 1. Рабочая жидкость (безводный аммиак) в жидком состоянии выпускается в испаритель, содержащий вспомогательный газ (водород) при повышенном давлении в системе, которое обычно достаточно велико, чтобы удерживать аммиак в жидком состоянии. состояние при комнатной температуре. (Водород не реагирует с аммиаком) (Аммиак кипит при -33°C при нормальном атмосферном давлении)
от 2 до 3	Испаритель — Ступень 2. При смешивании газов эффективное давление отдельных газов снижается, поскольку сумма парциальных давлений газов должна равняться давлению в системе, которое остается неизменным. (Закон Дальтона) Пониженное парциальное давление аммиака снижает его температуру кипения ниже комнатной температуры, так что он испаряется, отводя тепло от окружающей среды. (Эффект Джоуля-Томсона)
	Сепаратор. Затем аммиак отделяют от газообразной смеси водорода и аммиака для повторного использования в двухстадийном процессе. Posted inДвигатель Copyright 2021 Негосударственное частное образовательное учреждение Учебный технический Центр «Светофор». Все права защищены