Принцип действия теплового двигателя
Темой прошлого урока был первый закон термодинамики, который задавал связь между некоторым количеством теплоты, которое было передано порции газа, и работой, совершаемой этим газом при расширении. И теперь пришло время сказать, что эта формула вызывает интерес не только при неких теоретических расчётах, но и во вполне практическом применении, ведь работа газа есть не что иное как полезная работа, какую мы извлекаем при использовании тепловых двигателей.
Определение. Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую работу (рис. 1).
Рис. 1. Различные примеры тепловых двигателей (Источник), (Источник)
Как видно из рисунка, тепловыми двигателями являются любые устройства, работающие по вышеуказанному принципу, и они варьируются от невероятно простых до очень сложных по конструкции.
Все без исключения тепловые двигатели функционально делятся на три составляющие (см. рис. 2):
Рис. 2. Функциональная схема теплового двигателя (Источник)
Нагревателем является процесс сгорания топлива, которое при сгорании передаёт большое количество теплоты 
. Конечно же, так как всегда существует теплопередача с корпусом двигателя, окружающим воздухом и т. д., работа не будет численно равняться переданной теплоте – часть энергии 
уходит на холодильник, которым, как правило, является окружающая среда. Проще всего можно представить себе процесс, происходящий в простом цилиндре под подвижным поршнем (например, цилиндр двигателя внутреннего сгорания). Естественно, чтобы двигатель работал и в нём был смысл, процесс должен происходить циклически, а не разово. То есть после каждого расширения газ должен возвращаться в первоначальное положение (рис. 3).
Рис. 3. Пример циклической работы теплового двигателя (Источник)
Для того чтобы газ возвращался в начальное положение, над ним необходимо выполнить некую работу (работа внешних сил). А так как работа газа равна работе над газом с противоположным знаком, для того чтобы за весь цикл газ выполнил суммарно положительную работу (иначе в двигателе не было бы смысла), необходимо, чтобы работа внешних сил была меньше работы газа. То есть график циклического процесса в координатах P-V должен иметь вид: замкнутый контур с обходом по часовой стрелке. При данном условии работа газа (на том участке графика, где объём растёт) больше работы над газом (на том участке, где объём уменьшается) (рис. 4).
Рис. 4. Пример графика процесса, протекающего в тепловом двигателе
Раз мы говорим о некоем механизме, обязательно нужно сказать, каков его КПД.
В современной технике широко применяют другой тип теплового двигателя. В нём пар или нагретый до высокой температуры газ вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. Такие двигатели называют турбинами.
Ротор паровой турбины
Схема устройства простейшей паровой турбины приведена на рисунке 28. На вал 5 насажен диск 4, по ободу которого закреплены лопатки 2. Около лопаток расположены трубы — сопла 1, в которые поступает пар 3 из котла. Струи пара, вырывающиеся из сопел, оказывают значительное давление на лопатки и приводят диск турбины в быстрое вращательное движение.
Схема паровой турбины
В современных турбинах применяют не один, а несколько дисков, насаженных на общий вал. Пар последовательно проходит через лопатки всех дисков, отдавая каждому из них часть своей энергии.
На электростанциях с турбиной соединён генератор электрического тока. Частота вращения вала турбин достигает 3000 оборотов в минуту, что является очень удобным для приведения в движение генераторов электрического тока.
В нашей стране строят паровые турбины мощностью от нескольких киловатт до 1 200 000 кВт.
Применяют турбины на тепловых электростанциях и на кораблях.
Постепенно находят всё более широкое применение газовые турбины, в которых вместо пара используются продукты сгорания газа.
Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только незначительную часть энергии, которая выделяется топливом. Большая часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве.
Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты. Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу за счёт своей внутренней энергии. Часть энергии передаётся атмосфере — холодильнику — вместе с отработанным паром или выхлопными газами.
Очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее.
Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия двигателя — КПД.
Отношение совершённой полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя.
Коэффициент полезного действия обозначают η (греч. буква «эта»).
КПД теплового двигателя определяют по формуле
где Ап — полезная работа, Q1 — количество теплоты, полученное от нагревателя, Q2 — количество теплоты, отданное холодильнику, Q1 - Q2 — количество теплоты, которое пошло на совершение работы. КПД выражается в процентах.
Например, двигатель из всей энергии, выделившейся при сгорании топлива, расходует на совершение полезной работы только одну четвёртую часть. Тогда коэффициент полезного действия двигателя равен ¼, или 25% .
КПД двигателя обычно выражают в процентах. Он всегда меньше единицы, т. е. меньше 100% . Например, КПД двигателей внутреннего сгорания 20—40%, паровых турбин — немногим выше 30%.
Задание 1. Ответить на вопросы.
Задание 2. Решить задачи. ☝ При равномерном перемещении груза массой 30 кг по наклонной плоскости была приложена сила 80 Н. Вычисли КПД плоскости, если ее длина 3,6 м, а высота – 60 см. ☝ Какова длина наклонной плоскости, если при перемещении груза массой 1 кг была приложена сила 5 Н? Высота наклонной плоскости 0,2 м, а КПД 80%. ☝ Груз массой 300 кг подняли с помощью рычага на высоту 0,5 м. При этом к длинному плечу рычага была приложена сила 500 Н, а точка приложения силы опустилась на 4 м. Вычислите КПД рычага. ☝ Какая сила была приложена к длинному плечу рычага с КПД 40%, если груз массой 100 кг был поднят на высоту 10 см, а длинное плечо рычага опустилось на 50 см?
ИНТЕРЕСНО
1. Мощные механизмы приводят в движение не паровыми поршневыми машинами, а паровыми турбинами. Ведь поршневые машины при той же мощности имеют большие размеры и вес и меньший кпд. В ряде случаев это технически неудобно и экономически невыгодно.
2. Чтобы поднять КПД парового двигателя стенки парового котла лучше делать из железа или меди. Эти металлы улучшат теплопроводность котла и этим поднимут его КПД. Кстати, слой накипи ухудшает теплопроводность котла и приводит к появлению на нем трещин и, в конце концов, к порче котла, поэтому-то так необходимо очищать котел от накипи.
К занятию прикреплен файл «Изобретение и распространение паровых турбин.». Вы можете скачать файл в любое удобное для вас время.
Использованные источники:
www.kursoteka.ru
Теплово́й дви́гатель — это машина, превращающая тепло в механическую энергию. Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики и основывается на зависимости теплового расширения вещества от температуры. Необходимые условия для работы: разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины, наличие топлива.
| Изобретатели тепловых двигателей | ||
| Паровые двигатели: | Паровая турбина: | Двигатели внутреннего сгорания: |
| 1698 – англичанин Т. Севери 1707 – француз Д. Папен 1763 – русский И.И. Ползунов 1774 – англичанин Дж. Уатт | 1889 – швед К. Лавааль | 1860 – француз Лениар 1876 – немец Н. Отто |
 |
Самый известныйдвигатель внешнего сгорания– этопаровая машина, изобретение которой ознаменовало началонаучно-технической революции (НТР).
Парова́я маши́на — это тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.
Принцип действия
Для привода паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива — от кизяка до урана.
Значение
Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XIX века.
Поздние паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинамии электромоторами, КПД которых выше.
Паровые турбины, формально являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Примерно 86 % электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин.
1 — Поршень2 — Шток поршня3 — Ползун4 — Шатун5 — Коленчатый вал6 — Эксцентрик для привода клапана7 — Маховик8 — Золотник9 — Центробежный регулятор
Теория
Работа, совершаемая
двигателем, равна: 
, где:
· 
— количество теплоты, полученное от нагревателя,
· 
— количество теплоты, отданное охладителю.
Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя рассчитывается как отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:
Часть теплоты при передаче неизбежно теряется, поэтому КПД двигателя менее 1 (100%). У первых паровых машин КПД был особенно низкий (20% и меньше), в сравнении с более современными двигателями, например, двигателями внутреннего сгорания. Однако с развитием технологии сегодня можно встретить паровые турбины с КПД более 50%.
Дви́гатель вну́треннего сгора́ния
— тепловой двигатель, который преобразовывает теплоту сгорания топлива в механическую работу.
По сравнению с паровой машиной двигатель внутреннего сгорания:
· принципиально проще (нет парокотёльного агрегата)
· компактнее
· легче
· экономичнее
· требует газообразное и жидкое топливо лучшего качества
Изобретение двигателей внутреннего сгорания позволило человечеству встать на ступеньку выше: благодаря этой технологии сегодня мы имеем разветвленную систему транспорта (автомобиле-, судо-, авиастроение), подарившего небывалый комфорт и скорость передвижения на любые расстояния. Также эта технология используется в электрогенераторах, строительных приборах и устройствах специального назначения. Главный минус двигателей внутреннего сгорания – выделение в атмосферу огромного количества углекислого газа, получаемого при сгорании топлива, и выделение тепла (КПД около 30%, а значит, большая часть внутренней энергии уходит не на приведение в движение системы поршней, а на нагрев окружающей среды).
poznayka.org
Тема урока: «Паровая турбина. КПД двигателя внутреннего сгорания» 8-й классЦели урока:
Образовательная: ознакомить с принципом работы тепловой машины - паровой турбины; сформировать понятие КПД теплового двигателя, умение объяснять физические опыты и явления, работать над формированием навыков решения задач по теме
Развивающие: показать практическую значимость темы, установить взаимосвязь между изученным материалом и явлениями в жизни.
Воспитательная: обсудить проблемы использования тепловых двигателей в экологии; воспитывать умение использовать свой интеллект, волю, эмоции.
Оборудование: таблица “Тепловые машины”, мультимедийный проектор, модель ДВС.
Ход урока
1. Объявление цели и задачи урока
2. Опрос по домашнему заданию
Ответы на вопросы к параграфу 22(ДВС) на стр.55
Дви́гатель вну́треннего сгора́ния (сокращённо ДВС) — это тип двигателя, тепловой машины, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу.
Несмотря на то, что двигатель внутреннего сгорания относится к относительно несовершенному типу тепловых машин (громоздкость, сильный шум, токсичные выбросы и необходимость системы их отвода, относительно небольшой ресурс, необходимость охлаждения и смазки, высокая сложность в проектировании, изготовлении и обслуживании, сложная система зажигания, большое количество изнашиваемых частей, высокое потребление горючего и так далее), благодаря своей автономности (используемое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы), ДВС очень широко распространены, — например, на транспорте.
История создания тепловых двигателей (Сообщения обучающихся)
История создания двигателей внутреннего сгорания. ( Презентации обучающихся)
В 1799 году французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ. В 1799 году он получил патент на использование и способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля, однако светильный газ годился не только для освещения.
В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения, стремительно расширяясь, оказывали сильное давление на окружающую среду — таким образом, оставалось только найти способ использования выделившейся энергии. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешивания. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой — сжатый светильный газ из газогенератора. Затем газовоздушная смесь поступала в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он погиб, так и не успев воплотить в жизнь своё изобретение.
В последующие годы изобретатели из разных стран пытались создать работоспособный двигатель на светильном газе. Однако все эти попытки не привели к появлению на рынке двигателей, которые могли бы успешно конкурировать с паровой машиной.
Честь создания коммерчески успешного двигателя внутреннего сгорания принадлежит бельгийскому механику Жану Этьену Ленуару. Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришёл к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи. Решив возникшие по ходу проблемы (тугой ход и перегрев поршня, ведущий к заклиниванию) продумав систему охлаждения и смазки двигателя, Ленуар создал работоспособный двигатель внутреннего сгорания. В 1864 году было выпущено более трёхсот таких двигателей разной мощности. Разбогатев, Ленуар перестал работать над дальнейшим усовершенствованием своей машины, и это предопределило её судьбу — она была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным немецким изобретателем Августом Отто и получившим патент на изобретение своей модели газового двигателя в 1864 году.
В 1864 году немецкий изобретатель Августо Отто заключил договор с богатым инженером Лангеном для реализации своего изобретения — была создана фирма «Отто и Компания». Ни Отто, ни Ланген не владели достаточными знаниями в области электротехники и отказались от электрического зажигания. Воспламенение они осуществляли открытым пламенем через трубку. Цилиндр двигателя Отто, в отличие от двигателя Ленуара, был вертикальным. Вращаемый вал помещался над цилиндром сбоку. Принцип действия: вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разреженное пространство и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась. При взрыве давление под поршнем возрастало примерно до 4 атм. Под действием этого давления поршень поднимался, объём газа увеличивался и давление падало. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разрежение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. В этом заключалась главная оригинальная находка Отто. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления, и после того, как давление в цилиндре достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Однако самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто получил патент на новый двигатель с четырёхтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей.
3. Изучение нового теоретического материала
В современной технике наряду с ДВС так же широко применяют и другой тип теплового двигателя – турбинные двигатели. Впервые об этой машине заговорил Лаваль, французский ученый в 1889 году. Особенность данного типа тепловой машины в том, что нагретый до высокой температуры пар в нем вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала.
Состоит паровой двигатель из вала, на оси которого размещаются диски с лопастями.
Также как и в ДВС действие паровой машины основано на преобразование энергии: внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию вращения ротора.
Мощность паровой машины тем больше, чем больше дисков будет насажено на общий вал.
Границы применимости паровых машин: тепловые электростанции и морские суда: на автомобильном - поршневые двигатели внутреннего сгорания, на водном - 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.
Паровые внутреннего сгорания и паровые турбины, на железнодорожном - тепловозы с дизельными установками, в авиации - поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта. Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только незначительную часть энергии, которая выделяется топливом. Большая часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве.
Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.
Пар является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты.
Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу за счет внутренней энергии. Часть энергии передается атмосфере – холодильнику – вместе с отработанным паром или выхлопными газами.
КПД = Ап 100%/Аз или Q=Qп 100%/Qз
Ап – полезная работа.
Аз - затраченная (полная) работа.
Qп - количество теплоты, выделяющееся при сжигании топлива в камере сгорания ДВС).
Qз - количество теплоты, которое выходит в окружающую среду.
КПД всегда меньше 100%
КПД характеризует степень экономичности тепловой машины, выражается отношением полезной работы, полученной от нагревателя к затраченной, отданной холодильнику (окружающей среде)
В процессе работы тепловой машины за некоторое время рабочим телом было получено от нагревателя количество теплоты 1,5 МДж, передано холодильнику 1,2 МДж. Вычислить КПД машины. Дано:
= 1,5·106Дж
= 1,2·106Дж
- ?
Решение
Задача 2
В тепловой машине за счёт каждого килоджоуля энергии, получаемой от нагревателя, совершается работа 300 Дж. Определить КПД машины.
Дано:= 1 кДж=1000 Дж
=300 Дж
- ? Решение
2. Найдите КПД тепловой машины, если совершается работа 250 Дж на каждый 1 кДж теплоты, полученной от нагревателя. Какое количество теплоты отдаётся холодильнику?
3. Тепловая машина за цикл получает от нагревателя 500 Дж теплоты и отдает холодильнику 350 Дж. Чему равен ее КПД ?
4. Двигатель мотоцикла за час расходует 2 кг бензина. Определить КПД двигателя мотоцикла, если его мощность 6 кВт.
Оценивание этапов решения задачи с применением математического закона (формулы)
5. Задачи по карточке на дом
1. Относится ли огнестрельное оружие к тепловым двигателям?
2. Почему в паровой турбине температура отработанного пара ниже, чем температура пара, поступающего к лопастям турбины?
3. Двигатель внутреннего сгорания мощностью 36 кВт за 1 ч работы израсходовал 14 кг бензина. Определите КПД двигателя.
6. Рефлексия.
Домашнее задание: п. 22-24, решить задачи по карточке
ist.na5bal.ru
