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: 7 616

Классификация и принципы работы тепловых двигателей

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

К
тепловым двигателям относятся:

Их
топливом является твердое и жидкое
топливо, солнечная и атомная энергии.

Тепловые
двигатели — паровые турбины — устанавливаются
на тепловых электростанциях, где они
приводят в движение роторы генераторов
электрического тока, а также на всех
атомных электростанциях для получения
пара высокой температуры. На всех
основных видах современного транспорта
преимущественно используются тепловые
двигатели: на автомобильном — поршневые
двигатели внутреннего сгорания, на
водном — двигатели внутреннего сгорания
и паровые турбины, на железнодорожном
— тепловозы с дизельными установками,
в авиации — поршневые, турбореактивные
и реактивные двигатели.

Паровые
машины.
Работа
этих двига­телей производится
посредством пара. В огромном боль­шинстве
случаев — это водяной пар, но возможны
ма­шины, работающие с парами других
веществ (например, ртути). Паровые турбины
ставятся на мощных электриче­ских
станциях и на больших кораблях. Поршневые
дви­гатели в настоящее время находят
применение только в железнодорожном и
водном транспорте (паровозы и паро­ходы).

Для
работы парового двигателя необходим
ряд вспо­могательных

машин
и устройств. Все это хозяйство вместе
носит название паросиловой
станции.
На паро­силовой станции все время
циркулирует одна и та же вода.

Рис.1.
Схема оборудования

паросиловой
станции

Вода
превращается в пар в котле, пар производит
работу в турбине (или в поршневой машине)
и снова превращается в воду в барабане,
охлаждаемом проточной водой (конден­сатор).
Из конденсатора получившаяся вода
посредством насоса через сборный, бак
(сборник) снова направляется в котел.

В
этой схеме паровой котел является
нагревателем, а конденсатор —
холодильником. Так как в установке
цир­кулирует практически одна и та
же вода (утечка пара не­велика и
добавлять воды почти не приходится), то
в котле почти не получается накипи, т.
е. осаждения растворенных в воде солей.
Это важно, так как накипь плохо проводит
тепло и уменьшает коэффициент полезного
действия котла. В случае появления
накипи на стенках котла ее удаляют.

Паровая
турбина
– тепловой двигатель ротационного
типа, преобразующий потенциальную
энергию пара сначала в кинетическую
энергию и далее в механическую работу.
Паровые турбины применяются преимущественно
на электростанциях и на транспортных
силовых установках – судовых и
локомотивных, а также используются для
приведения в движение мощных воздуходувок
и других агрегатов.

Турбина
состоит из сталь­ного цилиндра, внутри
которого находится вал с ук­репленными
на нем рабочими колесами. На рабочих
ко­лесах находятся особые изогнутые
лопатки (b).
Ме­жду рабочими колесами помещаются
сопла или направляю­щие лопатки (a).
Пар, вырываясь из промежутков между
на­правляющими лопатками, попадает
на лопатки рабочего колеса. Рабочее
колесо при этом вращается, производя
ра­боту. Причиной вращения колеса в
паровой турбине яв­ляется реакция
струи пара. Внутри турбины пар расширяется
и охлаждается. Входя в турбину по узкому
паропроводу, он выходит из нее по очень
широкой трубе.

Тепловая машина – принцип, детали, значение

Тепловая машина извлекает тепло из источника и использует его для создания механической работы для различных целей. Например, паровой двигатель старинного поезда может производить работу, необходимую для движения транспортного средства. Роль автомобильных двигателей имеет решающее значение для транспорта в современном технологическом мире. Двигатели, которые используют бензин или дизель в качестве входных данных и вращают колеса для движения транспортного средства, встречаются в мотоциклах и автомобилях. Большинство этих автомобильных двигателей имеют КПД всего 40%. Эффективность двигателя строго ограничена вторым законом термодинамики. Следовательно, крайне важно понимать тепловые двигатели.

Тепловые двигатели – определение, принципы, типы и эффективность

Содержание

Что такое тепловой двигатель?

Тепловая машина — это система, которая преобразует теплоту в работу, используя теплоту из резервуара (горячего тела) для выполнения какой-либо задачи.

Некоторое количество тепла отводится в раковину (холодное тело). В этой системе также будут некоторые потери в виде тепла. В этой системе также будут некоторые потери в виде тепла.

Тепловой двигатель использует тепло для выработки электроэнергии. Он забирает тепло из резервуара, использует это тепло для выполнения работы, например, для перемещения поршня или подъема тяжестей, а затем отдает эту тепловую энергию в раковину.

Бензиновый двигатель и Дизельный двигатель являются примерами тепловых двигателей.

Тепловые двигатели

Тепловой двигатель — это система в термодинамике и технике, которая преобразует теплоту в механическую энергию, которая затем может использоваться для выполнения механической работы. Это достигается понижением температуры рабочего тела от более высокой.

Тепловая энергия, производимая источником тепла, повышает температуру рабочего тела. Рабочее тело отдает тепло более холодному стоку до тех пор, пока не достигнет более низкого температурного состояния, производя работу в рабочем теле двигателя. Рабочим материалом может быть любая система с теплоемкостью больше нуля, но обычно это газ или жидкость.

  • Система с большой емкостью тепловой энергии, известная как тепловой резервуар, может поставлять или поглощать тепло в ограниченных количествах, поддерживая при этом постоянную температуру.
  • Резервуар, который накапливает энергию в виде тепла, называется источником, а тот, который поглощает энергию в виде тепла, называется поглотителем. Например, атмосферный воздух служит как источником, так и поглотителем для тепловых насосов и кондиционеров.

Принцип действия тепловой машины

  • Когда к рабочему материалу подводится тепло от высокотемпературного источника, часть этого тепла преобразуется в работу, а оставшаяся часть сохраняется в теплоотводе при низкой температуре. По такому же принципу работает тепловая машина.
  • Температура радиатора не должна быть выше температуры источника, от которого двигатель получает тепло. Это означает, что двигатель получает тепло от источника с более высокой температурой, часть его преобразует в работу, оставшуюся часть отбрасывает к теплоотводу с более низкой температурой, а затем возвращается в исходное состояние. Это изменение цикла позволит двигателю производить работу непрерывно.
  • В ходе своей работы тепловые двигатели получают тепло от высокотемпературного источника, преобразуют часть этого тепла в работу, а затем отбрасывают оставшееся отработанное тепло в низкотемпературный сток.

Печь служит источником энергии и передает тепло (Q в ) пару в котле.

Пар, проходящий через турбину, заставляет ее производить работу (W out )

Отработанное тепло (Q out ) от пара передается конденсатором в поглотитель энергии, такой как атмосфера.

Вода возвращается в котел из конденсатора с помощью насоса. Сжатие воды до давления в котле требует работы (Win).

Разница между выходной мощностью и входной работой представляет собой чистую выходную мощность электростанции.

Вт нетто (выход) = Вт выход – Вт вход

Энергетический баланс цикла показывает, что чистый выход работы равен.

     Вт нетто (мощность) = Q в – Q вых

Типы тепловых двигателей

Ниже приведены иллюстрации различных видов тепловых двигателей, которые можно найти в термодинамике:

  1. Двигатель внутреннего сгорания
  2. Двигатель внешнего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания

Тепловой двигатель, известный как двигатель внутреннего сгорания (ДВС или двигатель внутреннего сгорания), сжигает топливо в камере сгорания, которая является частью контура потока рабочей жидкости вместе с окислителем (обычно воздухом). На компонент двигателя внутреннего сгорания непосредственно влияет расширение высокотемпературных газов под высоким давлением, образующихся при сгорании. Обычно целью силы являются сопла, лопасти турбины, поршни или роторы. Эта сила преобразует химическую энергию в полезную кинетическую энергию, которая затем используется для приведения в движение, перемещения или питания всего, к чему подключен двигатель. Двигатель внешнего сгорания был заменен им для приложений, где вес или размер двигателя имеют решающее значение.

  • Самый первый этап процесса, всасывание топливно-воздушной смеси в тепловую машину, осуществляется поршнем. В цилиндрах тепловых машин эти поршни движутся вертикально. Ход — это однократное движение поршня вверх или вниз внутри цилиндра.
  • Смесь интенсивно адиабатически сжимается на втором этапе.
  • Третий этап включает в себя процесс воспламенения, при котором значительно повышаются температура и давление.
  • По мере продвижения процесса поршень снова очищает газы по мере повышения его температуры.

Двигатель внешнего сгорания

В этих тепловых двигателях топливо сгорает снаружи и вдали от основного двигателя, который генерирует силу и движение. Примером двигателя внешнего сгорания является паровая машина. Электричество и двигатели внутреннего сгорания сделали паровые локомотивы в значительной степени устаревшими.

Например, паровозы теперь используются только как исторический транспорт или как достопримечательности. В промышленных масштабах пар по-прежнему широко используется для выработки электроэнергии. В котле (горячем резервуаре) вода нагревается от источника тепла до тех пор, пока не превратится в пар, который используется для раскручивания турбины по мере подъема. Это иллюстрация тепловой машины, которая преобразует тепловую энергию в механическую работу. Электрический генератор, который приводится в действие вращающейся турбиной, вырабатывает электричество для наших нужд.

  • Подобно двигателю внутреннего сгорания, топливно-воздушная смесь должна быть втянута поршнем в тепловую машину, прежде чем ее можно будет отправить в первый цилиндр.
  • Высокая температура и повышенное давление получаются путем нагревания газа в первом цилиндре. Поршень снова собирает его и превращает в работу. После этого он переносится на другой цилиндр.
  • Газ отличается от предыдущего уровня и также прост.
  • Наконец, сжатый газ возвращается в исходную камеру, где поршень собирает его и использует для выполнения работы.

Двигатели внутреннего сгорания более эффективны, чем двигатели внешнего сгорания, если сравнивать два типа тепловых двигателей. Это связано с тем, что, в отличие от двигателя внешнего сгорания, при передаче тепла от котла к цилиндру в двигателе внутреннего сгорания энергия не теряется.

Как работает тепловой двигатель

Тепловой двигатель

Как мы видели ранее, тепловой двигатель в основном состоит из двигателя, охладителя и резервуара тепла. Двигатель, в котором движется поршень, получает тепло, которое мы вырабатываем за счет внутреннего или внешнего сгорания. Работа завершается, когда вырабатываемая мощность подается на машину, подключенную к двигателю. Раковина получает дополнительное тепло, поддерживая одинаковую температуру в резервуаре и раковине.

Подобно автомобильным двигателям, тепловые двигатели работают циклически. В одной части цикла они будут добавлять энергию в виде тепла, а в другой части цикла они будут использовать эту энергию для выполнения полезной работы.

Части тепловой машины

Тепловая машина состоит из трех важнейших компонентов, а именно:

Источник: Должен существовать источник тепла с бесконечной тепловой мощностью, который поддерживается при постоянной высокой температуре, например что на температуру источника не влияет подвод или отвод тепла.

Рабочее вещество должно быть каким-то материалом, который либо принимает, либо отводит тепло в раковину. Это активное вещество.

Поглотитель: Должен существовать поглотитель с конечной теплоемкостью, который поддерживается при постоянной высокой температуре, чтобы тепло не отнималось и не отдавалось ему, а температура оставалась постоянной.

Части теплового двигателя

КПД теплового двигателя

КПД представляет собой процент подводимого тепла, который изменяется для работы при высоких температурах. Согласно второму закону термодинамики ни один двигатель не является полностью эффективным.

Эффективность (η) = Работа выполнена / тепловой вход

Мы знаем, что,

Работа выполнена (W) = Q 1 — Q 2

THEN,

Эффективность (η) = W / Q 1

= (Q 1 — Q 2 ) / Q 1

= 1 — (Q 2 /6 /6 /63

= 1 — (Q 2 /6 /6 / 60002 = 1 — (Q 2 / Q 1 )

Следовательно, если Q 2 = 0 , эффективность будет 100%; однако на самом деле это невозможно, потому что в системе будут некоторые потери энергии. Следовательно, КПД каждого двигателя имеет предел. Реверсивный двигатель, как и тепловой двигатель Карно, работает с максимальной эффективностью.

Идеальный тепловой двигатель

Тепловой двигатель, предназначенный только для извлечения тепла из высокотемпературной среды и преобразования его в работу, создать невозможно.

Другими словами, невозможно построить тепловую машину, не выделяющую тепло в атмосферу.

В качестве альтернативы нельзя построить тепловую машину, работающую с КПД 1,00 или 100 %.

PV-диаграмма теплового двигателя

PV-диаграмма теплового двигателя

Тепловые двигатели, например, используемые в автомобилях, работают циклически, добавляя энергию в виде тепла в одной фазе и используя эту энергию для выполнять полезную работу в следующем.

Основным инструментом для изучения тепловых двигателей, использующих газ в качестве рабочего тела, является диаграмма давление-объем (PV).
Для теплового двигателя циклического действия будет использоваться фотоэлектрическая схема с замкнутым контуром. Объем работы, выполненной в течение цикла, представлен площадью цикла.

  • Если источник горячий, жидкость изотермически превращается из жидкости в пар. При увеличении объема и постоянном давлении происходит этот процесс парообразования.
  • Газ расширяется адиабатически и обратимо на конце турбины, и это происходит в соответствии с уравнением состояния для адиабатического и обратимого процесса.
  • Если источник находится при низкой температуре, жидкость изотермически превращается из газа в жидкость. Постоянное давление и уменьшающийся объем являются условиями этого процесса конденсации.
  • При повышении давления жидкость обратимо и адиабатически сжимается на стороне компрессора.

Литература

  • Основы классической термодинамики , 3-е изд. п. 159, (1985) Г. Дж. Ван Вилена и Р. Э. Зоннтага
  • https://byjus.com/jee/heat-engine/
  • https://www.vedantu.com/physics/heat-engine
  • https://www.khanacademy.org/science/physics/thermodynamics/laws-of-thermodynamics/a/what-are-pv-diagrams
  • Кремер, Герберт; Киттель, Чарльз (1980). Теплофизика (2-е изд.). Компания WH Freeman.
  • https://collegedunia.com/exams/heat-engines-physics-articleid-813

Термодинамика

Термодинамика

Тепло
двигатели преобразуют внутреннюю энергию в механическую энергию.

работу обратимой тепловой машины можно описать на ФВ
диаграмма.

КПД обратимой тепловой машины зависит от
температуры, между которыми он работает.

Мы
опишет тепловую машину с помощью такой диаграммы:

Q ч = Q c +
Ш

КПД тепловой машины
описывает, насколько эффективно он превращает теплоту в работу.

Сади Карно

Принцип Карно: An
необратимая тепловая машина, работающая между двумя тепловыми резервуарами при
постоянные температуры не могут иметь КПД больше, чем
обратимой тепловой машины, работающей между двумя
температуры.

Следствие: Все обратимы
тепловые двигатели, работающие при одинаковых температурах, имеют
одинаковая эффективность .

Цикл Карно:

Реверсивный «двигатель» Карно использует
изотермические и адиабатические процессы между двумя резервуарами тепла при
температуры Т ч (горячая) и Т с
(холодный).

A Цикл Карно также может
представлен на диаграмме PV.

Холодильник — тепловая машина, обкатанная
реверс .

Posted inДвигатель