Двигатель внутреннего сгорания и турбина

Начиная с 17-го века широко используется свойство газа совершать работу при расширении. Устройства, которые преобразуют внутреннюю энергию газа в механическую работу, называются тепловыми машинами. Труд таких известных инженеров и ученых, как Ползунов, Ньюкомен, Джеймс Уатт, Шарль, Мариотт, Авогадро, Бойль, Дальтон, Карно, Клапейрон и, другие, позволил изобрести различные виды тепловых машин. Благодаря экскаваторам, подъемным кранам, станкам и другим механическим устройствам, снабженным тепловыми машинами, за короткое время мы можем выполнить большие объемы работы.

Расширение и работа газа

Газ, расширяясь, может совершать работу. От кастрюльки с кипящей водой, накрытой крышкой, слышен звук постукивающей крышки. Звук возникает благодаря тому, что кипящая вода бурно испаряется. Пар поднимается над водой, занимая пространство между поверхностью воды и крышкой. Расширяясь, пар приподнимает крышку (рис. 1).

Рис. 1. Расширяясь, горячий пар поднимает крышку, совершая работу

Часть пара покидает кастрюльку через образовавшуюся под крышкой щель. И крышка опускается. Этот процесс будет повторяться до тех пор, пока мы не прекратим подогревать кастрюльку.

Главным здесь является то, что нагретый пар (газ), расширяясь, может совершать работу, сдвигая крышку.

Джеймс Уатт в конце 17-го века придумал способ увеличить эффективность использования этого свойства нагретого пара. Он изобрел конденсатор пара, благодаря ему усовершенствовал паровую машину Ньюкомена. Это позволило увеличить ее эффективность в 3 раза.

Четыре вида тепловых двигателей

На сегодня известны такие типы тепловых двигателей (рис. 2):

1. двигатель внутреннего сгорания,
2. паровая турбина и газовая турбина,
3. паровая машина,
4. реактивный двигатель.

Рис. 2. Виды тепловых двигателей – ДВС, турбина, реактивный и паровой двигатели

Превращение энергии в тепловом двигателе

В любом тепловом двигателе по цепочке происходят такие превращения энергии (рис. 3):

• тепловая энергия топлива преобразуется во внутреннюю энергию газа;
• нагретый газ расширяется, и совершает работу, охлаждаясь при этом;
• часть внутренней энергии газа переходит в механическую энергию.

Рис. 3. В тепловом двигателе энергия топлива превращается в механическую энергию

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Чтобы представить простой тепловой двигатель, кастрюльку заменим цилиндром, а крышку – металлическим поршнем. Поршень должен плотно прилегать к стенкам отполированного цилиндра, так, чтобы двигаться по нему с минимальным трением. Если в пространство под поршнем поместить газ, то нагреваясь и расширяясь, он сможет сдвинуть поршень. Полученное устройство называется тепловым двигателем.

Поступательное движение поршня с помощью дополнительных механических частей можно преобразовать во вращательное движение рабочего вала.

На сегодняшний день ДВС – это самый распространенный вид тепловых двигателей. В таких двигателях используется жидкое или газообразное топливо – бензин, керосин, спирт, нефть, горючий газ. Топливо в таком двигателе сгорает внутри цилиндра, поэтому его назвали двигателем внутреннего сгорания (ДВС).

Примечание: Паровая машина и, к примеру, двигатель Стирлинга, относятся к двигателям внешнего сгорания. Топливо в таких машинах сгорает за пределами рабочего цилиндра.

Существуют одноцилиндровые и многоцилиндровые двигатели внутреннего сгорания.

По количеству тактов работы двигателя, умещающихся в рабочий цикл, выделяют

• двухтактные и
• четырехтактные двигатели.

Как устроен одноцилиндровый ДВС

Рассмотрим, какие части включает в себя одноцилиндровый двигатель (рис. 4).

Рис. 4. Основные части двигателя внутреннего сгорания

Основными частями являются цилиндр и поршень, который может двигаться внутри цилиндра поступательно. Над рабочей поверхностью поршня располагается свеча. В пространство между поршнем и свечой помещаются смесь паров топлива и воздуха. Такой газ называют рабочим телом. Электрическая свеча зажигания вызывает процесс горения топливовоздушной смеси.

Впуск воздуха и паров топлива и выпуск сгоревших газов осуществляется двумя клапанами, которые так и называют – впускным и выпускным.

А шатун соединяет поршень и коленчатый вал. С помощью такого соединения возвратно-поступательное движение поршня преобразовывается во вращательное движение коленчатого вала.

Для эффективной работы двигателя необходимо открывать и закрывать каждый клапан и подавать электричество к свече в нужные моменты времени. Поэтому, клапаны, поршень и свеча работают согласованно. Согласованность их работы реализована с помощью кулачкового механизма и различных датчиков, которые на рисунке не показаны.

Что такое мертвая точка и ход поршня

Вначале познакомимся с понятиями мертвых точек и рабочего хода. Это поможет разобраться, из каких частей состоит рабочий цикл двигателя.

Две мертвые точки — это крайние положения поршня. В этих положениях поршень меняет направление движения на противоположное. Выделяют две мертвые точки – верхнюю и нижнюю (рис. 5). Расстояние между ними называют ходом поршня.

Расстояние между мертвыми точками образует ход поршня

Что происходит внутри цилиндра при работе ДВС

При работе двигателя в цилиндре периодически происходит сгорание смеси топлива и воздуха, а, так же, производится выброс отработанных газов.

Сжатые поршнем газы загораются от электрической искры. Температура горения поднимается до 1800 градусов Цельсия. Поэтому, каждый двигатель внутреннего сгорания дополнительно содержит систему охлаждения.

Раскаленные газы расширяются, давление на поршень и стенки цилиндра резко возрастает. Это давление с силой толкает поршень, приводя его в движение. Усилие передается с поршня на шатун и далее на коленчатый вал, вращая его.

Примечание: Раскаленные газы обладают большим запасом внутренней энергии. Расширяясь, газы охлаждаются, при этом часть их внутренней энергии переходит в механическую работу.

Таким образом, энергия топлива преобразуется во вращение коленчатого вала.

Этапы работы четырехтактного ДВС

Теперь перейдем к рассмотрению рабочего цикла двигателя. Весь рабочий цикл состоит из четырех тактов — движений поршня. Двух движений вверх и двух — вниз. Поэтому двигатель называют четырехтактным. Каждому движению поршня вверх, или вниз соответствует половина оборота коленчатого вала (рис. 6).

Рис. 8. Четыре такта работы двигателя внутреннего сгорания

Первый такт – впрыск топлива

Сначала поршень движется вниз (рис. 6а). При этом между поршнем и клапанами создается область пониженного давления. Поэтому, когда открывается впускной клапан, пары топлива и воздух засасываются внутрь цилиндра. Сдвигаясь, поршень через шатун приводит во вращение коленчатый вал, снабженный утяжеляющим его маховиком. Первый такт заканчивается в момент достижения поршнем нижней мертвой точки.

Второй такт – сжатие топливовоздушной смеси

Коленчатый вал продолжает вращение по инерции и увлекает поршень с помощью шатуна.  Теперь поршень движется вверх (рис. 6б). Он сжимает смесь топлива и воздуха, находящуюся в объеме над ним. Давление над поршнем повышается и газ разогревается. Процесс сжатия заканчивается в верхней мертвой точке.

Третий такт – рабочий ход

В момент, когда поршень проходит верхнюю мертвую точку и начинает движение вниз (рис. 6в), на свечу зажигания подается высокое электрическое напряжение. Между рабочими электродами свечи проскакивает искра. Эта искра поджигает смесь паров топлива и воздуха. Температура газов поднимается почти до двух тысяч градусов. Давление раскаленного газа на стенки цилиндра и поршень возрастает в тысячи раз. Сила давления толкает поршень, он движется к нижней мертвой точке. Раскаленные газы расширяются и охлаждаются. При этом, они двигают поршень вниз, то есть, совершают механическую работу. Отсюда и название такта – рабочий ход.

Четвертый такт – выброс отработавших газов в окружающую среду

В момент, когда поршень минует нижнюю мертвую точку и, вращение коленчатого вала с помощью шатуна увлекает его вверх (рис. 6г), открывается выпускной клапан. Отработанные газы покидают цилиндр. Это продолжается до момента, когда поршень достигнет верхней мертвой точки. В этот момент полный цикл работы завершается. Двигатель готов к началу нового четырехтактного процесса.

Во время второго и третьего тактов впускной и выпускной клапаны закрыты. Впускной клапан открыт во время первого такта, выпускной – во время четвертого.

Двухтактные ДВС и их особенности

Двигатель называют двухтактным, когда полный цикл его работы совершается за два хода поршня – такта. Пока поршень совершает два хода, коленчатый вал совершает один оборот.

Сжатие и рабочий ход происходят аналогично четырехтактному двигателю. Отличие заключается в процессах впрыска и выпуска отработанных газов. Эти процессы происходят совместно и в течение короткого времени, покуда поршень проходит нижнюю мертвую точку.

Впрыск топливовоздушной смеси и выпуск отработанных газов называется продувкой цилиндра.

Изобрел двухтактный двигатель инженер из Шотландии Д. Клерк в 1881 году.  Джозеф Дей и Ф. Кок спустя десять лет в Англии усовершенствовали конструкцию. Двумя годами ранее — в 1879 году, свой двухтактный двигатель независимо от них построил Карл Бенц.

Количество нерабочих ходов поршня в два раза меньше, по сравнению с четырехтактным двигателем. Поэтому потери на трение сократились в два раза.

Но главное преимущество двухтактного двигателя в том, что он обладает в полтора раза большей мощностью при одинаковых с четырехтактным двигателем объемом цилиндра и оборотах двигателя.

Благодаря этому двухтактные двигатели используются на средних и тяжелых морских судах и в авиации. Вал двигателя с валом гребного винта, или воздушным винтом, соединяется без редуктора. В судостроении используют тяжелые малооборотные двигатели. А в конструкциях самолетов, в основном двухтактные роторные двигатели.

Некоторые модели мотоциклов, малолитражных автомобилей, грузовиков и автобусов, так же, оснащаются двухтактными двигателями внутреннего сгорания.

Основной недостаток таких двигателей заключается в том, что их детали работают при более высоких температурах. Это вызывает сокращение срока службы. А в мощных двигателях требует дополнительного охлаждения поршней.

Еще один недостаток заключается в одновременном впрыске топлива и выпуска отработанных газов. При этом пары топлива смешиваются с отработанными газами, полностью исключить такое смешивание не получается. Из-за этого снижается эффективность сжигания топлива в цилиндрах таких двигателей.

Преимущества многоцилиндровых двигателей и их устройство

В многоцилиндровых двигателях топливо воспламеняется в различные моменты времени последовательно в нескольких цилиндрах. При этом рабочий вал двигателя вращается более равномерно, ему передается больше энергии. Это позволяет повысить мощность двигателя.

В мопедах и скутерах чаще всего используют одноцилиндровые двигатели (рис. 7).

Рис. 7. Двигатели внутреннего сгорания могут иметь не один цилиндр, а несколько

В мотоциклах – двухцилиндровые. В легковых автомобилях — четырехцилиндровые двигатели. А грузовые автомобили, большие тракторы и спецтехника могут оснащаться восьмицилиндровыми двигателями. Более мощная и грузоподъемная техника, а, так же, речные и морские суда, оснащаются двигателями, имеющими, двенадцать, шестнадцать и, более цилиндров.

Рабочий вал многоцилиндрового двигателя вращается более равномерно и получает энергию от нескольких поршней. Поэтому многоцилиндровые двигатели имеют повышенную мощность.

В сложных двигателях цилиндры располагают, поворачивая один относительно другого на различные углы (рис. 8).

Рис. 8. Несколько цилиндров в двигателе располагают, поворачивая их на различные углы один относительно другого

Имеются такие конструкции двигателей:

• V-образные, в которых цилиндры располагаются в виде латинской буквы V;
• рядные, когда несколько цилиндров располагают в ряд один за другим;
• оппозитные, в которых одни цилиндры развернуты на 180 градусов по отношению к другим цилиндрам и поршни одновременно проходят либо верхнюю, либо нижнюю мертвую точку, двигаясь в противоположные стороны;
• роторные, несколько цилиндров в них располагаются в виде многолучевой звезды, такие двигатели применяются в авиации.

Примечания:

1. Существуют V-образные двигатели, в которых цилиндры развернуты на 180 градусов. При этом, когда один поршень проходит свою верхнюю мертвую точку, соседний поршень проходит свою нижнюю точку.
2. В оппозитных двигателях оба поршня двигаются в противоположные стороны — либо расходятся максимально далеко, либо максимально сближаются. Двигаясь, поршни одновременно проходят либо верхнюю, либо нижнюю мертвую точку. Поэтому двигатель называется оппозитным.

Паровая турбина

Турбина от двигателя внутреннего сгорания отличается более простым устройством. Основная сложность при изготовлении турбин заключается в создании легких, прочных и эффективных лопаток, приводящих в движение диски и рабочий вал.

Тепловой двигатель, в котором вал двигателя вращается без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала, называется паровой турбиной.

Устройство турбины отличается простой конструкцией (рис. 9).

Рис. 9. Турбина состоит из диска с лопатками, рабочего вала и сопел

На вал насажен диск, содержащий на ободе лопатки. На эти лопатки направлены сопла, из них под большим давлением в сторону лопаток подается горячий газ или пар, который вращает лопасти и приводит в движение диск турбины и вал двигателя.

Современные турбины содержат несколько дисков с лопастями, находящихся на общем валу. Пар последовательно проходит лопатки нескольких дисков и каждому передает часть своей энергии. Это повышает эффективность турбины.

В качестве двигателей турбины применяются на больших судах.

Частота вращения турбин может достигать нескольких тысяч оборотов в минуту. На электростанциях вал турбины соединяется с генератором тока, благодаря чему механическая энергия вращения турбины преобразуется в электрическую энергию.

В России изготавливают турбины мощностью до 1,2 миллиардов Ватт.

Выводы

1. Расширяясь, газ может совершать работу.
2. Тепловой двигатель — это устройство, которое преобразует внутреннюю энергию газа в механическую энергию.
3. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — самый распространенный вид двигателя, жидкое или газообразное топливо в таком двигателе сгорает внутри цилиндра.
4. Существуют одноцилиндровые или многоцилиндровые ДВС.
5. Простейший одноцилиндровый ДВС состоит из цилиндра и поршня, свечи зажигания, впускного и выпускного клапанов, шатуна, коленчатого вала с маховиком. Клапаны, поршень и свеча работают согласованно.
6. Крайние положения поршня называют мертвыми точками — верхней и нижней. Поршень в этих точках меняет направление движения на противоположное.
7. Ход поршня – это расстояние между мертвыми точками.
8. С помощью шатуна возвратно-поступательное движение поршня преобразовывается во вращательное движение коленчатого вала.
9. Через впускной клапан в цилиндр подается смесь топлива и воздуха.
10. Электрическая свеча зажигает сжатые пары топлива и воздуха.
11. Выпускной клапан выводит сгоревшие газы из цилиндра.
12. Два движения поршня вверх и два движения вниз образуют четыре такта работы двигателя: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.
13. За время каждого движения поршня вверх, или вниз коленчатый вал совершает половину оборота.
14. Многоцилиндровые двигатели имеют повышенную мощность, так как рабочий вал двигателя получает энергию от нескольких поршней.
15. Двухтактные ДВС при одинаковых с четырехтактными двигателями объеме цилиндра и количеству оборотов коленвала, обладают повышенной в 1,5 раза мощностью, но меньшим сроком службы из-за перегрева.
16. Турбины проще ДВС, они содержат несколько дисков с лопастями, насаженных на общий вал. Пар из сопел проходит лопатки нескольких дисков и заставляет вал вращаться. Мощность таких турбин может достигать 1,2 миллиардов Ватт.

Урок физики по теме «Тепловой двигатель». 6-й класс

Тип урока – урок открытия нового знания.

Цели урока:

• образовательные – сформировать у обучающихся представление о тепловом двигателе, устройстве и принципе действия двигателя внутреннего сгорания;
• развивающие — продолжить формирование умений применять ранее полученные знания для объяснения изучаемого явления, наблюдать, сравнивать, делать выводы, выделять существенное в изучаемом материале, сопоставлять изучаемые явления;
• воспитательные — показать практическую значимость изучаемого вопроса, обеспечить стимулирование интереса к изучению предмета, воспитание культуры логического мышления и самостоятельности.

Планируемый результат:

• Личностные УУД – формирование устойчивой учебно-познавательной мотивации и интереса к учению, ответственного отношения к учению, готовности к саморазвитию и самообразованию; коммуникативной компетентности в общении и сотрудничестве со сверстниками;
• Коммуникативные УУД – построение устных и письменных высказываний в соответствии с поставленной коммуникативной задачей, организация и планирование учебного сотрудничества с учителем и одноклассниками; учет разных мнений и интересов, отстаивание своей точки зрения, приведение аргументов;
• Познавательные УУД – поиск и выбор наиболее эффективных средств достижения поставленной задачи; построение логических рассуждений, включающих установление причинно-следственных связей; преобразование информации из одного вида в другой; использование просмотрового и изучающего чтения;
• Регулятивные УУД – составление плана решения проблемы, осознание конечного результата, осуществление регулятивных действий самонаблюдения, самоконтроля, самооценки в процессе урока; формирование умения самостоятельно контролировать своё время и управлять им; оценка своих возможностей достижения поставленной цели.
• Предметные результаты — объяснение на основе имеющихся знаний превращения внутренней энергии в механическую, схемы устройства и принципа действия двигателя внутреннего сгорания; умение приводить примеры практического использования тепловых двигателей.

Форма урока – классно-урочная.

Формы работы – фронтальная, индивидуальная, парная.

Методы: наглядный, словесный (беседа, диалог).

Методические приемы: «Верите ли вы, что …», путешествие в «Музей тепловых машин», «Плюс и минус», «Физика+лирика», опережающее задание (подготовка сообщение о первых тепловых двигателях).

Ресурсы:

• учебник «Естествознание. Введение в естественно-научные предметы. Физика. Химия. 5-6 класс», авторы Гуревич А.Е., Исаев Д.А., Понтак Л.С.;
• рабочая тетрадь к учебнику «Естествознание. Введение в естественно-научные предметы. Физика. Химия» для 6 класса, авторы Гуревич А. Е., Краснов М.В., Нотов Л.А., Понтак Л.С.;
• мульмедийная презентация к уроку.

Оборудование: мультимедийный проектор, экран, ноутбук, демонстрационное оборудование (пробирка с водой, спиртовка, штатив, пробка), презентация к уроку.

Сценарий урока

1. Организационный момент (1 мин)

Цель: подготовка учащихся к работе, обеспечение благоприятной обстановки для работы.

Приветствие учителя:

Здравствуйте, ребята.
Слышите звонок?
Это начинается новый наш урок.
Много интересного будем изучать,
Выводы делать и рассуждать.

2. Этап мотивации к учебной деятельности (2 мин)

Цель: выработка на личностно значимом уровне внутренней готовности к учебной деятельности.

Урок я хотела бы начать с высказывание британского педагога и философа Джона Локка «Великое искусство научиться многому – это браться сразу за немногое». В чем смысл высказывания? (высказывают свое мнение).

На каждом уроке мы узнаем что-то новое. Накопленные знания можем применить на следующих уроках.

3. Этап актуализации и фиксирования индивидуального затруднения в пробном учебном действии (5 мин)

Цель: подготовка мышления учащихся, организация осознания ими внутренней потребности к построению учебных действий и фиксирование каждым из них индивидуального затруднения в пробном действии.

Прочитайте стихотворение (на слайде). О каких видах энергии в нем идет речь?

Источник энергии прячет природа,
А мы всё считаем доходы, расходы,
В Земле залегают и нефть, и уран,
В баллонах находится жидкий пропан.
Энергия солнца, энергия ветра,
Нужна нам сегодня, нужна нам и завтра,
Сжигаем мы уголь, солярку и газ,
На свете не сыщешь прожорливей нас!
А море так щедро нам дарит приливы,
Учёный для поиска ищет мотивы,
Успеха он требует здесь и сейчас,
Энергия Космоса скрыта от нас!

(выслушиваются ответы учащихся)

Какими видами энергии обладают тела, представленные на слайде? Почему? (Примеры: движение стрелки часов, падение капли дождя, движение груза, подвешенного на пружине; движение пилы при распиливании доски, диван, поднятый рабочими)

(Выслушиваются ответы учащихся с пояснениями).

Объясните, почему подпрыгивает крышка чайника, когда в нем кипит вода? (анимация на слайде) (Выслушиваются ответы учащихся с пояснениями).

Объясните вращение шара с двумя изогнутыми трубками. Данное устройство было изобретено древнегреческим механиком Героном Александрийским (анимация на слайде). (Выслушиваются ответы учащихся с пояснениями).

(Демонстрационный опыт) Нальем в пробирку воду так, чтобы она занимала третью часть ее объема. Пробирку закроем пробкой. Снизу подогреем пробирку с водой с помощью спиртовки. Почему вылетает пробка из пробирки? (Выслушиваются ответы учащихся с пояснениями).

В чем сходство явлений, которые мы объяснили? (Выслушиваются ответы учащихся с пояснениями).

Действительно, рассмотрены явления, в которых за счет внутренней энергии совершается механическая работа. Устройства, совершающие работу за счет внутренней энергии, называют тепловыми двигателями.

Что представляют собой тепловые двигатели? Какие тепловые двигатели знаете?

4. Этап выявления места и причины затруднения (2 мин)

Цель – организация анализа учащимися возникшей ситуации, выявление места и причины затруднения, осознание того, в чем именно состоит недостаточность их знаний, умений или способностей.

Почему не смогли ответить на вопрос?

Что мы не знаем?

Что нам нужно узнать? (выслушиваются ответы учащихся)

5. Этап построения проекта выхода из затруднения (3 мин)

Цель — постановка целей учебной деятельности, выбор способа и средств их реализации.

Какую цель сегодня поставим на уроке? (Выяснить, какие устройства называют тепловыми двигателями, какие они бывают, как устроены)

Сформулируйте тему урока (Тепловой двигатель) (На доске и в тетради фиксируется тема урока).

Что называют тепловым двигателем? Какие бывают тепловые двигатели? Каков принцип работы тепловых двигателей? Где мы можем найти ответ? (Воспользуемся учебником, словарем, справочником).

6. Этап реализация построенного проекта (8 мин)

Цель — построение учащимися нового способа действий и формирование умений его применять.

Откройте учебник на странице 166. Прочитайте определение теплового двигателя.

1. Что называют тепловым двигателем? (это машины, которые преобразуют энергию топлива в энергию движения).
2. Какую энергию называют энергией движения? (кинетическую энергию).
3. Какую энергию называют энергией топлива? (внутреннюю энергию).

Сформулируйте определение теплового двигателя через понятия внутренней и кинетической энергии. (Это машины, которые преобразуют внутреннюю энергию топлива в кинетическую энергию).

Какие виды топлива можно использовать в тепловых двигателях? (уголь, нефть, газ, бензин и т.д.).

Рассмотрите рисунки на странице 166 учебника.Где используется тепловой двигатель? (на пароходе, паровозе, тепловозе, ракете, самолете, тепловой электростанции).

К тепловым двигателям относятся паровая машина, реактивный двигатель, газовая турбина, двигатель Дизеля, карбюраторный двигатель.
Один из видов тепловых двигателей называется двигатель внутреннего сгорания. Почему такое название у двигателя? (топливо сгорает внутри двигателя).

Рассмотрите рисунок на странице 167, найдите описание рисунка в тексте. Каковы основные части двигателя внутреннего сгорания? (Впускной и выпускной клапаны, электрическая свеча, поршень, цилиндр, коленчатый вал).

Каков принцип работы двигателя внутреннего сгорания? (рассматривается с помощью анимационной модели). Через впускной клапан засасывается горючая смесь (топливо). Горючая смесь сжимается при движении поршня вверх, клапаны закрыты. При сжатии горючая смесь нагревается. Электрическая искра поджигает горючую смесь. Смесь взрывается. Поршень приходит в движение вниз. При движении вверх поршень выбрасывает из цилиндра отработанные газы через выпускной клапан. Потом все повторяется.

Почему двигатель внутреннего сгорания называют четырехтактным? (работа происходит за четыре такта).

А если в двигателе не один поршень, а несколько? (будет совершена большая работа).

Откройте Справочник по физике и технике на странице 126, ознакомьтесь со значениями температур газов внутри цилиндра четырехтактных двигателей внутреннего сгорания.

Верите ли вы, что:

• температура газов внутри цилиндра ДВС наибольшая в конце процесса сжатия?
• температура газов внутри цилиндра ДВС наименьшая в конце процесса впуска?
• наибольший коэффициент полезного действия у двигателя карбюраторного?
• наименьший коэффициент полезного действия у паровой турбины? (если утверждение верное, учащиеся делают наклон головы вперед).

Физическая минутка

От зеленого причала (встать)
Оттолкнулся пароход (покачаться).
Он шагнул назад (два шага назад),
Он шагнул вперед (два шага вперед).
И поплыл, поплыл по речке (движение руками),
набирая полный ход (ходьба на месте).

7. Этап первичного закрепления (5 мин)

Цель — усвоение учащимися нового способа действия при решении типовых задач.

• Какой двигатель установлен на пароходе? Почему? (Выслушиваются ответы учащихся с пояснениями).
• Является ли тепловым двигателем ружье?
• Является ли тепловым двигателем Царь-пушка?

Подготовьте ответы на данные вопросы, работая в парах. (Выслушиваются ответы учащихся с пояснениями).

В рабочей тетради на странице 98 выполните задание номер 2. Рассмотрите рисунки и отметьте плюсом только механизмы с тепловыми двигателями. (Выслушиваются ответы учащихся с пояснениями).

Кто справился правильно? Где возникло затруднение? Почему?

Вы успешно поработали, поэтому предлагаю вам сейчас отправиться в «Музей тепловых машин». Наш экскурсовод — … (ФИ ученика) (сообщение ученика сопровождается презентацией).

В 1698 году англичанин Томас Севери зарегистрировал первый патент на устройство «для подъема воды и для получения движения всех видов производства при помощи движущей силы огня…» — первый паровой насос.

В 1764 году изобретатель-самородок из Алтая И.И.Ползунов предложил первую в мире конструкцию теплового двигателя, использовавшего горячий пар.

В 1773 году шотландский инженер Джеймс Уатт построил свою первую действующую паровую машину.

Первый двигатель внутреннего сгорания запатентован в 1859 году французским механиком Этьеном Ленуаром.

Первый автомобиль с бензиновым двигателем внутреннего сгорания был создан в 1885 году немецким инженером Карлом Бенцом. Это был трёхколёсный двухместный экипаж на высоких колёсах со спицами.

В 1892 г. немецкий инженер Рудольф Дизель получил патент на двигатель, который получил название двигатель Дизеля.

8. Этап самостоятельной работы с самопроверкой по эталону (4 мин)

Цель — интериоризация (переход извне внутрь) нового способа действия и исполнительская рефлексия (индивидуальная) достижения цели пробного учебного действия, применение нового знания в типовых заданиях.

Проверим, как вы усвоили новый материал. На парте проверочная работа — тест, для каждого вопроса нужно выбрать один правильный ответ. Время выполнения – 3 минуты.

1. Двигатель внутреннего сгорания работает на …
а. нефти
б. каменном угле
в. торфе и дровах
г. бензине

2. Тепловой двигатель установлен на …
а. воздушном шаре
б. дельтаплане
в. вертолете
г.яхте

3. Во время рабочего хода поршень …
а. движется вниз
б. движется вверх
в.находится в покое

4. В тепловом двигателе происходит преобразование …
а. энергии движения в энергию топлива
б. энергии топлива в энергию движения
в. энергии движения в потенциальную энергию

5. Внутренняя энергия газов внутри цилиндра двигателя внутреннего сгорания …
а. наибольшая с начале сжатия
б. наибольшая в конце сжатия
в. всегда одинакова

Проверьте выполненное задание по эталону (правильные ответы на слайде):

У кого есть ошибки?

В каком вопросе допустили ошибку?

9. Этап включения в систему знаний и повторения (4 мин)

Цель — повторение и закрепление ранее изученного, выявление границы применимости нового знания и использование его в системе изученных ранее знаний.

Зачем нам нужны знания о тепловых двигателях? (Выслушиваются ответы учащихся).

Знаете ли вы, почему двигатели внутреннего сгорания не используются в подводной лодке при погруженном в воду режиме плавания?

Знаете ли вы, почему высота подъема самолетов, двигатели которых работают на смеси горючего и воздуха, ограничена? (Выслушиваются ответы учащихся).

10. Этап рефлексии учебной деятельности на уроке (2 мин)

Цель — самооценка учащимися результатов своей учебной деятельности, осознание метода построения и границ применения нового способа действия.

Какие знания сегодня вы приобрели на уроке?

Достигли ли мы цели урока?

Оцените работу на уроке, продолжив фразы:

• Сегодня на уроке я узнал …
• Сегодня на уроке я научился …
• Мне было интересно …

(Выслушиваются ответы учащихся).

11. Информация о домашнем задании, инструктаж по его выполнению (2 мин)

По учебнику к следующему уроку нужно прочитать материал на страницах 166-167, приготовить ответы к разделу «Подумай и ответь».

• Учащимся первого ряда подготовить информацию о том, каковы отрицательные последствия применения тепловых машин.
• Учащимся второго ряда подготовить сообщение «Пушка Архимеда».
• Учащимся третьего ряда подготовить информацию о том, почему в некоторых странах тепловые двигатели на автомобилях заменяют электродвигателями.

Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики

Одним из первых ученых, заинтересовавшихся тепловыми двигателями, был француз.
инженер по имени
Сади Карно (1796-1832). Тепловая машина использует теплопередачу
совершать работу в циклическом процессе. После каждого цикла двигатель возвращается в
исходное состояние и готов повторить процесс преобразования (неупорядоченный —>
упорядоченная энергия) снова.

Карно постулировал, что теплота не может быть поглощена при определенной температуре без
другие изменения в системе и преобразованы в работу.   Это один из способов указать
второй закон
термодинамика.  

Карно предполагал, что идеальный двигатель, преобразующий максимальное количество теплового
энергии в упорядоченную энергию, будет двигатель без трения. Это также было бы
реверсивный двигатель . Само по себе тепло всегда исходит от объекта
более высокой температуры к объекту с более низкой температурой. Реверсивный двигатель это
двигатель, в котором теплопередача может менять направление, если температура
один из объектов изменяется на крошечную (бесконечно малую) величину. Когда
реверсивный двигатель заставляет тепло поступать в систему, оно течет в результате
бесконечно малые перепады температур, или потому что существует
бесконечно малая работа, совершаемая системой. Если бы такой процесс мог быть
реально реализуемый, он будет характеризоваться непрерывным состоянием
равновесие (т. е. отсутствие перепадов давления или температуры) и будет
происходит с такой скоростью, что требует бесконечного времени. Импульс
любой компонент обратимого двигателя никогда не изменяется скачком в неупругом
столкновение, так как это привело бы к необратимому, внезапному увеличению
неупорядоченная энергия этого компонента. Настоящий двигатель всегда включает в себя
по крайней мере небольшое количество необратимости. Тепло не будет течь без
перепад температур и трение не могут быть полностью устранены.

Карно показал, что если идеальная обратимая машина, называемая двигателем Карно , улавливает
количество теплоты Q ₁ из резервуара при температуре T ₁ ,
преобразует часть его в полезную работу и отдает количество теплоты Q ₂
в пласт при температуре T ₂ , тогда Q ₁ /T ₁ =
Q ₂ /T ₂ . Здесь Т — абсолютная температура, измеренная в
Кельвина, а резервуар тепла — это система, такая как озеро, которая настолько велика, что
его температура не меняется при выделении тепла, участвующего в рассматриваемом процессе
течет в водохранилище или из него. Для преобразования теплоты в работу необходимо при
не менее двух мест с разной температурой. Если вы возьмете Q ₁ в
температура T ₁ необходимо сбросить как минимум Q ₂ при температуре T ₂ .

Пример идеализированного двигателя без трения, в котором все процессы
обратимы, представляет собой идеальный газ в цилиндре, снабженном
поршень. Цилиндр попеременно входит в контакт с одним из двух тепловых
резервуары при температурах Т ₁ и Т ₂ соответственно, при Т ₁
выше Т ₂ .

1. Начнем с точки а на диаграмме PV. Ставим цилиндр
   контакт с пластом по Т ₁ и _{нагреть газ и
   в то же время расширяйте его по кривой, отмеченной (1). Чтобы сделать
   процесс обратимый, мы вытягиваем поршень очень медленно по мере поступления тепла в
   газа и следим за тем, чтобы температура газа оставалась примерно равной T 1 .
   Если бы мы медленно вталкивали поршень обратно, то температура была бы только
   быть бесконечно мало больше, чем T 1 и тепло потечет
   обратно из газа в резервуар. Изотермическое расширение , когда
   делается достаточно медленно, может быть обратимым процессом. Как только мы достигнем точки b в
   диаграмме количество теплоты Q 1 было передано от
   резервуар в газ. Поскольку расширение изотермическое,
   температура газа не изменилась.}
2. Отнимем цилиндр от резервуара в точке b и продолжим
   медленное обратимое расширение без поступления тепла в цилиндр.
   Расширение теперь является адиабатическим . При расширении газа температура
   падает, так как в цилиндр не поступает тепло. Мы позволяем газу расширяться,
   по кривой, отмеченной (2), пока температура не упадет до T ₂
   в точке, обозначенной c . Адиабатическая кривая имеет более отрицательный наклон
   чем изотермическая кривая.
3. Когда газ достиг температуры T ₂ ставим
   в контакте с резервуаром на Т ₂ . Теперь медленно сжимаем
   газ изотермически при контакте с пластом на Т ₂ ,
   по кривой, отмеченной (3). Температура газа не
   поднимается и количество тепла Q ₂ поступает из цилиндра в
   пласт при температуре T ₂ .
4. В точке d извлекаем цилиндр из резервуара на Т ₂
   и еще больше сожмите его, не выпуская тепло.
   За это адиабатический процесс температура повышается, а давление
   следует кривой, отмеченной (4). Если мы правильно выполним каждый шаг, мы сможем
   вернуться в точку a при температуре T ₁ , откуда мы начали, и
   повторить цикл.

За один цикл мы вложили в газ количество теплоты Q ₁ при
температура T ₁ и отведенное количество тепла Q ₂
при температуре T ₂ .   Используя соотношения между ΔU, ΔQ,
и ΔW для различных термодинамических процессов,
мы можем показать, что Q ₁ /T ₁ = Q ₂ /T ₂ .

Ссылка: Математические детали
используя исчисление

Полезная работа, совершаемая тепловой машиной, равна W = Q ₁ — Q ₂
(энергосбережение). Идеальный реверсивный двигатель делает максимальное количество
работы.

Любой реальный двигатель отдает больше тепла Q ₂ в резервуаре при T ₂
чем обратимый и, следовательно, совершает меньшую полезную работу.

максимальный объем работы вы можете
поэтому выйти из тепловой машины — это то количество, которое вы получите от идеального,
реверсивный двигатель.

Вт _макс. = Q ₁ — Q ₂ = Q ₁
— Q ₁ T ₂ /T ₁ = Q ₁ (1 — Т ₂ / Т ₁ ).

W является положительным, если T ₁ больше, чем T ₂ .

КПД тепловой машины – это
отношение полученной работы к тепловой энергии, вложенной при высокой температуре, e
= W/Q _{высокий} . Максимально возможная эффективность e _max таких
двигатель

e _макс = W _макс /Q _{высокий} = (1 — T _{младший} /T _{высокий} ) = (T _{высокий} — T _низкий )/T _{высокий} .

Предположим, у вас есть резервуар с горячей водой с температурой T ₁ .
Можете ли вы взять количество теплоты Q ₁ из этого резервуара и преобразовать
это в работу? Нет! Вы можете преобразовать часть теплоты в работу, если
у вас есть место с более низкой температурой T ₂ , где вы можете сбросить часть
жара. Двигатель, работающий за счет отвода тепла от резервуара с
одной температуры быть не может.

Тепло не может быть поглощено при определенной температуре без каких-либо других изменений в системе и
превращается в работу. Это один из способов сформулировать второй закон термодинамики.

Теплота сама по себе не может передаваться от холодного к горячему предмету.
способ сформулировать второй закон термодинамики.

Если бы это было возможно, то тепло, сбрасываемое на T ₂ , могло бы просто утекать обратно в
водохранилище на T ₁ и чистый эффект будет количество тепла
ΔQ = Q ₁ — Q ₂ принято в
a T ₁ и преобразуется в тепло без каких-либо других изменений в системе.

Проблема:

Определенный бензиновый двигатель имеет КПД 30,0%. Что бы
температура горячего резервуара должна быть для двигателя Карно с таким КПД, если
работает при температуре холодного пласта 200 ^o С?

Решение:

• Обоснование:
  Для двигателя Карно Q ₁ /Т ₁
  = Q ₂ /T ₂ .
  Двигатель Карно имеет максимальный КПД e _max = (T _high — T _low )/T _high .
• Детали расчета:
  Если e _max = 0,3, то 0,3 = 1 — (473 K)/T _high . Т _{высокий}
  = 473/0,7 = 675,7 К = 402,7 ^o С.

Проблема:

Изобретатель продает устройство и утверждает, что оно потребляет 25 кДж тепла при
600 К, передает в окружающую среду теплоту 300 К и совершает работу 12 кДж.
Стоит ли инвестировать в это устройство?

Решение:

• Обоснование:
  Двигатель Карно, потребляющий 25 кДж тепла и работающий при температуре от 600 до 300 К.
  может выполнить объем работы
  Вт _макс. = Q _{высокий} (1 — T _низкий
  / T _high ) = 25 кДж*(1 — 300/600) = 25 кДж/2 = 12,5 кДж.
  Утверждается, что эффективность устройства составляет 96% от e _max . Нет
  известный двигатель приближается к e _max . Трение и прочее
  потери снижают эффективность. Так что пока не запрещено вторым
  закона, маловероятно, что устройство будет работать так, как заявлено.

Примечание:

Неупорядоченная энергия не может быть полностью преобразована обратно в упорядоченную энергию.

Максимальный КПД тепловой машины, преобразующей тепловую энергию в упорядоченную, равен
100%*(T _{высокий} — T _низкий )/T _{высокий} .
Здесь T _high и T _low — самая высокая и самая низкая температура.
доступным для двигателя.

С другой стороны, упорядоченная энергия может быть полностью преобразована в другие
формы энергии. Максимальный КПД двигателя, использующего упорядоченную энергию
составляет 100%.

Введение во второй закон термодинамики: тепловые двигатели и их эффективность

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Формулировать выражения второго закона термодинамики.
• Рассчитайте КПД и выбросы углекислого газа угольной электростанции, используя характеристики второго закона.
• Опишите и дайте определение циклу Отто.

Рис. 1. Эти льдины тают арктическим летом. Некоторые из них замерзают зимой, но второй закон термодинамики предсказывает, что молекулам воды, содержащимся в этих конкретных льдинах, крайне маловероятно, чтобы они преобразовали характерную аллигатороподобную форму, которую они сформировали, когда снимок был сделан летом 2009 года.. (кредит: Патрик Келли, Береговая охрана США, Геологическая служба США)

Второй закон термодинамики касается направления самопроизвольных процессов. Многие процессы протекают самопроизвольно только в одном направлении, т. е. необратимы при данном наборе условий. Хотя необратимость наблюдается в повседневной жизни — например, разбитое стекло не возвращается в исходное состояние — полная необратимость — это статистическое утверждение, которое нельзя увидеть в течение жизни Вселенной. Точнее необратимый процесс зависит от пути. Если процесс может идти только в одном направлении, то обратный путь принципиально иной и процесс не может быть обратимым. Например, как отмечалось в предыдущем разделе, теплота включает передачу энергии от более высокой температуры к более низкой. Холодный объект при соприкосновении с горячим никогда не становится холоднее, передавая тепло горячему объекту и делая его горячее. Кроме того, механическая энергия, например кинетическая энергия, может быть полностью преобразована в тепловую энергию трения, но обратное невозможно. Горячий неподвижный объект никогда самопроизвольно не остывает и не приходит в движение. Еще одним примером является расширение струи газа, введенной в один из углов вакуумной камеры. Газ расширяется, заполняя камеру, но никогда не собирается в углу. Беспорядочное движение молекул газа могло бы привести их всех обратно в угол, но этого никогда не происходит. (См. рис. 2.)

Рисунок 2. Примеры односторонних процессов в природе. а) Теплопередача происходит самопроизвольно от горячего к холодному, а не от холодного к горячему. (b) Тормоза этого автомобиля преобразуют его кинетическую энергию в передачу тепла окружающей среде. Обратный процесс невозможен. (c) Выброс газа, впущенного в эту вакуумную камеру, быстро расширяется, чтобы равномерно заполнить все части камеры. Беспорядочные движения молекул газа никогда не вернут их в угол.

Тот факт, что определенные процессы никогда не происходят, говорит о том, что существует закон, запрещающий им происходить. Первый закон термодинамики допускает их возникновение — ни один из этих процессов не нарушает закон сохранения энергии. Закон, запрещающий эти процессы, называется вторым законом термодинамики. Мы увидим, что второй закон можно сформулировать разными способами, которые могут показаться разными, но на самом деле они эквивалентны. Как и все законы природы, второй закон термодинамики дает представление о природе, и несколько его утверждений подразумевают, что он широко применим, коренным образом влияя на многие, казалось бы, несопоставимые процессы.

Уже знакомое направление передачи тепла от горячего к холодному лежит в основе нашей первой версии второго закона термодинамики

Второй закон термодинамики (первое выражение)

Теплопередача происходит самопроизвольно от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой, но никогда самопроизвольно в обратном направлении.

Другой способ сформулировать это: ни один процесс не может иметь своим единственным результатом передачу тепла от более холодного объекта к более горячему.

Тепловые двигатели

Теперь давайте рассмотрим устройство, использующее теплопередачу для выполнения работы. Как отмечалось в предыдущем разделе, такое устройство называется тепловым двигателем, и оно схематически показано на рис. 3б. Бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины — все это тепловые двигатели, которые работают, используя часть теплопередачи из какого-либо источника. Теплоотдача от горячего объекта (или горячего резервуара) обозначается как Q _h , а теплопередача в холодный объект (или холодный резервуар) — Q _c , а работа двигателя равна W . Температуры горячего и холодного резервуаров T _h и T _c соответственно.

Рис. 3. (а) Теплопередача происходит самопроизвольно от горячего объекта к холодному, в соответствии со вторым законом термодинамики. б) Тепловая машина, представленная здесь кружком, использует часть теплопередачи для совершения работы. Горячие и холодные объекты называются горячими и холодными резервуарами. Qh — теплоотдача из горячего резервуара, W — работа, Qc — теплопередача в холодный резервуар.

Поскольку горячий резервуар нагревается снаружи, что требует больших затрат энергии, важно, чтобы работа выполнялась максимально эффективно. На самом деле хотелось бы, чтобы Вт равнялось Q _ч , и чтобы не было передачи тепла в окружающую среду ( Q _c =0). К сожалению, это невозможно. Второй закон термодинамики также утверждает относительно использования теплопередачи для выполнения работы (второе выражение второго закона):

Второй закон термодинамики (второе выражение)

Ни в одной системе теплопередача от резервуара не может полностью превратиться в работу в циклическом процессе, при котором система возвращается в исходное состояние.

Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла. В большинстве тепловых двигателей, таких как поршневые двигатели и вращающиеся турбины, используются циклические процессы. Второй закон, только что изложенный в его второй форме, ясно утверждает, что такие двигатели не могут иметь совершенного преобразования теплопередачи в совершенную работу. Прежде чем перейти к основным причинам ограничений на преобразование теплопередачи в работу, нам необходимо изучить отношения между W , Q _h и Q _c , а также для определения КПД циклической тепловой машины. Как уже отмечалось, циклический процесс возвращает систему в исходное состояние в конце каждого цикла. Внутренняя энергия такой системы U одинакова в начале и в конце каждого цикла, то есть Δ U = 0. Первый закон термодинамики гласит, что Δ U = Q − Вт , где 9032 6 Q это чистая передача тепла за цикл ( Q = Q _ч  −  Q _c ), а W – чистая работа, выполненная системой. Поскольку Δ U = 0 для полного цикла, мы имеем 0 = Q − W , так что W = Q .

Таким образом, чистая работа, выполненная системой, равна чистой передаче тепла в систему, или Вт = Q _ч — − Q _c (циклический процесс), как схематично показано на рисунке 3b. Проблема в том, что во всех процессах есть теплообмен Q _c в окружающую среду, причем обычно в очень значительном количестве.

При преобразовании энергии в работу мы всегда сталкиваемся с проблемой того, что получаем меньше, чем вкладываем. Мы определяем эффективность преобразования Eff как отношение полезной выходной работы к входной энергии (или, другими словами, отношение того, что мы получаем, к тому, что мы тратим). Исходя из этого, мы определяем эффективность тепловой машины как ее чистую выходную мощность Вт , деленную на теплоотдачу двигателю Q _ч ; то есть

[латекс]Eff=\frac{W}{Q_{\text{h}}}\\[/latex]

Так как W  =  Q _h  —  Q _c в циклическом процессе, мы также можем выразить это как

[латекс]Eff=\frac{Q_{\text{h}}-Q_{\text{c}}}{Q_{\text{h}}}=1-\frac{Q_{\text{c}}}{Q_{\text{h}}}\\[/latex] (циклический процесс),

, делая очевидным, что эффективность 1, или 100 %, возможен только при отсутствии теплопередачи в окружающую среду ( Q _c  = 0). Обратите внимание, что все Q положительны. Направление теплопередачи указывается знаком плюс или минус. Например, Q _c находится вне системы, поэтому ему предшествует знак минус.

Пример 1. Ежедневная работа угольной электростанции, ее эффективность и выбросы углекислого газа

Угольная электростанция представляет собой огромную тепловую машину. Он использует теплопередачу от сжигания угля для выполнения работы по вращению турбин, которые используются для выработки электроэнергии. За один день крупная угольная электростанция вырабатывает 2,50 × 10 ¹⁴ Дж теплоотдачи от угля и 1,48 × 10 ¹⁴ Дж теплоотдачи в окружающую среду.

1. Какую работу совершает электростанция?
2. Каков КПД электростанции?
3. В процессе горения происходит следующая химическая реакция: C + O ₂  → CO ₂ . Это означает, что каждые 12 кг угля выбрасывают в атмосферу 12 кг + 16 кг + 16 кг = 44 кг углекислого газа. Предполагая, что 1 кг угля может дать 2,5 × 10 ⁶ Дж теплопередачи при сгорании, сколько CO ₂ выбрасывает в день эта электростанция?

Стратегия для Части 1

Мы можем использовать W = Q _h  —  Q _c , чтобы найти выход работы W 9032 7, предполагая, что на электростанции используется циклический процесс. В этом процессе вода кипятится под давлением с образованием высокотемпературного пара, который используется для работы паровых турбин-генераторов, а затем конденсируется обратно в воду, чтобы снова запустить цикл. 9{14}\text{ J}\end{array}\\[/latex]

Стратегия для части 2

Эффективность можно рассчитать с помощью [latex]Eff=\frac{W}{Q_{\text{h}}}\\[/latex], так как Q _ч дано и выполнено 90 326 W было найдено в первой части этого примера.

Решение для Части 2

Эффективность определяется как: [латекс]Eff=\frac{W}{Q_{\text{h}}}\\[/latex]. Только что было найдено, что работа Вт равна 1,02 × 10 ¹⁴ Дж, и дано Q _ч , поэтому КПД равен 9{14}\text{ J}}\\\text{ }&=&0,408\text{, или }40,8\%\end{array}\\[/latex]

Стратегия для части 3

Ежедневное потребление угля рассчитывается с использованием информации о том, что каждый день есть 2,50 × 10 ¹⁴ Дж теплопередачи от угля. В процессе горения имеем C + O ₂ → CO ₂ . Таким образом, каждые 12 кг угля выбрасывают в атмосферу 12 кг + 16 кг + 16 кг = 44 кг CO ₂ .

Решение для Части 3

Суточный расход угля 98\text{ кг CO}_2\\[/latex]

Это 370 000 метрических тонн CO ₂ , производимых каждый день.

Обсуждение

Если вся выходная мощность преобразуется в электроэнергию в течение одного дня, средняя выходная мощность составит 1180 МВт (это остается вам решить в конце главы). Это значение примерно соответствует размеру крупной обычной электростанции. Найденный КПД приемлемо близок к значению 42%, данному для угольных электростанций. Это означает, что целых 59,2% энергии приходится на передачу тепла в окружающую среду, что обычно приводит к потеплению озер, рек или океана вблизи электростанции, а также к потеплению планеты в целом. Хотя законы термодинамики ограничивают эффективность таких установок, включая установки, работающие на ядерном топливе, нефти и природном газе, передача тепла в окружающую среду может использоваться и иногда используется для обогрева домов или для промышленных процессов. В целом низкая стоимость энергии не делает более экономичным более эффективное использование отработанного тепла от большинства тепловых двигателей. Электростанции, работающие на угле, производят наибольшее количество CO ₂ на единицу выработки энергии (по сравнению с природным газом или нефтью), что делает уголь наименее эффективным ископаемым топливом.

С помощью информации, приведенной в Примере 1, мы можем найти такие характеристики, как эффективность тепловой машины, не зная, как работает тепловая машина, но дальнейшее изучение механизма двигателя даст нам более глубокое понимание. На рисунке 4 показана работа обычного четырехтактного бензинового двигателя. Четыре показанных шага завершают цикл этой тепловой машины, возвращая смесь бензина и воздуха в исходное состояние.

Рис. 4. В четырехтактном бензиновом двигателе внутреннего сгорания передача тепла в работу происходит в циклическом процессе, показанном здесь. Поршень соединен с вращающимся коленчатым валом, который выполняет работу над газом в цилиндре. а) Воздух смешивается с топливом во время такта впуска. (b) Во время такта сжатия топливовоздушная смесь быстро сжимается в почти адиабатическом процессе, когда поршень поднимается при закрытых клапанах. Работа совершается на газу. (c) Рабочий такт состоит из двух отдельных частей. Во-первых, топливовоздушная смесь воспламеняется, почти мгновенно преобразовывая химическую потенциальную энергию в тепловую, что приводит к значительному увеличению давления. Затем поршень опускается, и газ работает, оказывая силу на расстоянии в почти адиабатическом процессе. (d) Такт выпуска выпускает горячий газ, чтобы подготовить двигатель к следующему циклу, начиная снова с такта впуска.

Цикл Отто , показанный на рисунке 5а, используется в четырехтактных двигателях внутреннего сгорания, хотя на самом деле истинные пути цикла Отто не соответствуют точно тактам двигателя.

Адиабатический процесс AB соответствует почти адиабатическому такту сжатия бензинового двигателя. В обоих случаях над системой (газовой смесью в цилиндре) совершается работа, повышающая ее температуру и давление. По пути ВС цикла Отто, теплообмен Q _h в газ происходит при постоянном объеме, вызывая дальнейшее повышение давления и температуры. Этот процесс соответствует сжиганию топлива в двигателе внутреннего сгорания и происходит настолько быстро, что объем почти не меняется. Путь CD в цикле Отто — это адиабатическое расширение, которое действует на внешний мир точно так же, как рабочий ход двигателя внутреннего сгорания действует при его почти адиабатическом расширении. Работа, совершаемая системой на пути CD, больше, чем работа, совершаемая системой на пути AB, потому что давление больше, а значит, есть чистый выход работы. По пути DA в цикле Отто теплообмен Q _c из газа при постоянном объеме снижает его температуру и давление, возвращая его в исходное состояние. В двигателе внутреннего сгорания этот процесс соответствует выпуску горячих газов и впуску воздушно-бензиновой смеси при значительно более низкой температуре. В обоих случаях по этому конечному пути происходит передача тепла в окружающую среду.

Рис. 5. Схема упрощенного цикла Отто, аналогичного используемому в двигателе внутреннего сгорания. Точка А соответствует началу такта сжатия двигателя внутреннего сгорания. Пути AB и CD являются адиабатическими и соответствуют такту сжатия и рабочему такту двигателя внутреннего сгорания соответственно. Траектории BC и DA являются изохорными и приводят к тем же результатам, что и части зажигания и выхлопа-впуска, соответственно, цикла двигателя внутреннего сгорания. Работа совершается газом по пути AB, но больше работы совершается газом по пути CD, так что получается чистая работа.

Чистая работа, выполненная циклическим процессом, представляет собой площадь внутри замкнутого пути на диаграмме PV  , такой как внутренний путь ABCDA на рисунке 5. Обратите внимание, что в каждом вообразимом циклическом процессе совершенно необходимо, чтобы теплопередача от системы происходила, чтобы получить чистую выходную мощность. В цикле Отто передача тепла происходит по пути DA. Если теплопередача не происходит, то обратный путь тот же, а чистая работа равна нулю. Чем ниже температура на пути АВ, тем меньшую работу необходимо совершить для сжатия газа. Площадь внутри замкнутого пути тогда больше, поэтому двигатель выполняет больше работы и, следовательно, более эффективен. Точно так же, чем выше температура на пути CD, тем больше выходная мощность. (См. рис. 6.) Таким образом, эффективность зависит от температуры горячего и холодного резервуаров. В следующем разделе мы увидим, каков абсолютный предел эффективности тепловой машины и как он связан с температурой.

Рис. 6. Этот цикл Отто производит больший объем работы, чем цикл на Рис. 5, потому что начальная температура пути CD выше, а начальная температура пути AB ниже. Площадь внутри петли больше, что соответствует большему выходу чистой работы.

Резюме раздела

• Два выражения второго начала термодинамики: (i) теплопередача происходит самопроизвольно от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой, но никогда самопроизвольно в обратном направлении; и (ii) ни в какой системе теплопередача от резервуара не может полностью преобразовываться в работу в циклическом процессе, при котором система возвращается в исходное состояние.
• Необратимые процессы зависят от пути и не возвращаются в исходное состояние. Циклические процессы — это процессы, которые возвращаются в исходное состояние в конце каждого цикла.
• В циклическом процессе, таком как тепловой двигатель, чистая работа, выполненная системой, равна чистой передаче тепла в систему, или 0017 ч — теплоотдача от горячего объекта (горячего резервуара), а Q _c – передача тепла в холодный объект (холодный резервуар).
• Эффективность может быть выражена как [латекс]Eff=\frac{W}{{Q}_{\text{h}}}\\[/latex], отношение производительности труда к количеству подводимой энергии.
• Четырехтактный бензиновый двигатель часто объясняют циклом Отто, который представляет собой повторяющуюся последовательность процессов, преобразующих теплоту в работу.

Концептуальные вопросы

1. Представьте, что вы едете на машине по Пайкс-Пик в Колорадо. Чтобы поднять автомобиль массой 1000 килограммов на расстояние 100 метров, потребуется около миллиона джоулей. Вы можете поднять автомобиль на 12,5 километров с энергией в галлоне бензина. Подъем на Пайкс-Пик (подъем всего на 3000 метров) должен потреблять чуть меньше литра бензина. Но нужно учитывать и другие соображения. Объясните с точки зрения эффективности, какие факторы могут помешать вам реализовать идеальное использование энергии в этой поездке.
2. Нужна ли разница температур для работы тепловой машины? Укажите, почему или почему нет.
3. Определения эффективности различаются в зависимости от того, как преобразуется энергия. Сравните определения КПД человеческого тела и тепловых двигателей. Как определение эффективности в каждом из них связано с типом энергии, преобразуемой в работу?
4. Почему, кроме того факта, что второй закон термодинамики говорит, что обратимые двигатели являются наиболее эффективными, тепловые двигатели, использующие обратимые процессы, должны быть более эффективными, чем те, которые используют необратимые процессы? Учтите, что диссипативные механизмы являются одной из причин необратимости.

Задачи и упражнения

1. Некоторая тепловая машина совершает работу 10,0 кДж, при этом в циклическом процессе происходит передача в окружающую среду теплоты 8,50 кДж. а) Какова была передача тепла в этот двигатель? б) Каков КПД двигателя?
2. При 2,56 × 10 ⁶ Дж теплопередачи в этот двигатель данная циклическая тепловая машина может совершить только 1,50 × 10 ⁵ Дж работы. а) Каков КПД двигателя? б) Какой объем теплоты передается в окружающую среду?
3. (a) Какова мощность работы циклической тепловой машины с КПД 22,0 % и передачей тепла в двигатель 6,00 × 10 ⁹ Дж? б) Какой объем теплоты передается в окружающую среду?
4. (a) Каков КПД циклической тепловой машины, в которой на каждые 95,0 кДж теплопередачи в двигатель приходится 75,0 кДж теплопередачи в окружающую среду? б) Какую работу совершает тепловая передача 100 кДж в двигатель?
5. Двигатель большого корабля делает 2,00 × 10 ⁸ Дж работы с КПД 5,00%. а) Какая теплота передается окружающей среде? б) Сколько баррелей топлива израсходовано, если каждый баррель при сгорании дает теплоотдачу 6,00 × 10 ⁹ Дж?
6. (а) Какой объем теплоты передается в окружающую среду электростанцией, использующей 1,25 × 10 ¹⁴ Дж теплоотдачи в двигатель с КПД 42,0 %? б) Каково отношение теплопередачи в окружающую среду к произведенной работе? в) Какова работа?
7. Предположим, что турбины на угольной электростанции были модернизированы, что привело к повышению эффективности на 3,32%.