Принцип работы теплового двигателя, что такое тепловой двигатель

Содержание

1. История создания
2. Виды тепловых двигателей
3. Принцип работы теплового двигателя и его устройство
4. Как работают двухтактные двигатели
5. Как работают 4-х тактные двигатели
6. 1 такт впуска.
7. 2 такт. Сжатие горючей смеси.
8. 3 такт. Процессы расширения.
9. 4 выпускной такт.
10. Схема работы двигателя внешнего сгорания
11. Достоинства и недостатки теплового двигателя
12. Область применения

История создания

Первые упоминания о подобном устройстве связаны с римской империей. В то время тепловой двигатель не получил широкого распространения ввиду низкого развития техники.

• История создания
• Виды тепловых двигателей
• Принцип работы теплового двигателя и его устройство
• Как работают двухтактные двигатели
• Как работают 4-х тактные двигатели
• Схема работы двигателя внешнего сгорания
• Достоинства и недостатки теплового двигателя
• Область применения

В III веке до н. э. Архимедом была построена паровая пушка.

Рис. №1. Тепловой двигатель.

Леонардо да Винчи изобразил на своем рисунке цилиндр с поршнем, с находящейся в нём водой. На создание этого эскиза повлияла разработка Архимеда. По его замыслу работу цилиндра можно было описать так: при нагревании воды выделяющийся пар выталкивает поршень в цилиндре вверх. На этом принципе была основана работа паровой пушки. Пар от нагретой воды был способен придавать энергию движения снаряду, и он выстреливал.

В 1690 году Дени Папену удалось собрать цилиндр с двигающимся поршнем. Но нагревание воды и ее охлаждение приходилось осуществлять вручную. Именно поэтому такой вариант паровых машин не нашел применения.

В 1763 году Ползунову удалось изобрести паровой двигатель с двумя цилиндрами. Эта особенность обеспечивала непрерывную работу машины.

В 1766 году он изобрел паровой двигатель с мощностью в 32 л. с. Запустили двигатель после его смерти. Изобретение Ползунова работало в плавильных печах на протяжении 3 месяцев. После чего вышел из строя, а ввиду отсутствия мастеров по ремонту так и остался в неисправном состоянии.

Джеймсу Уатт в 1782 году получил патент на усовершенствованный изобретенный задолго до него паровой насос – паровую машину с двойным действием.

Виды тепловых двигателей

Выделяют:

Принцип работы теплового двигателя и его устройство

Устройство теплового двигателя представлено следующими элементами:

• Свечи зажигания;
• Цилиндр;
• Поршни;
• Кривошипная камера;
• Впускной и выпускной клапаны.

Тепловые двигатели внутреннего сгорания подразделяются на 2-х и 4-х тактные.

Такт – это процессы, происходящие в двигателе за одно движение поршня.

Как работают двухтактные двигатели

Все процессы происходит в 2 этапа:

1 такт. Сжимание воздуха.

В этот период клапан выпуска и впуска находятся в закрытом состоянии.

Поршень, поднимаясь, закрывает поочередно клапан впуска и выпуска. Это приводит к тому, что смесь газов и топлива сжимается.

В герметичную кривошипную камеру в следствие создания разряженного воздуха под поршнем следует горючее из карбюратора, клапан впуска при этом открыт;

2 такт. Рабочий ход.

Как только поршень начинает приближаться к ВМТ, свеча зажигания подает искру в камеру. В результате чего происходит воспламенение смеси топлива и газов, что ведет к увеличению температуры и давления в полости цилиндра

Увеличившееся давление обуславливает опускание поршня до НМТ. Начинается сжимание поршнём смеси газов и воздуха в кривошипной камере. Это ведет к тому, что клапан впуска закрывается, тем самым препятствует попаданию горючего в коллектор и карбюратор.

Опускаясь до НМТ, поршень открывает клапан выпуска, происходит выход выхлопных газов.

Как работают 4-х тактные двигатели

Рисунок №2. Схематическое изображение работы ДВС.

Все процессы происходят в 4 этапа:

1 такт впуска.

Открывается впускной клапан в результате движения поршня к НМТ. Подача смеси горючего из карбюратора происходит как раз через этот клапан. Как только поршень достигает НМТ, впускной клапан переходит в закрытое состояние;

2 такт. Сжатие горючей смеси.

Поднимаясь до ВМТ происходит сжатие горючей смеси поршнем. Как только поршень начинает приближаться в верхней точке, начинается подача искры свечой зажигания. В результате чего происходит воспламенение смеси;

3 такт. Процессы расширения.

Вышеописанные моменты приводят к горению топливовоздушной смеси и высвобождению большого количества тепла. Увеличившееся давление давит на поршень, тем самым, заставляя его опускаться вниз. Клапаны здесь закрыты;

4 выпускной такт.

Коленвал продолжая своё движение, обеспечивает движение поршня к верхней мёртвой точке. По мере продвижения поршня наверх, происходит открытие клапана выпуска. Через него происходит удаление выхлопных газов. Как только поршень достигает верхней границы, впускной клапан закрывается.

Схема работы двигателя внешнего сгорания

Рис.3. Схема работы двигателя внешнего сгорания.

Принцип работы основан на чередовании нагревания и охлаждения воздуха в ограниченном пространстве и высвобождении энергии в результате изменения объема воздуха.

Это Интересно! Двигатель Стирлинга используется в холодильном оборудовании. Принцип его работы в этом случае обратный и заключается в раскручивании вала двигателем. Что приводит к охлаждению головки цилиндра.

Достоинства и недостатки теплового двигателя

К положительным характеристикам теплового двигателя можно отнести:

• Простота работы, надежность. Соответственно низкая стоимость ремонтных работ;
• Независимость от дополнительного источника энергии;
• Высокоэффективный тип двигателя;
• Выступает как источник электричества как для индивидуального применения, так и в более широких кругах;
• Относительно небольшие размеры.

Помимо достоинств, имеется несколько существенных недостатков:

• Тепловой двигатель обладает низким коэффициентом полезного действия;
• Неблагоприятное воздействие на экологию;
• Оказывает влияние на процесс глобального потепления;
• Затраты большого количества кислорода с дальнейшим превращением его в углекислый газ.

Отличия теплового двигателя от инжекторного

Ремонт теплового двигателя гораздо проще и дешевле инжектора.

Область применения

Двигатели внутреннего сгорания нашли широкое применение в транспортных установках и сельскохозяйственных машинах, а так же используются электростанциями, энергопоездами и для запуска генератора (как аварийного источника электроэнергии).

Тепловые 2-х тактные двигатели внутреннего сгорания применяются в технике малой мощности

Двигатель внутреннего сгорания устанавливается в:

• Роторные двигатели;
• Реактивные и турбореактивные двигатели;
• Газотурбинные установки.

Это Интересно! Самые большие тепловые двигатели устанавливают на водных суднах. Мощность таких моторов составляет более 108 тысяч лошадиных сил!

Тепловой двигатель получил широкое распространение в современных условиях от маломощной техники до тепловых электростанций. Существенным минусом его использования является неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Для предотвращения этого необходимо совершенствовать устройство и работу таких двигателей, а также использовать технологии по энергосбережению.

дизельных и карбираторных — доклад

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.

О паровых двигателях

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.

О двигателях внутреннего сгорания

В конце XIX века немецким конструктором Августом Отто была предложена конструкция ДВС с карбюратором, где приготавливается топливовоздушная смесь.

Остановимся более подробно на его работе. Каждый цикл работы состоит из 4-х тактов: впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.

Во время первого такта горючая смесь впрыскивается в цилиндр и сжимается поршнем. Когда компрессия достигает максимума, срабатывает система электроподжига (искра от свечи). В результате этого микровзрыва температура в камере сгорания достигает 16 000 — 18 000 градусов. Образующиеся газы давят на поршень, толкают его, проворачивая соединенный с поршнем коленчатый вал. Это и есть рабочий ход, приводящий автомобиль в движение.

А охладившиеся газы через выпускной клапан выбрасываются в атмосферу. Пытаясь улучшить эффективность работы устройства, разработчики увеличивали степень сжатия горючей смеси, но тогда она самовоспламенялась «досрочно».

Немецкий инженер Дизель нашел интересный выход из этого затруднения…

В цилиндрах дизеля за счёт движения поршня сжимается чистый воздух. Это позволило в несколько раз увеличить степень сжатия. Температура в камере сгорания достигает 900 град. В конце такта сжатия туда впрыскивается солярка. Её мелкие капли, смешавшись со столь разогретым воздухом, самовоспламеняются. Образующиеся газы, расширяясь, давят на поршень, осуществляя рабочий ход.

Итак, дизельные двигатели отличаются от карбюраторных:

• По роду используемого топлива. Карбюраторные двигатели — бензиновые. Дизельные — потребляют исключительно солярку.
• Дизель на 15–20 % экономичнее карбюраторных двигателей за счёт большей степени сжатия, но его обслуживание дороже, чем у его соперника — бензинового двигателя.
• В числе минусов дизеля — в холодные российские зимы солярка загустевает, нужен её подогрев.
• Последние исследования американских учёных показали, что выбросы от дизельных двигателей по составу менее вредны, чем от их бензиновых аналогов.

Многолетняя конкуренция между двумя видами ДВС завершилась распределением сферы их использования. Дизельные двигатели как более мощные устанавливаются на морском транспорте, на тракторах и автомобилях большой грузоподъёмности, а карбюраторные — на автомобили малой и средней грузоподъемности, на моторные лодки, мотоциклы и т. д.

Коэффициент полезного действия (КПД)

Эффективность эксплуатации любого механизма определяется его КПД. Паровой двигатель, выпускающий отработанный пар в атмосферу, имеет весьма низкий КПД от 1 до 8%, бензиновые двигатели до 30%, обычный дизельный двигатель до 40%. Безусловно, во все времена инженерная мысль не останавливалась и искала пути повышения КПД.

Талантливый французский инженер Сади Карно разработал теорию работы идеального теплового двигателя.

Его рассуждения были следующими: чтобы обеспечить повторяемость циклов, необходимо, чтобы расширение рабочего вещества при нагревании сменялось его сжатием до первоначального состояния. Этот процесс может совершаться только за счёт работы внешних сил. Причём работа этих сил должна быть меньше полезной работы самого рабочего тела. Для этого следует понизить его давление путём охлаждения в холодильнике. Тогда график всего цикла будет иметь вид замкнутого контура, он то и стал называться циклом Карно. Максимальный КПД идеального двигателя вычисляется по формуле:

Где η сам коэффициент полезного действия, T1 и T2 абсолютные температуры нагревателя и холодильника. Они вычисляются по формуле T= t+273, где t температура по Цельсию. Из формулы видно, что для увеличения КПД необходимо увеличить температуру нагревателя, что ограничено жаропрочностью материала, или понизить температуру холодильника. Максимальный КПД будет при Т= 0К, что также технически неосуществимо.

Реальный коэффициент всегда меньше КПД идеального теплового двигателя. Сравнивая реальный коэффициент с идеальным, можно определить резервы для совершенствования имеющегося двигателя.

Работая в этом направлении, конструкторы снабдили бензиновые двигатели последнего поколения инжекторными системами подачи топлива (впрыскивателями). Это позволяет с помощью электроники добиться его полного сгорания и соответственно увеличить КПД.

Изыскиваются пути уменьшения трения соприкасающихся деталей двигателя, а также улучшения качества используемого топлива.

Прежде природа угрожала человеку, а теперь человек угрожает природе

Со следствиями неразумной деятельности человека приходится сталкиваться уже нынешнему поколению. И значительный вклад в нарушение хрупкого равновесия природы вносит огромный объём тепловых двигателей, используемых на транспорте, в сельском хозяйстве, а также паровых турбин электростанций.

Это вредное воздействие проявляется в колоссальных выбросах и повышении содержания углекислого газа в атмосфере. Процесс сгорания топлива сопровождается потреблением атмосферного кислорода в таких масштабах, что это превышает его выработку всей земной растительностью.

Значительная часть тепла от двигателей рассеивается в окружающей среде. Этот процесс, усугубляемый парниковым эффектом, приводит к повышению среднегодовой температуры на Земле. А глобальное потепление чревато катастрофическими последствиями для всей цивилизации.

Чтобы ситуация не усугублялась, необходима эффективная очистка, отработанных газов, переход на новые экологические стандарты, предъявляющие более жёсткие требования к содержанию вредных веществ в выхлопных газах.

Очень важно использовать только качественное топливо. Хорошие перспективы ожидаются от использования в качестве горючего водорода, поскольку при его сгорании вместо вредных выбросов образуется вода.

В недалеком будущем значительная часть автомобилей, работающих на бензине, будет заменена электромобилями.

Только общими усилиями мы можем сохранить этот удивительный мир, которым природа одарила нашу планету.

Автор: Драчёва Светлана Семёновна

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя в группе ВКонтакте.
А ещё — спасибо, если ты нажмёшь на одну из кнопочек «лайков»:

Разработка урока «Тепловые двигатели»

Цель: формирование знаний о принципе действия тепловых двигателей.

Задачи

• образовательные: сформировать представление о принципе действия тепловых двигателей и их основных характеристиках,
• развивающая: находить связь между законами, явлениями, изучаемыми в физике, развивать систему взглядов о единстве природы,
• воспитательная: воспитание мотивов учения, положительного отношения к знаниям.

Тип учебного занятия: изучения нового материала.

Методы

• обучения: диалогический, алгоритмический.
• преподавания: объяснительный, побуждающий, инструктивный, организация практической работы с учебными материалами.
• учения: исполнительский, частично-поисковый, воспроизведение, решение индивидуальных и фронтальных заданий.
• воспитания: беседа, поощрение.

Средства обучения:

• дидактические: раздаточный материал, презентация;
• технические: проектор, компьютер.

Ход учебного занятия №11

1 Организационно-мотивационный этап. (5 мин)
1.1 Мотивация.
1.2 Предварительное определение уровня знаний обучающихся (лист с заданием 11.1).
2 Организация самостоятельной работы обучающихся по вопросам темы учебного занятия (учебный материал 11, закрепляющий материал – лист с заданием 11. 2). (32 мин) 
2.1 Принцип действия теплового двигателя.  
2.2 Цикл Карно.  
2.3 КПД теплового двигателя.  
3 Подведение итогов учебного занятия. (8 мин)
3.1 Проверка степени усвоения материала (лист с заданием 11.3).
3.2 Проверка средств обучения и деятельности педагога (заполнение дневника урока).
3.3 Домашнее задание. №676 Задачник «Физика 10-11 классы». Автор А.П. Рымкевич.

Лист с заданием 11.1

Предварительное определение уровня знаний

1. Назовите возможные предпосылки создания тепловых двигателей.
2. Опишите современную жизнь без тепловых двигателей.
3. В каких устройствах встречаются тепловые двигатели?
4. Что вам известно о принципе работы теплового двигателя?

Мотивация

Тепловые двигатели появились в начале XVIII в. в период интенсивного развития металлургической и текстильной промышленности, в России паровой двигатель был создан И. И.Ползуновым (1765). В 1784 г. английский изобретатель Дж. Уатт получил патент на универсальный паровой двигатель. В годы жизни французского физика С.Карно (1796-1832) наилучшие паровые машины имели КПД 5%. Это навело ученого на мысль исследовать причины несовершенства тепловых машин и найти пути повышения их КПД. В 1824 г. С.Карно издал работу «Размышления о движущей силе огня, и о машинах, способных развивать эту силу». Эта работа вошла в сокровищницу мировой науки и поставила ее автора в ряды основоположника термодинамики. В ней был предложен цикл идеальной тепловой машины.

Благодаря неравнодушным ученым и конструкторам, усовершенствовавшим первые паровые двигатели, современное общество имеет высокоразвитую структуру транспорта и энергетики, а мы имеем возможность изучить принцип действия теплового двигателя и его характеристики.

Учебный материал 11

Тепловые двигатели

Принцип действия теплового двигателя

Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую работу. Энергия в тепловом двигателе, выделяющаяся при сгорании топлива, путем теплообмена передается газу. Газ, расширяясь, совершает работу против внешних сил, приводя в движение механизм. Схема теплового двигателя показана на рис. 1.

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: рабочего тела, нагревателя и холодильника.

Рабочее тело (газ или пар) при расширении совершает работу, получая от нагревателя некоторое количество теплоты Q1. Температура нагревателя Т1 остается постоянной за счет сгорания топлива. При сжатии рабочее тело передаёт некоторое количество теплоты Q2 холодильнику, имеющему температуру Т2<Т1.  Тепловой двигатель должен работать циклически. Если тело из начального состояния переводится в конечное состояние, а затем через другие промежуточные состояния возвращается в начальное состояние, то совершается круговой процесс, или цикл.

После окончания цикла тело возвращается в своё первоначальное состояние, его внутренняя энергия принимает начальное значение.
Поэтому работа цикла может совершаться только за счёт внешних источников, подводящих теплоту к рабочему телу. Реальные тепловые двигатели работают по разомкнутому циклу, т.е. после расширения газ выбрасывается, а в машину вводится и сжимается новая порция газа.

Цикл Карно

Различают прямой (цикл тепловой машины) и обратный (цикл холодильной машины) циклы.

Рабочий цикл Карно состоит из двух равновесных изотермических и двух равновесных адиабатных процессов (рис. 2).

Равновесным называют процесс, в котором газ проходит ряд следующих друг за другом равновесных состояний. Параметры двух таких соседних состояний отличаются на бесконечно малую величину. В идеальной машине, работающей по циклу Карно, отсутствуют всякие потери на теплопроводность, трение и другие потери. В качестве рабочего вещества выбирается идеальный газ.

На участке 1-2 (изотерма) идеальный газ совершает работу по изотермическому расширению за счет теплоты, полученной от нагревателя. Внутренняя энергия газа не изменяется, так как T=const. При адиабатном расширении (участок 2-3) газ совершает работу за счет изменения внутренней энергии, так как при этом процессе газ теплоты не получает. При изотермическом сжатии (участок 3-4) выделяющаяся теплота полностью передается холодильнику, внутренняя энергия не меняется. При адиабатном сжатии (участок 4-1) работа идет на повышении внутренней энергии газа, теплоты идеальный газ не получает. Итак, идеальный газ возвращается в первоначальное состояние и, следовательно, к первоначальному состоянию его внутренней энергии. От нагревателя идеальный газ получил количество теплоты Q1, холодильнику отдал Q2; следовательно, согласно первому началу термодинамики, в работу превращено количество теплоты, равное Q1-Q2.

КПД теплового двигателя

называется коэффициентом полезного действия (КПД) тепловой машины. КПД цикла Карно можно выразить через температуры нагревателя Т1 и холодильника Т2.
 

Коэффициент полезного действия определяется лишь температурами нагревателя и холодильника и не зависят от рода вещества.

Из формулы (2) следуют выводы:

1. Для повышения КПД тепловой машины нужно увеличивать температуру нагревателя и уменьшать температуру холодильника.
2. КПД тепловой машины всегда меньше 1.

В настоящее время усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателя за счёт уменьшения трения частей машины, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т.д. Реальные возможности для повышения КПД здесь ещё остаются большими. Так, для паровой турбины начальные и конечные температуры пара приблизительно таковы: Т1 =800 к, Т2 =300К. При этих температурах максимальное значение КПД

Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь  40%.

Повышение КПД тепловых двигателей, приближение его к максимально возможному – важнейшая техническая задача.

Лист с заданием 11.2

Закрепляющий материал

Ответьте на вопросы и выполните задания

1. Какое устройство называется тепловым двигателем?

2. Заполните таблицу №1, используя предложенные выражения и располагая их в правильной последовательности.

Энергия выделяется. Энергия передаётся газу. Газ расширяется. Газ совершает работу. Механизм приходит в движение. Топливо сгорает.

3. Подберите название таблице, запишите его. 

Таблица 1

4. Начертите предложенную схему, заменив цифры названиями основных частей теплового двигателя

5. Верны ли утверждения:

1. Рабочее тело при расширении совершает работу.
2. Температура нагревателя Т₁ регулярно изменяется за счет сгорания топлива.
3. При сжатии рабочее тело передаёт некоторое количество теплоты Q₂ холодильнику.
4. Температура холодильника Т₂ всегда ниже температуры нагревателя Т₁.
5. Тепловой двигатель должен работать циклически.

6. В чем различие между циклами идеальной и реальной машин?

7. Соотнесите элементы левого столбца с описанием этапов работы газа, указанных в правом столбце.

8. Запишите формулы (1) и (2). Распишите буквенные обозначения.

9. Какие выводы можно сделать из формулы (2)?

10. Какова приблизительная разница между максимально возможным и реальным КПД паровой турбины?

11. Решите задачу:  Температура нагревателя идеальной тепловой машины 127^oС, а холодильника 37^o С. Количество теплоты, получаемое машиной от нагревателя, равно 60 кДж. Вычислить КПД машины и количество теплоты, отдаваемое холодильнику.

Лист с заданием 11.3

Проверка степени усвоения материала

Выполните задания теста, выбрав к каждому вопросу по одному правильному ответу.

1. Выберите верное определение. Тепловые двигатели это…

a) устройства, преобразующее механическую работу во внутреннюю энергию газа;

b) устройства, преобразующее внутреннюю энергию топлива в тепловую энергию;

c) устройства, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую работу;

d) устройства, преобразующее тепловую энергию во внутреннюю энергию топлива.

2. К основным элементам теплового двигателя не относится

a) рабочее тело;

b) идеальный газ;

c) нагреватель;

d) холодильник.

3. Рабочим телом теплового двигателя могут быть

a) пар и газ;

b) вода и газ;

c) твердое топливо и воздух;

d) воздух и вода.

4. Цикл Карно не содержит

a) изотермического расширения;

b) адиабатного расширения;

c) изотермического сжатия;

d) изобарного сжатия.

5. КПД теплового двигателя определяется по формуле

6. Для повышения КПД тепловой машины не нужно

a) увеличивать температуру нагревателя и уменьшать температуру холодильника;

b) уменьшать трения частей машины;

c) увеличивать температуру холодильника и уменьшать температуру нагревателя;

d) уменьшать потери топлива.

Эталон ответа: 1-с, 2-b, 3-a, 4-d, 5-a, 6-c.

Приложение 1.

Методическая модель учебного занятия

Список использованных источников.

1. Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. [Текст]: Учебник. — М: Изд-во «Дрофа», 2015. — 446 с.

2. Касьянов В.А. Физика. 10 класс. Базовый уровень. [Текст]: Учебник. — М.: Издательский центр «Академия», 2013. — 282 с.

3. Рымкевич А.В. Сборник задач по физике. Задачник. М: Изд-во «Просвещение», 2015. – 196с.

Электронные ресурсы.

1. Тепловые двигатели. Википедия. Интернет-энциклопедия [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org, свободный. – Загл. с экрана.

Принцип действия тепловых двигателей. КПД. Охрана окружающей среды.

Ум заключается не только в знании , но и в умении применять знания на деле. Аристотель

Тема урока:

«Принцип действия тепловых двигателей.

КПД. Охрана окружающей среды.»

Фронтальный опрос

1. Беспорядочное движение частиц, из которых состоит тело, называется…

2. Энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело, называется…

3. Перечислите способы изменения внутренней энергии…

Тепловым движением частиц

Внутренней энергией

Работа, теплопередача

Фронтальный опрос

4. В каких единицах измеряется внутренняя энергия?

5. На что расходуется количество теплоты, переданное системе?

Джоуль

Часть тепла расходуется на совершение работы, а часть – на увеличение внутренней энергии.

Фронтальный опрос

7. Заселите формулами остров «Термодинамика».

Развитие техники зависит от умения использовать громадные запасы внутренней энергии. Использовать эту энергию- это значит совершать за счет нее полезную работу.

Рассмотрим источники, которые совершают работу за счет внутренней энергии.

Тепловой двигатель — устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую

Устройство и принцип работы теплового двигателя

Процессы в циклах работы теплового двигателя

• Получение энергии от нагревателя;
• Рабочий ход;
• Передача неиспользуемой части энергии холодильнику.

Наличие нагревателя, рабочего тела, холодильника – принципиально необходимое условие для непрерывной циклической работы любого теплового двигателя.

Коэффициент полезного действия (Кпд) теплового двигателя

КПД-отношение работы, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Q 1 – количество теплоты полученное от нагревателя Q 1 Q 2

Q 2 — количество теплоты отданное холодильнику

Q 2 1

A — работа совершаемая двигателем за цикл η

Сади Карно (1796-1832)

Французский ученый инженер

Цикл карно и его КПД

Работа дВС

Виды тепловых двигателей

• Паровые турбины
• Реактивный двигатель
• Двигатель внутреннего сгорания
• Газовые турбины

Модель теплового двигателя

выпускной

впускной

клапан

клапан

свеча

поршень

шатун

цилиндр

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания

РАБОЧИЙ

ВЫПУСК

ХОД

СЖАТИЕ

ВПУСК

ПОТЕРИ С ОХЛАЖДАЮЩЕЙ

40%

ВОДОЙ

ПОЛЕЗНАЯ РАБОТА

25%

ПОТЕРИ НА ТРЕНИЕ

10%

25%

ПОТЕРИ ПРИ ВЫХЛОПЕ

Вид транспорта

Вид двигателя

автомобильный

ДВС(карбюраторный, дизельный)

железнодорожный

Дизельный, электрический

водный

ДВС, паровая турбина

воздушный

Поршневой, реактивный, турбореактивный

Автомобильный транспорт

Железнодорожный транспорт

Воздушный транспорт

Водный

транспорт

Какие действия на окружающую среду оказывают тепловые двигатели?

• Загрязняют биосферу;
• Повышают температуру окружающей среды;
• Истощают природные ресурсы;
• Влияют на состояние здоровья людей.

Основные источники загрязнения окружающей среды в Липецком районе и ее состояние

Загрязнение окружающей среды г. Липецка

Пути решения проблем, связанных с использованием тепловых двигателей

Но не стоит забывать, что тепловые двигатели

принося пользу человечеству, неблагоприятно

влияют на окружающую нас природу

Итоги урока

• Какие виды энергии преобразуются из одного в другой при работе тепловых машин?
• Для чего служат машины?
• Может ли машина иметь КПД 100%?
• Как повысить КПД двигателя?

Закрепление

Тест «Проверь себя»

Ответы

НОМЕР ВОПРОСА

ОТВЕТ

1

2

А

В

3

4

В

В

5

В

6

7

Б

8

Г

Г

9

А

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

ξ 5. 11, стр. 126-135

конспект

Спасибо всем!

Больше читайте

физику

и счастье

улыбнется вам!

Энергия топлива. Принципы работы тепловых двигателей

Конспект по физике для 8 класса «Энергия топлива. Принципы работы тепловых двигателей». ВЫ УЗНАЕТЕ: Что такое удельная теплота сгорания топлива. Как вычислить количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива. Что такое тепловые двигатели. Что называют КПД теплового двигателя.

Конспекты по физике    Учебник физики    Тесты по физике

В глубокой древности люди научились разжигать огонь — первый самостоятельно добытый источник энергии. На огне готовят пищу, им обогревают жилище, он горит в топках тепловых электростанций. Для того чтобы огонь горел, необходимо топливо. В качестве топлива могут быть использованы уголь, нефть, торф, дрова, природный газ и др. Технический прогресс во многом зависит от умения человечества использовать огромные запасы внутренней энергии различных видов топлива.

ЭНЕРГИЯ ТОПЛИВА

При сгорании топлива выделяется энергия. Выясним, за счёт чего это происходит.

Горение топлива — это химическая реакция окисления, при которой атомы углерода, содержащиеся в топливе, соединяются с атомами кислорода, содержащимися в воздухе. В результате образуются молекулы углекислого газа, кинетическая энергия которых оказывается больше, чем у исходных частиц. Поэтому процесс горения сопровождается выделением энергии.

Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, называется теплотой сгорания топлива.

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА

Как показывают опыты, при сгорании 1 кг сухих берёзовых дров выделяется 1,0 • 10⁷ Дж энергии. При сгорании 2 кг сухих дров выделяется 2,0 • 10⁷ Дж, т. е. вдвое больше. Следовательно, количество теплоты, выделяемое при сжигании топлива, пропорционально массе топлива.

При сгорании разного топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Например, при сжигании 1 кг нефти можно получить количество теплоты, в 3 раза большее, чем при сжигании той же массы торфа, и в 4 раза большее, чем при сжигании той же массы дров.

Приведённые примеры показывают, что при полном сжигании топлива массой m количество выделенной энергии Q зависит также от вида топлива:
Q = qm,   (1)
где q — некоторая величина, характеризующая тепловые свойства топлива и называющаяся удельной теплотой сгорания топлива.

Нетрудно установить физический смысл этой величины. Если массу топлива принять равной единице массы, то согласно формуле (1) величина q будет численно равна количеству теплоты.

Измеряется удельная теплота сгорания топлива в джоулях на килограмм (1 Дж/кг).

ПРОСТЕЙШИЙ ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Если в пробирку, плотно закрытую пробкой, налить немного воды и нагреть её до кипения, то под давлением образовавшегося пара пробка вылетит из пробирки. Часть энергии топлива перешла во внутреннюю энергию пара, который, расширяясь, совершил работу по перемещению пробки. Внутренняя энергия пара превратилась в кинетическую энергию пробки.

Если заменить пробирку прочным металлическим цилиндром, а пробку плотно пригнанным поршнем, который может двигаться вдоль цилиндра, то получится простейший тепловой двигатель. Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии топлива в механическую, называют тепловыми двигателями.

Первые тепловые двигатели были созданы Т. Ньюменом, И. Ползуновым и усовершенствованы Д. Уаттом в XVIII в.

Газ, расширение которого вызывает перемещение поршня, называют рабочим телом. Газ, получив энергию от нагревателя, расширяется и совершает работу.

Для постоянной работы теплового двигателя необходимо, чтобы поршень после расширения газа возвращался в исходное положение, сжимая газ до первоначального состояния. Для этого газ нужно охладить. Следовательно, нужно иметь холодильник, которому рабочее тело отдаёт некоторое количество теплоты. Роль холодильника может выполнять и окружающий воздух. После этого вновь могут происходить процессы расширения и сжатия газа, т. е. работа теплового двигателя состоит из периодически повторяющихся процессов (циклов) расширения и сжатия.

Рабочее тело, получая некоторое количество теплоты Q₁ от нагревателя, часть этого количества теплоты, по модулю равную |Q₂|, отдаёт холодильнику. Поэтому совершаемая работа не может быть больше А = Q₁ – |Q₂|.

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

При сгорании топлива в двигателе только часть энергии идёт на совершение полезной работы. Чем меньше энергии теряется, тем экономичнее тепловой двигатель.

Для характеристики экономичности различных двигателей вводится понятие коэффициента полезного действия двигателя — КПД.

Отношение полезной работы, совершённой двигателем, к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя:

У всех тепловых двигателей КПД невысок, он не достигает даже 50 %. Это означает, что более половины энергии, содержащейся в топливе, теряется.

Основная причина низкого КПД тепловых двигателей заключается в том, что пар или газ, получив энергию от сгоревшего топлива, не может её полностью превратить в механическую энергию. Часть её неизбежно рассеивается в окружающем пространстве и не может быть использована.

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Энергия топлива. Принципы работы тепловых двигателей».

Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).

Просмотров:
5 784

Принцип работы тепловых машин презентация, доклад

Паровая турбина.
Экологические проблемы
теплоэнергетики.
Возобновляемые
источники энергии

Тепловым двигателем называют машину, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

Вся ли тепловая энергия превращается в тепловых двигателях в механическую энергию?

Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только часть той энергии, которая выделяется топливом

Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие
КПД (коэффициент полезного действия) двигателя.

Схема работы теплового двигателя

Q1-количество теплоты, полученное от нагревателя
Q2-количество теплоты, отданное холодильнику
А= Q1-Q2 -работа, совершаемая двигателем

Нагреватель-топливо; рабочее тело-газ; холодильник- окружающая среда, части механизма

Физическая величина, показывающая, какую часть составляет совершаемая двигателем работа от энергии, полученной при сгорании топлива, называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя

η = (А / Q 1 ) 100%

КПД теплового двигателя

η = А п/ Аз

η = Qп/ Qз

η = Nп/ Nз

η

Почему?

η = (А / Q1 ) 100%

η = ( Q1-Q2 / Q1 ) 100%

Характеристики тепловых двигателей

Важнейшая техническая задача

Повысить КПД тепловых двигателей

Уменьшение трения частей двигателя

Уменьшение потерь топлива вследствие его неполного сгорания

Применение тепловых машин
и проблемы охраны окружающей среды

При сжигании топлива в тепловых машинах требуется большое количество кислорода. На сгорание разнообразного топлива расходуется от 10 до 25% кислорода, производимого зелёными растениями.

Тепловые машины не только сжигают кислород, но и выбрасывают в атмосферу эквивалентные количества двуокиси углерода (углекислого газа). Сгорание топлива в топках промышленных предприятий и тепловых электростанций почти никогда не бывает полным, поэтому происходит загрязнение воздуха золой, хлопьями сажи. Сейчас во всём мире обычные энергетические установки выбрасывают в атмосферу ежегодно 200 – 250 млн. т золы и около 60 млн. т диоксида серы.

Кроме промышленности воздух загрязняет и транспорт, прежде всего автомобильный (жители больших городов задыхаются от выхлопных газов автомобильных двигателей).

Спасем Землю!

Не уничтожать зеленый покров Земли.
2. Посадить и вырастить дерево.
3. Не ездить без нужды в автомобиле, на мотоцикле, мопеде.
4. Охранять лес, родники, речушки.
5. Организовать при школе экологический патруль.
6. Экономить воду, электроэнергию (будут сжигать меньше топлива на электростанциях).
7. Беречь бумагу, собирать и сдавать макулатуру (сохраните лес).
8. Беречь вещи (на их изготовление идет энергия).
9. Собирать и сдавать вторсырье.
10. Беспощадно бороться с разрушителями природы, кем бы они ни были.

1. Один из учеников при решении получил ответ, что КПД теплового двигателя равен 200%. Правильно ли решил ученик задачу?

Качественные задачи:

2. КПД теплового двигателя 45%. Что означает это число?

1.Тепловой двигатель за цикл получает от нагревателя энергию, равную 1000 Дж, и отдаёт холодильнику энергию 800 Дж. Чему равен КПД теплового двигателя?

2.Тепловой двигатель за цикл получает от нагревателя энергию, равную 1000 Дж, и отдаёт холодильнику энергию 700 Дж. Чему равен КПД теплового двигателя?

Задачи(2-реши сам)

1. Двигатель внутреннего сгорания совершил полезную работу, равную 0,23МДж и израсходовал 2кг бензина. Вычислить КПД двигателя.

Задачи( 2 – реши сам)

2. Определить КПД двигателя трактора, которому для выполнения работы 18,9 МДж потребовалось 1,5кг топлива с q =42МДж/кг.

Задача для любителей биологии

В организме человека насчитывается около 600 мышц. Если бы все мышцы человека напряглись, они вызвали бы усилие, равное приблизительно 25 т. считается, что при нормальных условиях работы человек может развивать мощность 70 – 80 Вт, однако возможна моментальная отдача энергии в таких видах спорта, как толкание ядра или прыжки в высоту. Наблюдения показали, что при прыжках в высоту с одновременным отталкиванием обеими ногами некоторые мужчины развивают в течение 0,1 с среднюю мощность около 3700 Вт, а женщины – 2600 Вт.
КПД мышц человека равен 20%. Что это значит? Какую часть энергии мышцы тратят впустую?

Спасибо за активную работу на уроке.

Скачать презентацию

Объясните принцип работы тепловой машины. Определите его эффективность. Опишите аналитический метод определения проделанной работы — Sarthaks eConnect

← Предыдущий вопрос
Следующий вопрос →

1 ответ

+2 голоса

ответил
29 июня 2019 г.
по
Sweety01
(70,3 тыс. баллов)

выбрано
29 июня 2019 г.
Фаиз

Лучший ответ

Это устройство, которое непрерывно преобразует тепловую энергию в механическую в циклическом процессе.

Как показано на рисунке, тепловая энергия состоит из следующих основных частей: 

(i) Источник: Резервуар тепла при более высокой температуре T ₁ Предполагается, что теплоемкость бесконечна, так что любое количество от него можно отводить тепло без изменения температуры.

(ii) Раковина: Это резервуар тепла при более низкой температуре T ₂ . Он также обладает бесконечной теплоемкостью, так что к нему можно добавить любое количество тепла без изменения его температуры.

(iii) Рабочее вещество: Рабочее вещество – это любой материал (твердый, жидкий или газообразный), который совершает механическую работу при подведении к нему тепла. Например, смесь паров топлива и воздуха используется в бензиновом или дизельном двигателе или пар в паровом двигателе.

Рабочий: В каждом цикле работы рабочее тело поглощает определенное количество теплоты Q ₁ от источника более высокой температуры T ₁ , преобразует часть этой тепловой энергии в механическую работу W и отдает остаточное тепло Q ₂ тонуть при более низкой температуре T ₂ . Совершаемая за цикл работа W передается в окружающую среду каким-либо устройством, например, рабочее тело может находиться в цилиндре с движущимся поршнем, передающим механическую энергию колесам транспортного средства через вал.

КПД тепловой машины: КПД тепловой машины определяется как отношение полезной работы, совершаемой двигателем за один цикл, к количеству тепла, поглощаемому рабочим телом от источника.

При возвращении рабочего тела в исходное состояние после завершения одного цикла его внутренняя энергия не изменяется. Следовательно, согласно первому закону термодинамики, чистая теплота, поглощаемая в цикле = выполненная работа

т.е. Q ₁ — Q ₂ = Вт

Эффективность тепловой машины определяется выражением

Отсюда ₂ /Q ₁  

КПД тепловой машины всегда меньше единицы. Ясно, что при Q ₂ = 0, η = 1 или 100%.

← Предыдущий вопрос
Следующий вопрос →

Похожие вопросы

Кто из перечисленных является изобретателем дифференциальной и аналитической машин, которые проложили путь к развитию компьютеров?

спросил
1 марта
в ГК
по
ИшмитКаур
(30,0 тыс. баллов)

• общие знания
• наука-технологии и изобретения

Кто согласился подготовить программу для аналитической машины?

спросил
15 сент. 2021 г.
в области информационных технологий
по
Вайбхав02
(38,0 тыс. баллов)

• операционные системы
• класс-10

Аналитическая машина должна была работать с использованием 

спросил
15 сент. 2021 г.
в области информационных технологий
по
Вайбхав02
(38,0 тыс. баллов)

• операционные системы
• класс-10

Аналитическая машина называется первым компьютером, почему?

спросил
15 сент. 2021 г.
в области информационных технологий
по
Вайбхав02
(38,0 тыс. баллов)

• операционные системы
• класс-10

Сравните аналитическую машину и разностную машину Чарльза Бэббиджа.

спросил
16 июня 2021 г.
в дисциплине вычислительной техники
по
Лабдхи
(31,3 тыс. баллов)

• класс-11

Категории

• Все категории
• JEE
  (28,1к)
• NEET
  (8,5к)
• Наука
  (740к)
  • Физика
    (255к)
  • Химия
    (251к)
  • Биология
    (213к)
• Математика
  (240к)
• Статистика
  (2,8к)
• Наука об окружающей среде
  (3,6к)
• Биотехнология
  (536)
• коммерция
  (62,1к)
• Электроника
  (3,7к)
• Компьютер
  (15,6к)
• Искусственный интеллект (ИИ)
  (1,4к)
• Информационные технологии
  (13,2к)
• Программирование
  (8.6к)
• Политическая наука
  (6,4к)
• Домашняя наука
  (4.0k)
• Психология
  (3,3к)
• Социология
  (5,5к)
• Английский
  (57,6к)
• хинди
  (20,3к)
• Способность
  (23,7к)
• Рассуждение
  (14,6к)
• ГК
  (25,7к)
• Олимпиада
  (527)
• Советы по навыкам
  (72)
• CBSE
  (710)
• РБСЭ
  (49,1к)
• Общий
  (56,9к)
• МСБШСЭ
  (1,8к)
• Совет Тамилнаду
  (59,3к)
• Совет Кералы
  (24,5к)

Применение термодинамики: тепловые насосы и холодильники

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Описывать использование тепловых двигателей в тепловых насосах и холодильниках.
• Продемонстрируйте, как работает тепловой насос для обогрева внутренних помещений.
• Объясните разницу между тепловыми насосами и холодильниками.
• Рассчитайте коэффициент полезного действия теплового насоса.

Рисунок 1. Почти в каждом доме есть холодильник. Большинство людей не осознают, что они также делят свои дома с тепловым насосом. (кредит: Id1337x, Викисклад)

Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют передачу тепла от холодного к горячему. Это тепловые двигатели, работающие в обратном направлении. Мы говорим «назад», а не «назад», потому что, за исключением двигателей Карно, все тепловые машины, хотя и могут работать в обратном направлении, на самом деле не могут быть реверсированы. Теплопередача происходит из холодного резервуара Q _c в горячий. Для этого требуется затрата работы Вт , которая также преобразуется в теплопередачу. Таким образом, теплоотдача к горячему резервуару равна Q _h  =  Q _c  +  W . (Обратите внимание, что Q _h , Q _c и W положительны, и их направления указаны на схемах, а не знаком.) Тепловой насос предназначен для передачи тепла Q _h происходить в теплой среде, например, в доме зимой. Q _c Задача кондиционеров и холодильников заключается в передаче тепла из прохладной среды, например, при охлаждении помещения или хранении продуктов при более низких температурах, чем окружающая среда. (На самом деле тепловой насос можно использовать как для обогрева, так и для охлаждения помещения. По сути, это кондиционер и обогреватель в одном лице. В этом разделе мы сосредоточимся на его режиме обогрева.)

Рисунок 2. Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники — это тепловые двигатели, работающие в обратном направлении. Показанный здесь основан на двигателе Карно (реверсивном). (а) Схематическая диаграмма, показывающая передачу тепла от холодного резервуара к теплому резервуару с тепловым насосом. Направления W , Q _h и Q _c противоположны тому, что было бы в тепловой машине. (b) диаграмма для цикла Карно, аналогичная диаграмме на рисунке 3, но перевернутая, по пути ADCBA. Площадь внутри цикла отрицательна, что означает наличие сетевого входа. Есть теплопередача Q _c в систему из холодного резервуара по пути DC, а теплообмен Q _h из системы в горячий резервуар по пути BA.

Тепловые насосы

Большим преимуществом использования теплового насоса для обогрева дома, а не просто сжигания топлива, является то, что тепловой насос обеспечивает Q _h  =  Q _c  +  W . Теплопередача происходит от наружного воздуха, даже при минусовой температуре, во внутреннее пространство. Вы платите только за W , и вы получаете дополнительную теплоотдачу Q _c снаружи 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. Недостатком является то, что ввод работы (требуемый вторым законом термодинамики) иногда дороже, чем простое сжигание топлива, особенно если работа выполняется за счет электроэнергии.

Основные компоненты теплового насоса в режиме обогрева показаны на рис. 3. В качестве рабочей жидкости используется хладагент, не содержащий хлорфторуглеродов. В наружных змеевиках (испарителях) теплообмен Q _c поступает в рабочую жидкость из холодного наружного воздуха, превращая ее в газ.

Рис. 3. Простой тепловой насос состоит из четырех основных компонентов: (1) конденсатор, (2) расширительный клапан, (3) испаритель и (4) компрессор. В режиме обогрева теплообмен Q _c происходит к рабочему телу в испарителе (3) от более холодного наружного воздуха, превращая его в газ. Компрессор с электрическим приводом (4) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора (1) внутри отапливаемого помещения. Поскольку температура газа выше температуры в помещении, теплопередача от газа в помещение происходит по мере того, как газ конденсируется в жидкость. Затем рабочая жидкость охлаждается, возвращаясь через расширительный клапан (2) 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, происходит передача тепла в помещение, и газ конденсируется в жидкость. Затем жидкость возвращается через редукционный клапан к наружным змеевикам испарителя, охлаждаясь за счет расширения. (В цикле охлаждения змеевики испарителя и конденсатора меняются ролями, и направление потока жидкости меняется на противоположное.)

О качестве теплового насоса судят по тому, сколько тепла Q _ч передается в теплое помещение по сравнению с тем, сколько работы Вт требуется. В соответствии с отношением того, что вы получаете, к тому, что вы тратите, мы определяем коэффициент полезного действия теплового насоса ( COP _л.с. ) как [латекс] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {Q_{\text{h}}}{W}\\[/латекс].

Поскольку КПД тепловой машины равен [латекс]Eff=\frac{W}{Q_{\text{h}}}\\[/latex], мы видим, что [latex]COP_{\text{hp} }=\frac{1}{Eff}\\[/latex], важный и интересный факт. Во-первых, поскольку КПД любой тепловой машины меньше 1, это означает, что COP _л.с.  всегда больше 1, то есть теплопередача теплового насоса Q _ч всегда больше, чем затраченная на него работа. Во-вторых, это означает, что тепловые насосы лучше всего работают при небольшой разнице температур. Эффективность идеальной машины Карно равна [латекс]Eff_{\text{C}}=1-\left(\frac{T_{\text{c}}}{T_{\text{h}}} \справа)\\[/латекс]; таким образом, чем меньше разница температур, тем меньше КПД и больше КПД _{л. с.}  (поскольку [латекс]КПД _{\текст{л.с.}}=\frac{1}{Эфф}\\[/латекс] ). Другими словами, тепловые насосы не так хорошо работают в очень холодном климате, как в более умеренном климате.

Трение и другие необратимые процессы снижают КПД теплового двигателя, но они , а не приносят пользу работе теплового насоса — вместо этого они уменьшают подводимую работу, превращая часть ее в теплопередачу обратно в холодный резервуар до того, как она попадет в тепловой насос.

Рисунок 4. Когда реальная тепловая машина работает в обратном направлении, часть предполагаемой подводимой работы ( Вт ) уходит на теплопередачу до того, как она попадет в тепловую машину, тем самым снижая ее коэффициент полезного действия. На этом рисунке W ′ представляет собой часть W , которая поступает в тепловой насос, а остальная часть W теряется в виде теплоты трения ( Q _f ) в холодный резервуар. Если бы все Вт пошли в тепловой насос, то Q _ч было бы больше. В лучшем тепловом насосе используются адиабатические и изотермические процессы, так как в теории не было бы диссипативных процессов, снижающих теплоотдачу к горячему резервуару.

Пример 1. Лучший [латекс]COP_{\text{hp}}\\[/latex] теплового насоса для домашнего использования

Тепловой насос, используемый для обогрева дома, должен использовать цикл, который производит рабочую жидкость при температурах выше, чем типичная температура в помещении, чтобы могла происходить теплопередача внутрь. Точно так же он должен производить рабочую жидкость при температурах ниже температуры наружного воздуха, чтобы теплопередача происходила извне. Следовательно, температура его горячего и холодного пласта не может быть слишком близкой, что ограничивает его КС _лс . (См. рис. 5.) Каков наилучший возможный коэффициент полезного действия для такого теплового насоса, если он имеет температуру горячего резервуара 45,0ºC и температуру холодного резервуара −15,0ºC?

Стратегия

Перевернутый двигатель Карно обеспечивает наилучшую возможную производительность теплового насоса. Как отмечалось выше, [latex]COP_{\text{hp}}=\frac{1}{Eff}\\[/latex], поэтому для решения этой задачи нам нужно сначала вычислить эффективность Карно.

Раствор

Эффективность Карно по абсолютной температуре определяется по формуле: \\[/латекс].

Температуры в кельвинах равны T _h  = 318 K и T _c  = 258 K, так что

[латекс]Eff_{\text{C}}=1-\frac{258 text{K}}{318\text{K}}=0,1887\\[/latex].

Таким образом, из приведенного выше обсуждения

[латекс]COP_{\text{hp}}=\frac{1}{Eff}=\frac{1}{0,1887}=5,30\\[/latex], или [латекс]COP_{\text{hp}}=\frac{Q_{\text{h}}}{W}=\frac{1}{0,1887}=5,30\\[/latex] , так что Q _ч = 5,30 Вт.

Обсуждение

Этот результат означает, что теплопередача тепловым насосом в 5,30 раз больше затраченной на него работы. Такая же теплопередача электрическим комнатным обогревателем обошлась бы в 5,30 раза дороже, чем теплопередача, производимая этим тепловым насосом. Это не нарушение закона сохранения энергии. Холодный окружающий воздух обеспечивает 4,3 Дж на 1 Дж работы от электрической розетки.

Рис. 5. В тепловом насосе из приведенного выше примера происходит передача тепла снаружи внутрь вместе с работой, необходимой для запуска насоса. Обратите внимание, что температура холода, создаваемая тепловым насосом, ниже температуры наружного воздуха, поэтому происходит передача тепла в рабочую жидкость. Компрессор насоса создает температуру выше температуры в помещении, чтобы происходила передача тепла в дом.

Рисунок 6. В жаркую погоду происходит передача тепла от воздуха внутри помещения к воздуху снаружи, охлаждая помещение. В прохладную погоду происходит передача тепла от воздуха снаружи к воздуху внутри, нагревая помещение. Это переключение достигается реверсированием направления потока рабочей жидкости.

Реальные тепловые насосы работают не так хорошо, как идеальный насос в предыдущем примере; их значения КПД _{л. с.} варьируются примерно от 2 до 4. Этот диапазон означает, что теплопередача Q _h от тепловых насосов в 2-4 раза больше, чем затраченная на них работа W . Однако их экономическая целесообразность по-прежнему ограничена, поскольку Вт обычно снабжаются электроэнергией, которая стоит больше в пересчете на джоуль, чем теплопередача при сжигании топлива, такого как природный газ. Кроме того, первоначальная стоимость теплового насоса выше, чем у многих печей, поэтому тепловой насос должен прослужить дольше, чтобы его стоимость окупилась. Тепловые насосы, скорее всего, будут экономически выгоднее там, где зимние температуры мягкие, электричество относительно дешевое, а другие виды топлива относительно дорогие. Кроме того, поскольку они могут как охлаждать, так и обогревать помещение, они имеют преимущества там, где желательно охлаждение в летние месяцы. Таким образом, одними из лучших мест для тепловых насосов являются районы с теплым летним климатом и прохладной зимой. На рис. 6 показан тепловой насос, называемый « обратный цикл» или « охладитель сплит-системы» в некоторых странах.

Кондиционеры и холодильники

Кондиционеры и холодильники предназначены для охлаждения чего-либо в теплой среде. Как и в случае с тепловыми насосами, для передачи тепла от холодного к горячему требуется затрата труда, а это дорого. О качестве кондиционеров и холодильников судят по тому, сколько тепла Q _c происходит от холодной среды по сравнению с тем, сколько работы W требуется. То, что считается преимуществом в тепловом насосе, считается отходящим теплом в холодильнике. Таким образом, мы определяем коэффициент полезного действия ( COP _ref ) кондиционера или холодильника как

[латекс] {COP} _ {\ text {ref}} = \ frac {Q _ {\ text { c}}}{W}\\[/латекс].

Еще раз отметив, что Q _h = Q _c + W , мы можем увидеть, что кондиционер будет иметь более низкий коэффициент полезного действия, чем тепловой насос, потому что [латекс]{COP}_ {\text{hp}}=\frac{Q_{\text{h}}}{W}\\[/latex] и Q _h больше, чем Q _c . В задачах и упражнениях этого модуля вы покажете, что COP _ref = COP _л.с.  − 1 для теплового двигателя, используемого либо в качестве кондиционера, либо в качестве теплового насоса, работающего между двумя одинаковыми температурами. Настоящие кондиционеры и холодильники, как правило, работают на удивление хорошо, имея значения COP _ref в диапазоне от 2 до 6. Эти числа лучше, чем 9.0222 COP _л.с.  значения для тепловых насосов, упомянутых выше, потому что разница температур меньше, но они меньше, чем у двигателей Карно, работающих между теми же двумя температурами.

Разработан тип рейтинговой системы COP , называемый «рейтинг энергоэффективности» ( EER ). Этот рейтинг является примером того, как единицы, не входящие в систему СИ, все еще используются и актуальны для потребителей. Чтобы облегчить задачу потребителю, Австралия, Канада, Новая Зеландия и США используют рейтинг Energy Star Rating из 5 звезд — чем больше звезд, тем более энергоэффективно устройство. EER s выражаются в смешанных единицах британских тепловых единиц (БТЕ) ​​в час нагрева или охлаждения, разделенных на потребляемую мощность в ваттах. Комнатные кондиционеры легко доступны с EER в диапазоне от 6 до 12. Хотя это не то же самое, что только что описанные COP , эти EER хороши для целей сравнения — чем больше EER , тем дешевле кондиционер должен работать (но тем выше, вероятно, будет его закупочная цена).

EER  кондиционера или холодильника можно представить как

[латекс]\displaystyle{EER}=\frac{\frac{Q _{\text{c}}}{t_1}}{\frac{W}{ t_2}}\\[/latex],

где Q _c — количество теплоотдачи от холодной среды в британских тепловых единицах, t ₁ — время в часах, W — вложенная работа в джоулях, а t ₂ — время в секундах.

Стратегии решения задач по термодинамике

1. Изучите ситуацию, чтобы определить, что происходит: теплота, работа или внутренняя энергия . Найдите любую систему, в которой основными способами передачи энергии являются тепло и работа. Примерами таких систем являются тепловые двигатели, тепловые насосы, холодильники и кондиционеры.
2. Определите интересующую вас систему и начертите диаграмму системы, показывающую поток энергии.
3. Определите, что именно нужно определить в задаче (укажите неизвестные) . Письменный список полезен. Максимальная эффективность означает, что задействован двигатель Карно. Эффективность не то же самое, что коэффициент полезного действия.
4. Составьте список того, что дано или может быть выведено из заявленной проблемы (укажите известное). Обязательно отличайте теплопередачу в систему от теплопередачи из системы, а также работу, вложенную в систему, от работы, которую она производит. Во многих ситуациях полезно определить тип процесса, например изотермический или адиабатический.
5. Решите соответствующее уравнение для определяемой величины (неизвестной).
6. Подставьте известные величины вместе с их единицами измерения в соответствующее уравнение и получите численное решение с единицами измерения.
7. Проверьте ответ, чтобы убедиться, что он разумен: Имеет ли он смысл? Например, эффективность всегда меньше 1, тогда как коэффициенты полезного действия больше 1.

Резюме раздела

• Артефакт второго закона термодинамики — способность нагревать внутреннее пространство с помощью теплового насоса. Тепловые насосы сжимают холодный окружающий воздух и при этом нагревают его до комнатной температуры без нарушения принципов сохранения.
• Для расчета коэффициента полезного действия теплового насоса используйте уравнение [латекс]{\текст{COP}}_{\text{hp}}=\frac{{Q}_{\text{h}}}{W} \\[/латекс].
• Холодильник — это тепловой насос; он берет теплый окружающий воздух и расширяет его, чтобы охладить.

Концептуальные вопросы

1. Объясните, почему тепловые насосы не так хорошо работают в очень холодном климате, как в более мягком. То же самое относится и к холодильникам?
2. В некоторых странах Северной Европы дома строятся без каких-либо систем отопления. Они очень хорошо изолированы и согреваются теплом тел жильцов. Однако, когда жильцов нет дома, в этих домах все равно тепло. Каково возможное объяснение?
3. Почему холодильники, кондиционеры и тепловые насосы работают наиболее рентабельно для циклов с небольшой разницей между T _h и T _c ? (Обратите внимание, что температура используемого цикла имеет решающее значение для его COP .)
4. Менеджеры продовольственных магазинов утверждают, что общее потребление энергии летом меньше, если в магазине поддерживается низкая температура. Приведите аргументы в поддержку или опровержение этого утверждения, принимая во внимание, что в магазине имеется множество холодильников и морозильников.
5. Можно ли охладить кухню, оставив дверцу холодильника открытой?

Задачи и упражнения

1. Каков коэффициент полезного действия идеального теплового насоса, передающего тепло от холодной температуры -25,0ºC до горячей температуры 40,0ºC?
2. Предположим, у вас есть идеальный холодильник, который охлаждает окружающую среду при температуре -20,0ºC и передает тепло в другую среду при температуре 50,0ºC. Каков его коэффициент полезного действия?
3. Каков наилучший возможный коэффициент полезного действия для гипотетического холодильника, который может производить жидкий азот при температуре -200ºC и передавать тепло в окружающую среду при температуре 35,0ºC?
4. В условиях очень мягкого зимнего климата тепловой насос передает тепло от окружающей среды с температурой 5,00°C к окружающей среде с температурой 35,0°C. Каков наилучший возможный коэффициент полезного действия для этих температур? Подробно покажите, как вы выполняете шаги, описанные в разделе «Стратегии решения проблем в термодинамике».
5. (a) Каков наилучший коэффициент полезного действия для теплового насоса с температурой горячего резервуара 50,0ºC и температурой холодного резервуара −20,0ºC? (b) Сколько тепла передается в теплую среду, если 3,60 × 10 ⁷ Дж работы (10,0 кВт·ч) вложено в него? (c) Если стоимость этой подводимой работы составляет 10,0 центов/кВт · ч, как ее стоимость соотносится с прямой передачей тепла, достигаемой за счет сжигания природного газа при стоимости 85,0 центов за тепло. (Терм является общепринятой единицей энергии природного газа и равен 1,055 × 10 ⁸  Дж.)
6. (a) Каков наилучший коэффициент полезного действия для холодильника, который охлаждает окружающую среду при температуре −30,0 ºC и передает тепло в другую среду при температуре 45,0 ºC? (b) Какую работу в джоулях необходимо совершить для передачи тепла 4186 кДж из холодной среды? (c) Какова стоимость выполнения этого, если работа стоит 10,0 центов за 3,60 × 10 ⁶ Дж (киловатт-час)? (d) Сколько кДж тепла передается в теплую среду? (e) Обсудите, какой тип холодильника может работать при этих температурах.
7. Предположим, вы хотите, чтобы в идеальном холодильнике работала холодная температура −10,0ºC, и вы хотели бы, чтобы его коэффициент полезного действия был равен 7,00. Какова температура горячего резервуара для такого холодильника?
8. Рассматривается идеальный тепловой насос для обогрева помещений с температурой 22,0ºC. Какова температура холодного резервуара, если насос должен иметь коэффициент полезного действия 12,0?
9. 4-тонный кондиционер удаляет 5,06 × 10 ⁷ Дж (48 000 британских тепловых единиц) из холодной среды за 1,00 ч. (a) Какая энергия в джоулях необходима для этого, если кондиционер имеет рейтинг энергоэффективности ( EER ) 12,0? (b) Какова стоимость выполнения этого, если работа стоит 10,0 центов за 3,60 × 10 ⁶ Дж (один киловатт-час)? (c) Обсудите, кажутся ли эти затраты реалистичными. Обратите внимание, что рейтинг энергоэффективности ( EER ) кондиционера или холодильника определяется как количество британских тепловых единиц теплопередачи из холодной среды в час, деленное на потребляемую мощность в ваттах.
10. Покажите, что коэффициенты полезного действия холодильников и тепловых насосов связаны соотношением COP _ref = COP _{л.с. ч , Q c и W .}

Глоссарий

тепловой насос:  машина, обеспечивающая передачу тепла от холодного к горячему

коэффициент полезного действия:  для теплового насоса это отношение теплопередачи на выходе (горячий резервуар) к подводимой работе; для холодильника или кондиционера это отношение теплопередачи от резервуара холода к произведенной работе

Избранные решения задач и упражнений

1. 4,82

3. 0,311

5. (a) 4,61; (б) 1,66 × 10 ⁸ Дж или 3,97 × 10 ⁴ ккал; (c) Для передачи 1,66 × 10 ⁸ Дж тепловой насос стоит 1 доллар США, природный газ стоит 1,34 доллара США.

7. 27,6ºC

9. (а) 1,44 × 10 ⁷ Дж; (б) 40 центов; (c) Эта стоимость кажется вполне реальной; в нем говорится, что работа кондиционера в течение всего дня будет стоить 9,59 доллара (если он будет работать непрерывно).

Принцип работы тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых машин

Физика, 10 класс

Занятие 25. Тепловые машины. КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых на занятии:

1) Понятие о тепловой машине;

2) Устройство и принцип действия тепловой машины;

3) КПД тепловой машины;

4) Цикл Карно.

Глоссарий по теме

Тепловая машина — устройство, в котором внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую энергию.

КПД ( КПД ) – это отношение полезной работы, совершаемой данным двигателем, к количеству тепла, полученному от нагревателя.

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

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

Цикл Карно Идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатических и двух изотермических процессов.

Нагреватель — устройство, от которого рабочий орган получает энергию, часть которой идет на выполнение работы.

Холодильник — корпус, поглощающий часть энергии рабочего тела (среды или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара, т.е. конденсаторы).

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

Основная и дополнительная литература по теме урока :

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика. 10 класс. Учебник для организаций образования М.: Просвещение, 2017. — 269 с.- 273.

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

Открытые электронные ресурсы по теме урока

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Сказки и мифы разных народов свидетельствуют о том, что люди всегда мечтали быстро переехать с одного места на другое или быстро выполнить ту или иную работу. Для достижения этой цели нужны были устройства, способные совершать работу или перемещаться в пространстве. Наблюдая за окружающим миром, изобретатели пришли к выводу, что для облегчения труда и быстрого передвижения необходимо использовать энергию других тел, например, воды, ветра и т. д. Можно ли использовать внутреннюю энергию пороха или другого вида топлива для своих целей? Если взять пробирку, налить в нее воду, закрыть пробкой и нагреть. При нагревании вода закипит, а образовавшийся водяной пар вытолкнет пробку. Расширяющийся пар работает. В этом примере мы видим, что внутренняя энергия топлива превратилась в механическую энергию движущейся пробки. При замене пробки на поршень, способный двигаться внутри трубки, а самой трубки на цилиндр, мы получим простейшую тепловую машину.

Тепловая машина — Тепловая машина представляет собой устройство, в котором внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую энергию.

Вспомним устройство простейшего двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, внутри которого движется поршень. Поршень соединен с коленчатым валом с помощью шатуна. В верхней части каждого цилиндра есть два клапана. Один из клапанов называется впускным, а другой – выпускным. Для обеспечения плавного хода поршня к коленчатому валу прикреплен тяжелый маховик.

Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий такт, выпуск.

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

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

В третьем такте, когда поршень находится в верхнем положении, происходит воспламенение смеси от электрической свечи зажигания. Воспламененная смесь образует горячие газы, давление которых составляет 3-6 МПа, а температура достигает 1600-2200 градусов. Сила давления толкает вниз поршень, движение которого передается коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок, маховик продолжит вращаться по инерции, обеспечивая движение поршня при последующих тактах. Во время этого хода оба клапана остаются закрытыми.

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

Любая тепловая машина включает в себя три основных элемента: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Для определения КПД тепловой машины вводится понятие КПД.

КПД – это отношение полезной работы, совершаемой данным двигателем, к количеству тепла, полученному от нагревателя.

Q 1 — количество теплоты, полученное от нагрева

Q 2 — количество теплоты, отданное холодильнику

— работа, совершаемая двигателем за цикл.

Этот КПД действителен, т.е. именно эта формула используется для характеристики реальных тепловых двигателей.

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

Передача неиспользованной энергии холодильнику .

В 19веке, в результате работ по отопительной технике французский инженер Сади Карно предложил другой метод определения КПД (через термодинамическую температуру).

Основной смысл этой формулы в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем с температурой Т 1 и холодильником с температурой Т 2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Сади Карно, выясняя, при каком замкнутом процессе тепловая машина будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из 2-х адиабатических и двух изотермических процессов

Цикл Карно — самый эффективный цикл с наивысшей эффективностью.

Не существует тепловых двигателей с КПД 100% или 1.

Формула дает теоретический предел максимального КПД тепловых двигателей. Он показывает, что чем выше температура нагревателя и чем ниже температура холодильника, тем эффективнее тепловая машина. Только при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1,

Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающей среды. Вы можете увеличить температуру нагревателя. Однако любой материал (твердый) имеет ограниченную термостойкость, или теплостойкость. При нагревании он постепенно теряет свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их деталей, потерь топлива из-за его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности повышения КПД еще велики.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному является важнейшей технической задачей.

Тепловые двигатели — паровые турбины также установлены на всех атомных электростанциях для производства высокотемпературного пара. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: в автомобилях — поршневые двигатели внутреннего сгорания; на воде — двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на железной дороге — тепловозы с дизельными установками; в авиации — поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Сравним характеристики тепловых двигателей.

Паровая машина — 8%.

Паровая турбина — 40%.

Газовая турбина — 25-30%.

Двигатель внутреннего сгорания — 18-24%.

Дизельный двигатель — 40–44%.

Реактивный двигатель — 25%.

Широкое применение тепловых двигателей не проходит бесследно для окружающей среды: постепенно уменьшается количество кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, воздух загрязняется вредными для здоровья человека химическими соединениями. Существует угроза изменения климата. Поэтому поиск путей снижения загрязнения окружающей среды является на сегодняшний день одной из актуальнейших научно-технических задач.

Примеры и разбор решения задач

1
… Какова средняя мощность двигателя автомобиля, если при скорости 180 км/ч расход бензина составляет 15 литров на 100 км пути, а КПД двигателя 25 %?

С древних времен люди пытались преобразовать энергию в механическую работу. Они преобразовывали кинетическую энергию ветра, потенциальную энергию воды и т. д. Начиная с 18 века стали появляться машины, преобразующие внутреннюю энергию топлива в работу. Такие машины работали благодаря тепловым двигателям.

Тепловая машина представляет собой устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу за счет расширения (чаще всего газов) от высокой температуры.

Любые тепловые двигатели имеют компоненты:

• Нагревательный элемент … Корпус с высокой температурой по отношению к окружающей среде.
• Рабочий орган. Поскольку расширение обеспечивает работу, элемент должен хорошо расширяться. Обычно используется газ или пар.
• Охладитель … Низкая температура тела.

Рабочее тело получает тепловую энергию от нагревателя. В результате он начинает расширяться и выполнять работу. Для того чтобы система снова могла выполнять работу, ее необходимо вернуть в исходное состояние. Поэтому рабочее тело охлаждается, то есть избыточная тепловая энергия как бы сбрасывается в охлаждающий элемент. И система приходит в исходное состояние, затем процесс повторяется снова.

Расчет КПД

Для расчета КПД введем следующие обозначения:

Q 1 — Количество теплоты, полученное от нагревательного элемента

A’- работа, совершенная рабочим органом

Q 2 — Количество теплоты, полученное рабочим телом от охладителя

В процессе охлаждения тело передает тепло, поэтому Q 2

Работа такого устройства представляет собой циклический процесс. Это означает, что после завершения полного цикла внутренняя энергия вернется в исходное состояние. Тогда по первому закону термодинамики работа, совершаемая рабочим телом, будет равна разности количества теплоты, полученной от нагревателя, и теплоты, полученной от охладителя:

Q 2 — отрицательное значение, поэтому берется по модулю

Эффективность выражается как отношение полезной работы к полной работе, выполняемой системой. В этом случае полная работа будет равна количеству теплоты, которое было затрачено на нагрев рабочего тела. Вся затраченная энергия выражается в Q 1.

Следовательно, КПД определяется как.

Класс:
10

Тип урока: Урок изучения нового материала.

Цель занятия: Объяснить принцип работы тепловой машины.

Цели урока:

Образовательные: познакомить учащихся с видами тепловых машин, выработать умение определять КПД тепловых машин, раскрыть роль и значение ТД в современной цивилизации; обобщать и расширять знания учащихся по вопросам экологии.

Развивающая: развивать внимание и речь, улучшать презентационные навыки.

Образовательная: воспитывать у учащихся чувство ответственности перед будущими поколениями, в связи с этим рассмотреть вопрос о воздействии тепловых машин на окружающую среду.

Оборудование: компьютеры для учащихся, компьютер учителя, мультимедийный проектор, тесты (в Excel), Физика 7-11 Библиотека электронных наглядных пособий. Кирилл и Мефодий.

Во время занятий

1. Организационный момент

2. Организация внимания учащихся

Тема нашего урока «Тепловые двигатели». (Слайд 1)

Сегодня мы вспомним виды тепловых двигателей, рассмотрим условия их эффективной работы, поговорим о проблемах, связанных с их массовым применением. (Слайд 2)

3. Обновление базовых знаний

Прежде чем приступить к изучению нового материала, предлагаю проверить, насколько вы к этому готовы.

Фронтальный опрос:

— Дайте формулировку первого закона термодинамики. (Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданной системе. U = A + Q)

— Можно ли нагреть или охладить газ без теплообмена с окружающей средой? Как это произошло? (Для адиабатических процессов.) (Слайд 3)

— Напишите первый закон термодинамики в следующих случаях: а) теплообмен между телами в калориметре; б) подогрев воды в спиртовке; в) нагрев тела при ударе. ( а) А = 0 , Q = 0, U = 0; б) А = 0, U = Q; в) Q = 0, U = А)

— На рисунке показан цикл, совершаемый идеальным газом определенной массы. Нарисуйте этот цикл на графиках p(T) и T(p). Где в цикле газ отдает тепло, а где поглощает?

(На участках 3-4 и 2-3 газ отдает определенное количество теплоты, а на участках 1-2 и 4-1 тепло поглощается газом.) (Слайд 4)

4.

Изучение нового материала

Все физические явления и законы применяются в повседневной жизни человека. Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но иметь эти резервы недостаточно. Необходимо за счет энергии иметь возможность управлять устройствами, способными выполнять работу. (Слайд 5)

Что является источником энергии? (различные виды топлива, ветер, солнце, приливы и отливы)

Существуют различные виды машин, реализующих в своей работе преобразование одного вида энергии в другой.

Тепловой двигатель представляет собой устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. (Слайд 6)

Рассмотрим устройство и принцип работы тепловой машины. Тепловая машина работает циклически.

Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. (Слайд 7)

КПД замкнутого контура (Слайд 8)

Q 1 — количество теплоты, полученное от обогрева Q 1 > Q 2

Q 2 — количество теплоты, отданное холодильнику Q 2

А / = Q 1 — | вопрос 2 | — работа, совершаемая двигателем за цикл?

Цикл К. Карно (Слайд 9)

Т 1 — температура нагрева.

T 2 – температура холодильника.

Тепловые двигатели преимущественно используются на всех основных видах современного транспорта. По железной дороге до середины XX в. главным двигателем была паровая машина. Сейчас в основном используются тепловозы и электровозы. В начале на водном транспорте применялись и паровые машины, сейчас применяются и двигатели внутреннего сгорания, и мощные турбины для больших кораблей.

Наибольшее значение имеет применение тепловых двигателей (преимущественно 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) также устанавливаются на атомных электростанциях. Газовые турбины широко используются в ракетах, на железнодорожном и автомобильном транспорте.

На автомобилях применяются поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели).

В авиации поршневые двигатели устанавливаются на легкие самолеты, а турбовинтовые и реактивные двигатели, которые еще называют тепловыми двигателями, на огромные лайнеры. Реактивные двигатели также используются на космических ракетах. (Слайд 10)

(Показ видеофрагментов работы ТРД.)

Рассмотрим подробнее работу двигателя внутреннего сгорания. Просмотр видеоролика. (Слайд 11)

Работа четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.
1 такт: впуск.
Мера 2: сжатие.
3-тактный: рабочий ход.
4-е часы: освобождение.
Устройство: цилиндр, поршень, коленчатый вал, 2 клапана (впускной и выпускной), свеча зажигания.
Мертвые зоны — крайнее положение поршня.
Сравним ТТХ тепловых двигателей.

• Паровая машина — 8%
• Паровая турбина — 40%
• Газовая турбина — 25-30%
• Двигатель внутреннего сгорания — 18-24%
• Дизельный двигатель — 40-44%
• Реактивный двигатель — 25% (Слайд 112)

Тепловые двигатели и защита окружающей среды (Слайд 13)

Неуклонный рост энергетических мощностей — все большее распространение прирученного огня — приводит к тому, что количество выделяемого тепла становится сравнимым с другими составляющими теплового баланса в атмосфере. Это не может не привести к повышению средней температуры на Земле. Повышение температуры может грозить таянием ледников и катастрофическим подъемом уровня Мирового океана. Но этим не исчерпываются негативные последствия применения тепловых двигателей. Выброс в атмосферу микроскопических частиц – сажи, золы, измельченного топлива – растет, что приводит к усилению «парникового эффекта», вызванного увеличением концентрации углекислого газа в течение длительного периода времени. Это приводит к повышению температуры атмосферы.

Токсичные продукты горения, выбрасываемые в атмосферу, продукты неполного сгорания органического топлива — оказывают вредное воздействие на растительный и животный мир. Особую опасность в этом отношении представляют автомобили, количество которых угрожающе растет, а очистка выхлопных газов затруднена.

Все это ставит перед обществом ряд серьезных проблем. (Слайд 14)

Необходимо повысить эффективность сооружений, препятствующих выбросу вредных веществ в атмосферу; добиться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях, а также повысить эффективность использования энергии, сэкономить ее в производстве и в быту.

Альтернативные двигатели:

• 1. Электрический
• 2. Двигатели на солнечной и ветровой энергии (Слайд 15)

Пути решения экологических проблем:

Использование альтернативных видов топлива.

Использование альтернативных двигателей.

Улучшение окружающей среды.

Повышение экологической культуры. (Слайд 16)

5. Закрепление материала

Всем вам предстоит сдать единый государственный экзамен всего за год. Я предлагаю вам решить некоторые задачи из части А учебника 2009 года.Демонстрация физики. Вы найдете задание на рабочих столах своих компьютеров.

6. Подведение итогов урока

Прошло более 240 лет с момента создания первой паровой машины. За это время тепловые машины сильно изменили содержание жизни человека. Именно использование этих машин позволило человечеству шагнуть в космос, раскрыть тайны морских глубин.

Ставит оценки за работу на уроке.

7. Домашнее задание:

§ 82 (Мякишев Г.Я.), упр. 15 (11, 12) (Слайд 17)

8. Отражение

Перед тем, как покинуть класс, пожалуйста, заполните таблицу.

Тепловые двигатели

Тепловые двигатели

Следующий: Холодильники
Up: Классическая термодинамика
Предыдущий: Адиабатическая атмосфера

Термодинамика была изобретена почти случайно в 1825 году молодым французским инженером.
позвонил Сади Карно, исследовавшему теоретическую
ограничения на эффективность
Паровые двигатели.
Хотя мы не особенно интересуемся паровыми двигателями, в настоящее время это
по-прежнему весьма поучительно рассмотреть некоторые аргументы Карно.
Мы знаем из наблюдений, что можно совершать механическую работу
на устройство, а затем отводить эквивалентное количество тепла, которое
идет на увеличение внутренней энергии некоторого теплового резервуара. (Здесь мы используем малый
буквы и обозначать по существу положительные объемы работ и
тепла соответственно.)
Примером этого является классический эксперимент Джоуля, которым он проверил
первый закон термодинамики: крыльчатка вращается в жидкости под действием падающего
вес, а работа, совершаемая весом на колесе
превращается в тепло и поглощается жидкостью. Вопрос Карно был
это оно
можно обратить этот процесс вспять и построить устройство, называемое тепловой машиной , которое
извлекает тепловую энергию из резервуара и преобразует ее в полезную макроскопическую работу?
Например, можно ли извлекать тепло из океана и использовать его для запуска
электрический генератор?

К вопросу Карно есть несколько оговорок. Прежде всего,
работа не должна быть сделана
за счет самой тепловой машины, иначе преобразование теплоты в
работа не могла продолжаться бесконечно. Мы можем гарантировать, что это
случае, если тепловая машина совершает какой-либо цикл,
которым он периодически возвращается в одно и то же макросостояние, но тем временем
извлекли тепло из резервуара и совершили эквивалентное количество полезной работы.
Более того,
циклический процесс кажется разумным, потому что мы знаем, что оба
паровые машины и внутренние
горение
двигатели выполняют непрерывные циклы. Вторая оговорка заключается в том, что работа, проделанная
тепловая машина должна быть такой, чтобы изменить один параметр
какое-то внешнее устройство ( напр. , подняв вес), не делая этого в
за счет воздействия на другие степени свободы или энтропию этого устройства.
Например, если мы извлекаем тепло из океана для
генерируем электричество, мы хотим крутить вал
электрического генератора без увеличения мощности генератора.
энтропия; т. е. , в результате чего генератор
нагреваться или рассыпаться на куски.

Давайте рассмотрим возможность создания тепловой машины, используя законы
термодинамика. Предположим, что тепловая машина совершает один цикл. С

вернулся в исходное макросостояние, его внутренняя энергия равна
не изменится, а первый закон термодинамики говорит нам, что работа, совершенная
двигателем должно равняться теплу, извлекаемому из резервуара, поэтому

Вышеупомянутое условие, безусловно, необходимое
условие допустимой тепловой машины,
но является ли это также достаточным условием ? Другими словами, делает ли
каждое устройство, которое
удовлетворяет этому условию на самом деле работает? Давайте подумаем немного тщательнее
о том, что мы на самом деле ожидаем от тепловой машины. Мы хотим построить
устройство, которое будет извлекать энергию из теплового резервуара, где она случайным образом
распределяется по очень многим степеням свободы и преобразует его в энергию
распределены по одной степени свободы, связанной
с некоторым параметром внешнего
устройство. Как только мы сформулировали проблему в этих терминах, становится довольно очевидным, что
какие
мы действительно просим, ​​является спонтанным переходом от вероятного к невероятному
состояние, которое, как мы знаем, запрещено вторым законом термодинамики. Так,
к сожалению, мы не можем запустить электрогенератор на тепле, извлеченном из
океана, потому что это все равно, что спросить все молекулы в океане, которые колеблются.
во все стороны, чтобы все вдруг двинулись в одном направлении, чтобы
воздействовать на какой-либо рычаг, скажем, силой, которая затем может быть преобразована в крутящий момент на рычаге.
вал генератора. Из нашего исследования статистической термодинамики мы знаем, что
такой процесс в принципе возможен, но фантастически невероятно .

Невероятность только что изложенного сценария резюмируется во втором законе
термодинамики. Это говорит о том, что полная энтропия изолированной системы
никогда не может самопроизвольно уменьшаться, поэтому

В случае теплового двигателя изолированная система состоит из двигателя,
резервуар, из которого он извлекает тепло, и внешнее устройство, на котором он
работает. Сам двигатель периодически возвращается
в то же состояние, поэтому его
энтропия явно не меняется после каждого цикла. Мы уже указывали, что существует
не меняется энтропия внешнего устройства, над которым совершается работа. На
с другой стороны, изменение энтропии за цикл теплового резервуара,
что при абсолютной температуре
, скажем, дается

куда
— бесконечно малое тепло, поглощаемое резервуаром, а интеграл
принимается за весь цикл тепловой машины. Интеграл можно преобразовать в
выражение, потому что количество тепла, отводимого двигателем, равно
считается слишком малым, чтобы изменить температуру резервуара (это
определение резервуара тепла), так что это константа в течение цикла.
Второй закон термодинамики явно сводится к

или, используя первый закон термодинамики,

Так как мы хотим, чтобы работа двигателя была положительной, приведенное выше соотношение
четко
не может быть удовлетворено, что доказывает, что двигатель, преобразующий тепло
непосредственно в работу термодинамически невозможно.

Вечный двигатель,
который непрерывно выполняет цикл без отбора тепла из,
или работая над его окружением,
почти возможно согласно уравнению. (345). На самом деле такое устройство
соответствует знаку равенства в уравнении (342), который
означает, что он должен быть полностью
реверсивный . На самом деле полностью реверсивного двигателя не существует.
Все двигатели, даже самые эффективные, имеют потери на трение, что делает их
как минимум,
слегка необратимый. Таким образом, знак равенства в уравнении (342) соответствует
асимптотический предел, к которому реальность может приблизиться, но никогда полностью не достичь.
Отсюда следует, что вечный двигатель термодинамически невозможен.
Тем не менее, патентное ведомство США получает около 100 патентов.
заявок в год на вечные двигатели. Британское патентное бюро,
будучи немного менее открытым, чем его американский коллега, отказывается развлекать
такие приложения на том основании, что вечные двигатели запрещены
второй закон термодинамики.

Согласно формуле. (345), нет термодинамических возражений против
тепловая машина, которая работает в обратном направлении и непосредственно преобразует работу в тепло. Этот
неудивительно, так как мы знаем, что это, по существу, то, что силы трения
делать. Ясно, что здесь мы имеем еще один пример естественного процесса, который
принципиально необратимы в соответствии со вторым законом термодинамики.
На самом деле заявление

Невозможно построить совершенную тепловую машину, которая преобразует
тепло непосредственно в работу

называется формулировкой Кельвина второго закона.

Мы продемонстрировали, что совершенная тепловая машина , которая преобразует
тепло непосредственно в работу, невозможно. Но должен быть какой-то способ
получение полезной работы от тепловой энергии, иначе паровые машины не работали бы.
Ну, причина того, что наша
предыдущая схема не работала, заключалась в том, что она уменьшала энтропию теплового резервуара,
при некоторой температуре,
путем извлечения количества тепла за цикл,
без какого-либо компенсирующего увеличения энтропии чего-либо еще, поэтому
был нарушен второй закон термодинамики. Как мы можем исправить эту ситуацию?
Мы все еще хотим
саму тепловую машину совершать периодические циклы (так,
по определению, его энтропия не может увеличиваться за
цикла), и мы также не
хотят увеличить энтропию внешнего устройства, на котором
работа сделана. Наш единственный другой вариант — увеличить энтропию какого-нибудь другого
тело. В анализе Карно это другое тело
второй тепловой резервуар при температуре . Мы можем увеличить энтропию
второго резервуара, сбросив часть тепла, извлеченного из
первый резервуар в нем. Предположим, что теплота за цикл, которую мы извлекаем из первого
резервуар
, а тепло за цикл отводим во второй резервуар
является . Пусть
работа, совершаемая на внешнем устройстве, должна быть за цикл. Первый закон термодинамики
говорит нам, что

Обратите внимание, что если положительно ( т. е. , полезно) работа выполняется на
внешнее устройство.
Общее изменение энтропии за цикл происходит за счет тепла, извлеченного из первого
резервуар и тепло, сбрасываемое во второй, и должно быть положительным (или равным нулю)
по второму закону термодинамики. Так,

Мы можем объединить два предыдущих уравнения, чтобы получить

или же

Понятно, что двигатель будет выполнять только полезную работу ( т.е. , т.е.
только будет положительным) если . Значит, второй резервуар должен быть на 90 222 холоднее, чем на 90 223.
во-первых, если тепло сбрасывается в первый, это увеличение
энтропия Вселенной более
отводимое от последнего тепло уменьшает его. Полезно определить
КПД тепловой машины. Это отношение работы, совершаемой за цикл
на внешнем устройстве для
тепловая энергия, поглощаемая за цикл из первого резервуара. Эффективность
совершенная тепловая машина равна единице, но мы уже показали, что такая машина
невозможно. Каков КПД реализуемого двигателя? Это понятно
из предыдущего уравнения, что

Обратите внимание, что КПД всегда меньше единицы. Настоящий двигатель должен всегда
отбрасывать часть энергии во второй тепловой резервуар, чтобы удовлетворить второй
закон термодинамики, поэтому меньше энергии доступно для выполнения внешних
работы, а эффективность
двигателя снижается. Знак равенства в приведенном выше выражении соответствует
к полностью обратимой тепловой машине ( т. е. , которая является квазистатической). Это
является
Ясно, что настоящие двигатели, которые всегда в какой-то мере необратимы,
менее эффективны, чем реверсивные двигатели. Кроме того, все реверсивные двигатели
которые работают между двумя температурами и должны иметь
то же КПД,

независимо от того, как они действуют.

Давайте подумаем, как мы могли бы построить одну из этих обратимых тепловых машин.
Предположим, что у нас есть газ в цилиндре, снабженном поршнем без трения.
Газ не обязательно идеальный газ. Предположим, что у нас также есть два тепловых
резервуары при температурах и (где ). Эти
резервуары могут иметь форму больших водяных бань.
Давайте начнем с
газ в тепловом контакте с первым резервуаром. Теперь вытаскиваем поршень
очень медленно, так что тепловая энергия обратимо поступает в газ из
резервуар. Теперь термически изолируем газ и медленно вытащим
поршень еще немного. В ходе этого адиабатического процесса температура
газ падает (поскольку в него больше не поступает тепло для
компенсировать работу, которую он совершает над поршнем). Продолжим этот процесс
пока температура газа не упадет до . Теперь мы размещаем
газ в тепловом контакте со вторым резервуаром и медленно нажмите на поршень
в. В течение этого изотермического
технологическое тепло уходит из газа в резервуар. Мы следующие
термически изолируйте газ во второй раз и медленно сжимайте его еще немного. В этом
процесса температура газа повышается. Мы останавливаем сжатие, когда температура
достигает . Если мы выполним каждый шаг правильно, мы сможем вернуть газ в
исходное состояние, а затем повторить цикл до бесконечности .
Теперь у нас есть набор обратимых процессов, посредством которых количество
тепла извлекается из
первый резервуар и некоторое количество тепла сбрасывается во второй. Мы можем лучше всего
оценивать
работа, совершаемая системой за каждый цикл
нанеся геометрическое место газа в —
диаграмма. Геометрическое место принимает форму замкнутой кривой — см. рис. 1.
Чистая работа, выполненная за цикл, представляет собой «площадь», содержащуюся внутри этой кривой, поскольку

[если нанесено по вертикали и по горизонтали,
то явно является элементом площади под кривой ].
Двигатель у нас
только что описанный называется Двигатель Карно и является самым простым из мыслимых
устройство, способное преобразовывать тепловую энергию в полезную работу.

Для конкретного случая идеального газа мы можем фактически
рассчитать работу, совершаемую за один цикл, и, тем самым, проверить уравнение (351).
Рассмотрим фазу изотермического расширения газа. Для идеального газа внутренняя
энергия зависит только от температуры. Температура не
изменение при изотермическом расширении,
поэтому внутренняя энергия остается постоянной, а чистая теплота, поглощаемая
газ должен равняться работе, которую он совершает над поршнем. Таким образом,

где расширение переводит газ из состояния в состояние. С

, для идеального газа имеем

Аналогично, во время фазы изотермического сжатия, в которой
газ переходит из состояния в
состояние , полезное тепло, отводимое во второй резервуар
является

Теперь при адиабатическом расширении или сжатии

Отсюда следует, что в фазе адиабатического расширения, выводящей газ из состояния
заявить,

Точно так же во время фазы адиабатического сжатия, при которой газ забирается из
государство к государству,

Если мы возьмем соотношение двух предыдущих уравнений, мы получим

Отсюда работа, совершаемая двигателем, которую мы можем вычислить с помощью первого
закон термодинамики,

является

Таким образом, КПД двигателя
является

что, что неудивительно, точно такое же, как уравнение (351).

Описанный выше двигатель сильно идеализирован. Конечно,
настоящие двигатели далеко
сложнее, чем это. Тем не менее, максимальная эффективность идеального
тепловой двигатель накладывает серьезные ограничения на реальные двигатели.
Обычные электростанции имеют множество различных «внешних частей»
( например , угольные печи, мазутные печи, ядерные реакторы), но их
«задние концы» — это все
очень похожи и состоят из паровой турбины, соединенной с
электрический генератор. «Передняя часть» нагревает воду, извлеченную
из местной реки и превращает ее в пар, который затем используется для
вращать турбину и, следовательно, вырабатывать электроэнергию. Окончательно,
пар проходит через
теплообменник, чтобы он мог нагревать поступающую речную воду,
а это значит, что поступающая вода не должна так сильно нагреваться за счет
«передняя часть».
На этом этапе часть тепла отводится в окружающую среду, обычно в виде облаков.
пара, выходящего из верхней части градирен. Мы видим, что электростанция
обладает многими из тех же свойств, что и наша идеализированная тепловая машина. Eсть
цикл, который работает между двумя температурами. Верхняя температура – ​​это
температура, до которой
пар нагревается «передним концом», а более низкая температура
— температура среды, в которую отводится тепло. Предполагать
что пар нагревается только до C (или K), а
температура окружающей среды C (или K). Это следует из
уравнение (350) что максимальная возможная эффективность парового цикла

Так, не менее 77% тепловой энергии, вырабатываемой «передним концом»,
идет прямо вверх по градирням! Не удивительно, коммерческая
электростанции не работают на паре С. Единственный
каким образом термодинамическая эффективность парового цикла
можно поднять до приемлемого уровня
заключается в использовании очень горячего пара (понятно, что мы не можем охладить окружающую среду).
При использовании пара С, что не редкость, максимальная эффективность становится

что разумнее.
На самом деле, паровые циклы современных электростанций спроектированы настолько хорошо, что
они подходят удивительно близко к своим
максимальный термодинамический
эффективность.

Следующий: Холодильники
Up: Классическая термодинамика
Предыдущий: Адиабатическая атмосфера