Какова роль нагревателя холодильника и рабочего тела в тепловом двигателе: Какова роль нагревателя, холодильника и рабочего тела в тепловом двигателе?

Содержание

Тепловые двигатели

Тип урока: урок изучения и закрепления новых
знаний.

Цель: изучить принцип действия теплового
двигателя, дать понятие о коэффициенте полезного
действия тепловых двигателей и путях его
повышения.

Задачи:

Образовательные:

Усвоить, что тепловые двигатели – устройство,
преобразующее внутреннюю энергию топлива в
механическую энергию.

Усвоить какова роль нагревателя, холодильника и
рабочего тела в работе тепловых двигателей.

Усвоить, что для непрерывного совершения
механической работы термодинамический цикл
должен быть замкнутым.

Развивающие:

Формировать умения определять работу и КПД
тепловых двигателей; выделять главное,
существенное; делать выводы; самостоятельно
получать знания; научить применять полученные
знания при решении задач;

Воспитательные:

Продолжить формирование познавательного
интереса учащихся; развивать умение
взаимодействовать, высказывать свою точку
зрения.

План урока

1. Организационный момент.

2. Актуализация знаний.

3. Изучение нового материала.

4. Закрепление знаний.

5. Сообщение домашнего задания.

Ход урока

I. Организационный момент.

Слайд №1-3

Определяются цели урока, освещается ход урока и
конечные результаты его проведения.

II. Актуализация знаний.

Слайд №4

Фронтальный опрос

1) Как определить изменение внутренней энергии
системы согласно первому закону термодинамики?

2) На что расходуется, согласно 1 закону
термодинамики, количество теплоты, подведенное к
системе?

3) Какой процесс называется адиабатным?

4) Сформулируйте 1 закон термодинамики для
адиабатного процесса.

5) За счет какой энергии совершается работа при
адиабатическом расширении газа?

6) Почему при адиабатическом расширении
температура газа падает, а при сжатии возрастает?

III. Изучение нового материала.

Изучение нового материала происходит в
процессе демонстрации эксперимента.

Преподаватель: Итак, мы знаем, что в
результате выполнения над газом работы или
передачи ему определенного количества теплоты
можно повысить его внутреннюю энергию и,
наоборот, за счет внутренней энергии газа может
быть произведена механическая работа.
Внутренняя энергия представляет собой один из
самых дешевых видов энергии. Ее можно легко
получить, сжигая разнообразные виды топлива,
используя энергию солнечных лучей и т.д. Вместе с
тем на производстве, транспорте, для работы
различных механизмов необходима механическая
энергия. Поэтому превращение внутренней энергии
в механическую чрезвычайно важно для
практической деятельности людей. Осуществляется
такое превращение с помощью тепловых двигателей.

Большая часть двигателей на планете – это
тепловые двигатели, т. е. устройства,
превращающие внутреннюю энергию топлива в
механическую энергию.

Слайд №5

Рассмотрим эксперимент.

Эксперимент

Высокий стакан с водой ставится на
электрическую плитку. Внутри воды помещена
перевернутая пробирка, частично заполненная
водой.

Вопрос: Как будет вести себя пробирка?

Слайды №6, 7

Ответ: По мере нагревания жидкости
прогревается воздух в пробирке. Он расширяется и
вытесняет часть воды из пробирки. В результате
этого уменьшается сила тяжести системы,
состоящей из пробирки и воды в ней. Как только
сила тяжести станет меньше выталкивающей силы,
произойдет всплытие. После соприкосновения
пробирки с наружным воздухом, она немного
остынет. Воздух сожмется, и вода зайдет в
пробирку, пробирка опустится на дно. И все это
неоднократно повторится.

Мы получили тепловую машину. При каждом цикле
совершается положительная работа по преодолению
трения пробирки при движении в воде. Если
пробирку “нагружать” снизу, а “разгружать”
вверху, то такую тепловую машину можно
использовать для подъема груза.

Если стакан закрыть, то температура верхних
слоев воды и воздуха повысится, и машина не будет
работать.

На этом примере можно проследить общие
принципы всех тепловых двигателей.

Принцип работы теплового двигателя

Слайды №8,9,10,11

Любой тепловой двигатель состоит из трех
основных частей: рабочего тела (газ или пар),
совершающего работу, нагревателя, сообщающего
энергию рабочему телу и холодильника,
поглощающего часть энергии от рабочего тела.

Получаем тепло от “нагревателя” Q₁и
передаем “холодильнику” Q₂, за счет того,
что Q_{1 >}Q₂и совершается работа.
Холодильником служит, как правило, атмосфера или
специальное устройство. Тепловая машина
работает циклично.

Сообщается, что: а)положительную работу
рабочее тело совершает при увеличении объема
вследствие нагревания или расширения, поэтому
наиболее удобным рабочим телом является пар или
газ, способные значительно изменять свой объем;

б)для непрерывной работы двигателя необходимо
рабочее тело периодически возвращать в
начальное состояние, т.е. осуществлять круговой
процесс;

в)для того, чтобы двигатель в результате
замкнутого цикла совершил положительную работу,
необходимо, чтобы работа при расширении рабочего
тела была больше, чем работа при его сжатии, т.е.
расширение протекало при более высоких
давлениях, чем сжатие.

КПД теплового двигателя.

Слайд №12.

Цикл Карно.

Слайды №11, 12, 13, 14, 15

В 1824 г.впервые французский инженер и ученый
Сади Карно в труде “Размышления о движущей силе
огня и о машинах, способных развивать эту силу”
вычислил максимально возможный КПД теплового
двигателя, работающего с нагревателем, имеющем
температуру Т₁ и холодильником с
температурой Т_2.

КПД не зависит от Q,p,Vтоплива. КПД – является
функцией только двух температур.

Из формулы коэффициента полезного действия
идеальной тепловой машины ?=(Т₁-Т₂)/Т₁
следует, что чем выше температура нагревателя Т₁и
ниже температура холодильника Т₂, тем
больше КПД теплового двигателя.

КПД был бы равен единице, если бы Т₂=0. Но
практически нельзя сделать холодильник с
температурой, равной абсолютному нулю. Для
паровой машины температура холодильника
ограничена той температурой, при которой при
данном давлении наступает конденсация пара.
Верхний предел определяется техническими
возможностями материала котла, так как с
увеличением температуры растет давление пара. В
двигателях внутреннего сгорания верхний предел
определяется температурой сгорания топлива,
нижний – температурой выхлопных газов.

Реальный КПД тепловых двигателей меньше
теоретического. Часть энергии идет на нагревание
самого двигателя, преодоление сил трения и т.д.

Слайды №16, 17 Реши задачу.

Слайд №18.

Значение КПД тепловых двигателей.

Слайд №19.

Способы повышения КПД тепловых двигателей.

Применение тепловых двигателей.

Слайды №20

Сообщения учащихся (2 чел.)

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды.

Слайды №21, 22

Сообщение учащегося.

IV. Закрепление знаний

Слайды №23-33

Мы познакомились с принципом действия
теплового двигателя, определением его КПД.

Далее предлагаю обучающимся проверить свои
знания и умения, полученные на уроке, ответив на
вопросы и решив задачи.

V. Сообщение домашнего задания

Слайд №34

Параграф 82, №676,677

Литература

1. Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев,Н.Н.Сотский.Физика 10
класс. Просвещение 2012г.

2. А.П. Рымкевич. Физика. Задачник 10-11 класс. – М.:
Дрофа, 2006г.

3. В.А.Касьянов Физика 10 класс. Дрофа 2012г.

4. В.А. Волков. Поурочные разработки по физике. 10
класс(Эксперимент). Москва “Вако” 2006г.

Конспект урока на тему: «Тепловые двигатели:»за» или «против»?»

Конспект
урока физики по теме: «Тепловые двигатели: «за» или «против»? »

(10
кл.)

Форма проведения:
урок-конференция.

Цель урока: обобщить
знания учащихся о современных тепловых двигателях, выяснить роль тепловых
двигателей в жизни мирового сообщества в целом и нашего региона в частности.

Задачи:

1) Образовательные: расширить
знания учащихся об истории открытия тепловых двигателей, познакомить с
устройством и принципом действия «необычных» тепловых двигателей, с ролью
тепловых двигателей в современном мире, раскрыть сущность связанных с ними
экологических проблем, обсудить пути решения этих проблем.

2) Развивающие
:
закрепить представления учащихся о классификации современных тепловых
двигателей, о применении этих двигателей в различных сферах человеческой жизни,
продолжить формирование навыков решения задач по определению КПД тепловых двигателей,
развитие интереса к изучаемому предмету.

3) Воспитательные: обратить
внимание учащихся на положительные и отрицательные стороны использования
тепловых двигателей, продолжить формирование активной жизненной позиции
учащихся, чувства гордости и уважения к соотечественникам – ученым и
изобретателям, убедить учащихся в жизненной важности бережного отношения к
окружающей среде.

Оборудование: ПК, интерактивная
доска или мультимедийный проектор с экраном.

Ход
урока:

1. Организационный
момент.

2. Актуализация
знаний:

Фронтальный
опрос по вопросам:

А) Какое
устройство называется тепловым двигателем ?

Б) Приведите
примеры тепловых двигателей.

В) Какова роль
нагревателя, холодильника и рабочего тела в тепловом двигателе?

Г) Что называется
КПД двигателя?

Д) Как рассчитать
максимальное значение КПД теплового двигателя?

3. Изучение
нового материала.

Учитель: На
сегодняшнем уроке — конференции, мы заслушаем доклады, посвященные истории
создания тепловых двигателей и их влиянию на жизнь человека. Доклады будут
сопровождаться показами слайдов из презентации «Тепловые двигатели :«за»
или «против»?» < Приложение № 1>.
По ходу урока учащиеся заполняют рабочую карту ученика
< Приложение № 2 >.

План конференции: < слайд 2 >

1. Классификация
современных тепловых двигателей.

2. Из истории
создания тепловых машин.

3. Тепловой
насос.

4. Двигатель
внешнего сгорания.

5. Пути
повышения КПД тепловых двигателей.

6. Применение
тепловых двигателей.

7. Экологические
проблемы использования тепловых двигателей.

Выступление
1 докладчика
< слайд 3 >

Современные
тепловые машины можно условно разделить на три группы : турбины, поршневые
двигатели ( ДВС) и реактивные двигатели. Каждая из групп, в свою очередь
делится на подгруппы. Турбины бывают паровые и газовые, поршневые двигатели –
карбюраторные и дизельные, реактивные двигатели – пороховые,
воздушно-реактивные и жидкостно-реактивные.

Учитель: « Ни одно
изобретение 18 столетия нельзя приписать одному лицу. Каждое изобретение имеет
своих авторов, но включает опыт целого ряда предшествующих открытий и
разработок ». Это высказывание Карла Маркса справедливо и для истории
изобретения тепловых двигателей.

Выступление 2
докладчика < слайды
4-11 >

Первым
устройством для превращения теплоты в работу была паровая пушка « Архитронито».
Ее название можно перевести как « сильный гром». Описание этого прибора имеется
у Леонардо да Винчи, приписывающего Архимеду. Прообразом теплового двигателя
считается созданный в 1 веке до н.э. выдающимся ученым и изобретателем того
времени Героном Александрийским так называемый « Эолипил». Он представлял собой
полый шар, который можно было заставить вращаться, разведя под ним огонь. По
существу, эолипил – это не что иное, как паровая реактивная турбина.

Первым
механическим двигателем, нашедшим практическое применение, была паровая
машина Томаса Сейвери, построенная в Англии в 1698 году. Она
предназначалась для осушения шахт и перекачивания воды. Первая удачная паровая
машина с поршнем была создана французом Дени Папеном в 1707 году. Она могла
приводить в действие насосы. Услышав о паровой машине Папена, Томас Ньюкомен
попытался построить более совершенную модель. Его паровая машина была
установлена на угольной шахте в Стаффордшире в 1712 году. Она оказалась на
редкость удачной и использовалась по всей Европе более 50 лет. Проект первой в
мире паровой машины, способной непосредственно приводить в действие любые
рабочие механизмы, предложил 25 апреля 1723 года русский изобретатель Иван
Иванович Ползунов. Его машина работала непрерывно, и все действия проходили в
ней автоматически. В 1766 году машина была сдана в эксплуатацию, но проработала
всего 3 месяца. Примерно в то же время в Англии над созданием паровой машины
работал шотландец Джеймс Уатт. Начиная с 1763 года, он занимался
усовершенствованием малоэффективной пароатмосферной машины Ньюкомена. И только в
1782 году Уатт создал первую универсальную машину двойного действия, которая
использовалась для приведения в действие станков прядильных и ткацких фабрик, а
позже – и других промышленных предприятий. Паровая машина Уатта стала
изобретением века, положившим начало промышленной революции.

Идея
создания ДВС родилась в 1674 году и принадлежит Дени Папену. Однако, при
первом же испытании, его машина была разрушена взрывом. Французский
изобретатель Этьен Ленуар в 1860 году применил искру для зажигания горючей смеси
в цилиндре ДВС. Он был компактным, легким и простым в эксплуатации, но его КПД
не превышал 5 %. В 1876 году немецкий конструктор Николаус Отто создал первый
четырехтактный ДВС, КПД которого был равен 22%. Двигатель Отто работал на смеси
светильного газа с воздухом, что было дорого. В 1880 году О.С.Костович в России
построил первый бензиновый карбюраторный двигатель. В таком двигателе
смешивание топлива с воздухом происходит вне цилиндра – в специальном узле –
карбюраторе. В 1897 году немецкий инженер Рудольф Дизель предложил двигатель с
воспламенением от сжатия, который теперь носит его имя – дизельный двигатель.
КПД дизеля – 44%.

В 1903
году К.Э. Циолковский предложил реактивный двигатель для космической ракеты, в
котором топливом служил бы жидкий водород, а окислителем – жидкий кислород. На
слайде дана схема такой ракеты, взятая из работы Циолковского. Подобная
жидкостно-реактивная ракета была создана в 1933 году под руководством С.П.
Королева. Дальнейшая успешная разработка ракетно-космической техники позволила
осуществить запуск первого в мире ИСЗ и полет вокруг Земли первого в мире
космонавта Ю.А. Гагарина.

Учитель: Может ли
холодное тело быть нагревателем? Нет? Вы ошибаетесь. Например, чтобы заморозить
начавшее таять мороженое, мы кладем его в «морозилку» холодильника. Мороженое
холоднее, чем воздух в комнате, но теплее, чем воздух в морозильной камере.
Значит мороженое будет нагревать воздух внутри холодильника. Спустя какое-то
время оно отдаст воздуху некоторое количество теплоты, охладится и перестанет
таять.

Выступление 3
докладчика < слайд 12 >

Как устроен
и работает холодильник? Радиатор –
чёрная решётка позади холодильника, испаритель – морозильная
камера внутри него и компрессор – насос с электродвигателем. Радиатор
и испаритель сделаны из металлической трубки, заполненной легко сжижающимся
газом – хладоном или другим газом.

Компрессор
откачивает хладон из испарителя и под большим давлением накачивает его в
радиатор. Поскольку при этом над хладоном совершается механическая работа, то,
согласно первому закону термодинамики, внутренняя энергия газообразного хладона
возрастает. Он нагревается приблизительно до 60–70 °С. Двигаясь по радиатору,
газообразный хладон передаёт свою теплоту воздуху в комнате и постепенно сам
охлаждается почти до комнатной температуры. Поскольку хладон сжат компрессором,
то есть находится под давлением, то по мере охлаждения в радиаторе он
постепенно становится жидким – конденсируется. В месте перехода трубки
радиатора в трубку испарителя (на рисунке отмечено синим кружком)
расположен дроссель – узкое отверстие. Дроссель препятствует
свободному циркулированию хладона, то есть способствует наличию высокого
давления в радиаторе. Поскольку из испарителя хладон постоянно откачивается
компрессором, то, продавливаясь через дроссель, сжиженный хладон попадает в
область низкого давления. При атмосферном давлении жидкий хладон кипит примерно
при +20 °С. В трубке испарителя давление ниже атмосферного, поэтому хладон
закипает и кипит там примерно при –20 °С, снова превращаясь в газ.
Вспомним, что кипение невозможно без постоянного поступления теплоты (Q = r·m).
Поэтому трубка испарителя интенсивно «отбирает» теплоту у продуктов в
морозильной камере. При этом продукты охлаждаются, а хладон в трубке
нагревается, и его температура возрастает примерно до –10 °С. Далее хладон
снова попадает в компрессор и продолжает циркулировать, становясь то жидким и
горячим, то газообразным и холодным. Как видите, холодильник не
«вырабатывает» холод, а является тепловым насосом. Он,
перемещая хладон по замкнутой системе трубок, тем не менее, «перекачивает»
теплоту из морозильной камеры наружу.

Тепловой
насос можно использовать не только в качестве холодильника или кондиционера;
его можно использовать и в роли обогревателя. Зимой, например, можно «отбирать»
теплоту у морозного воздуха за окном и передавать её воздуху в комнате. В
магазинах бытовой техники можно встретить «обратимые» кондиционеры, которые
летом перекачивают теплоту из комнаты на улицу, а зимой – с улицы в комнату.

Выступление 4
докладчика < слайды
13-15 >

В 1816
году Роберт Стирлинг ( Шотландия) изобрел воздушный двигатель. Он содержит
жидкость или газ, которые движутся в замкнутом объеме цилиндра, а топливо
сгорает не внутри, а вне двигателя. Поэтому двигатель Стирлинга относится к двигателям
внешнего сгорания. Он может работать от любого источника тепла!
Принцип работы двигателя заключается в постоянно чередуемых нагревании и
охлаждении рабочего тела (газа) в цилиндре с поршнем. Существует несколько
разных вариантов двигателя Стирлинга : α – стирлинг, β -стирлинг и γ –
стирлинг.

α –
стирлинг имеет 2 цилиндра, соединенных между собой через регенератор. Поршни прикреплены
шатунами к общему валу под углом 90º. Газ нагревается в горячем цилиндре, его
давление увеличивается. Поршень этого цилиндра опускается, а поршень холодного
цилиндра смещается вправо, проворачивая вал. Одновременно поршень горячего
цилиндра начинает выталкивать газ в холодный цилиндр через регенератор.
Регенератор охлаждает горячий газ с одной стороны, и нагревает холодный- с
другой. За счет этого экономится часть подводимой к двигателю энергии и КПД
повышается. Двигатель Стирлинга используется для приведения в действие водяных
насосов, используя энергию Солнца, а также для выработки электроэнергии.

Учитель: У всех
тепловых двигателей КПД невысок, он не достигает даже 50%. А это означает, что
более половины энергии, содержащейся в топливе, теряется. Перед учеными встал
вопрос: как повысить КПД? Как уменьшить потери?

Выступление 5
докладчика < слайды 16,17 >

Общий КПД
теплового двигателя складывается из 3 основных частей : термодинамического КПД,
механического КПД и топливной эффективности. Термодинамический КПД показывает,
какая часть выделяемого в двигателе тепла превращается в полезную работу, а
какая – уходит в окружающее пространство. Механический КПД показывает, какая
часть активной работы двигателя бесполезно тратится на преодоление различных
механических сопротивлений, а какая – передается потребителю. Топливная
эффективность показывает, какое количество топлива эффективно сгорело в
двигателе, а какая часть топлива не сгорает и идет на выхлоп в виде паров
топлива или продуктов его неполного сгорания. Исходя из выше сказанного для
повышения КПД двигателей необходимо:

1. Увеличение
разности температур нагревателя и холодильника.

2 .Уменьшение
трения частей двигателя .

3. Уменьшение
потерь топлива вследствие его неполного сгорания (улучшение качества топлива).

Т.о.
необходимо совершенствовать конструкцию двигателей.

Выступление 6 докладчика
< слайды 18-21 >

Применение
тепловых двигателей :

1. Турбинных: Паровые
турбины устанавливаются на тепловых электростанциях, где они приводят в
движение генераторы электрического тока, а также на всех атомных
электростанциях для получения пара высокой температуры. Также паровые турбины
ставятся на больших кораблях. Газовые турбины используются в газотурбинных
установках самолетов ИЛ-18, АН-22 ( Антей ). Они постепенно вытесняют паровые
турбины на водном транспорте особенно на кораблях военно-морского флота.
Газотурбинные двигатели мощностью до 440 Вт используют на большегрузных автомобилях.

2.
Поршневых: Самый распространённый тип современного теплового двигателя –
двигатель внутреннего сгорания (карбюраторный и дизельный) Они устанавливаются
на автомобилях, самолётах, танках, тракторах, моторных лодках , вертолетах и т.
д.

3. Реактивных:
В зависимости от того, используется или нет при работе реактивного двигателя
окружающая среда, их подразделяют на 2 основных класса – воздушно-реактивные и
реактивные. Наиболее широко они используются на летательных аппаратах, таких
как реактивные самолёты и ракеты-носители, а также в устройстве
метеорологических и боевых ракет.

Учитель: С
момента, когда была построена первая паровая машина, до настоящего времени
прошло более 240 лет. За это время тепловые машины сильно изменили жизнь
человека. Именно применение этих машин позволило человечеству шагнуть в космос,
раскрыть тайны морских глубин, значительно усовершенствовать промышленность,
сельское хозяйство и бытовую жизнь человека. Но у каждой «медали» есть своя
оборотная сторона, существуют и негативные последствия применения тепловых
двигателей.

Выступление 7 докладчика
< слайды 22-25 >

При работе
тепловых двигателей для охлаждения используется окружающая среда (атмосферный
воздух и вода открытых водоемов), в результате чего происходит повышение
температуры окружающей среды, называемое «тепловым загрязнением». Этот эффект
усиливается тем, что при сгорании огромного количества топлива повышается
концентрация углекислого газа в земной атмосфере. А при большой концентрации
углекислого газа атмосфера плохо пропускает тепловое излучение нагретой Солнцем
поверхности Земли, что приводит к «парниковому эффекту». Тепловые машины не
только сжигают кислород, но и выбрасывают в атмосферу углекислый газ, угарный
газ, различные виды сернистых соединений, а также соединения тяжелых металлов.
Сгорание топлива в топках промышленных предприятий и тепловых электростанций
почти никогда не бывает полным, поэтому происходит загрязнение воздуха золой,
хлопьями сажи. Во всем мире обычные энергетические установки выбрасывают в
атмосферу ежегодно более 200 млн. т золы и более 60 млн. т оксида серы. Кроме
промышленности, воздух загрязняют и различные виды транспорта, прежде всего
автомобильный. Жители больших городов задыхаются от выхлопных газов
автомобильных двигателей. Автомобиль стал причиной гиподинамии, главным
истребителем невосполнимых природных ресурсов, загрязнителем земли, воды и
воздуха, источником шума и опасности.

Пути
предотвращения вредных воздействий: переход электрических станций на ядерное
горючее, очистка дымовых газов от оксида серы, замена жидкого и твердого
топлива на газообразное. В больших городах следует заменить двигатели
внутреннего сгорания электродвигателями, т.е. шире использовать трамваи,
троллейбусы, развивать метрополитен, а в качестве индивидуального транспорта
использовать велосипеды или электровелосипеды, прокладывая для них специальные
дорожки. Наиболее перспективными считаются электромобили и автомобили с
двигателями, работающими на водороде. Продуктом сгорания в водородном двигателе
является обычная вода. Можно использовать автомобили, работающие на солнечной
энергии.

Учитель: Главными
источниками выбросов в атмосферу Архангельской области являются предприятия: ЦБК
Архангельска и Котласа, ТЭС Архангельска, Северодвинска, Новодвинска , «Северное
машиностроительное предприятие», «Звездочка» (г.Северодвинск). На долю автотранспорта
области приходится 26 % всех вредных выбросов. Особенно напряженная обстановка
имеет место в Архангельске и Новодвинске. Эти города входят в перечень городов
страны с наибольшим уровнем атмосферного загрязнения. Среди негативных
последствий на природу Архангельской области значительное место занимают полеты
космических аппаратов с космодрома Плесецк <
слайд 26 >.

В наше время люди, принимающие
ответственные технические решения, должны владеть основами естественных наук,
быть экологически грамотными, осознавать свою ответственность за
действия и понимать, какой вред они могут принести природе. По нашему мнению
автомобиль и другие тепловые двигатели в жизни и деятельности современной цивилизации
просто необходим. Но всякие недоработки научно-технического прогресса
необходимо устранять своевременно с той целью, чтобы сохранить в чистоте
окружающую среду. Поэтому всем нам необходимо задуматься над вопросом: тепловой
двигатель — это добро или зло? Решение этой проблемы в первую очередь зависит
от нас с вами < слайд 27 >.

4.Подведение итогов урока:
заполнение п.8 рабочей карты ученика < Приложение № 2
>.

5. Домашнее задание: повторить §82 [ 1 ], решить задачу [ 4 ]:

Мощность Архангельской ТЭС 450 МВт.
За сутки ТЭС потребляет 1400 т мазута. Определите КПД этой станции. Удельная
теплота сгорания мазута 3,9 * 10 ⁷
Дж / кг < слайд 28 >.

Литература:

1. Г.Я.
Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский «Физика 10 кл.». — Москва «Просвещение»,
2009г.

2. И.Г.
Кириллова « Книга для чтения по физике». — Москва «Просвещение», 1986г.

3. Н.И. Дятчин «История
развития техники: Учебное пособие». – Ростов-на-Дону «Феникс», 2001г.

4. « Региональный
компонент общего образования Архангельской области ». – Архангельск, 2006г.

5. Белогубова М.
«Экологические проблемы Архангельской области: причины обострения, пути
решения».- Архангельск, 1991г.

Применение термодинамики: тепловые насосы и холодильники

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

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

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

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

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

Тепловые насосы

Большим преимуществом использования теплового насоса для обогрева дома, а не просто сжигания топлива, является то, что тепловой насос обеспечивает Q _ч = Q _c + Вт . Теплопередача происходит от наружного воздуха, даже при минусовой температуре, во внутреннее пространство. Вы платите только за W , и вы получаете дополнительную теплоотдачу Q _c снаружи без затрат; во многих случаях в отапливаемое помещение передается как минимум в два раза больше энергии, чем используется для работы теплового насоса. Когда вы сжигаете топливо, чтобы согреться, вы платите за все это. Недостатком является то, что ввод работы (требуемый вторым законом термодинамики) иногда дороже, чем простое сжигание топлива, особенно если работа выполняется за счет электроэнергии.

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

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

Компрессор с электрическим приводом (рабочая мощность Вт ) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора, находящиеся внутри отапливаемого помещения. Поскольку температура газа выше температуры внутри помещения, происходит передача тепла в помещение, и газ конденсируется в жидкость. Затем жидкость возвращается через редукционный клапан к наружным змеевикам испарителя, охлаждаясь за счет расширения. (В цикле охлаждения змеевики испарителя и конденсатора меняются ролями, и направление потока жидкости меняется на противоположное.)

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

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

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

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

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

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

Стратегия

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

Раствор

Эффективность Карно по абсолютной температуре определяется как:

[латекс]Eff _{\text{C}}=1-\frac{T_{\text{c}}}{T_{\text{h}}} \\[/латекс].

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

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

Таким образом, из приведенного выше обсуждения

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

Обсуждение

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

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

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

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

Кондиционеры и холодильники

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

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

Снова отметив, что Q _h = Q _c + W , мы можем увидеть, что кондиционер будет иметь более низкий коэффициент полезного действия, чем тепловой насос, потому что [латекс]{COP}_ {\text{hp}}=\frac{Q_{\text{h}}}{W}\\[/latex] и Q _h больше Q _c . В задачах и упражнениях этого модуля вы покажете, что COP _ref = COP _л.с. − 1 для теплового двигателя, используемого либо в качестве кондиционера, либо в качестве теплового насоса, работающего между двумя одинаковыми температурами. Настоящие кондиционеры и холодильники, как правило, работают на удивление хорошо, имея значения COP _ref в диапазоне от 2 до 6. Эти числа лучше, чем 9.0019 COP _л.с. значения для тепловых насосов, упомянутых выше, потому что разница температур меньше, но они меньше, чем у двигателей Карно, работающих между теми же двумя температурами.

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

EER кондиционера или холодильника можно представить как

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

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

Стратегии решения задач по термодинамике

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

Резюме раздела

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

Концептуальные вопросы

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

Задачи и упражнения

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

Глоссарий

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

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

Избранные решения задач и упражнений

1. 4,82

3. 0,311

5. (a) 4,61; (б) 1,66 × 10 ⁸ Дж или 3,97 × 10 ⁴ ккал; (c) Для передачи 1,66 × 10 ⁸ Дж тепловой насос стоит 1,00 доллара США, природный газ стоит 1,34 доллара США.

7. 27,6ºC

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

Тепловые двигатели и холодильники

Для преобразования теплоты в работу необходимо как минимум два места
с разными температурами. Если вы возьмете в Q _{высокий} в
температура T _{высокая} необходимо сбросить как минимум Q _{младшая} ат
температура T _низкая . Объем работы, которую вы получаете от
тепловой двигатель W = Q _{высокий} — Q _низкий . Максимальный объем работы, который вы можете получить от
тепловой двигатель это сумма которую вы получите
из реверсивного двигателя.

W _макс = (Q _{высокий} — Q _низкий ) _{реверсивный} = Q _{высокий} — Q _{высокий} T _низкий /T _{высокий} = Вопрос _{старший} (1 — T _низкий /T _{высокий} ).

W является положительным, если T _high больше T _low .

КПД тепловой машины
отношение полученной работы к затраченной тепловой энергии
температура, e = W/Q _{высокая} . Максимально возможное
КПД е _макс такого двигателя

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

Паровые двигатели

Паровая машина — это тип тепловой машины. Он забирает тепло от
горячий пар, преобразует часть этого тепла в полезную работу и сбрасывает
отдохнуть на более холодном окружающем воздухе. Максимальная доля тепла
которые можно превратить в работу, можно найти, используя законы
термодинамики, и она увеличивается с разницей температур между
горячий пар и окружающий воздух. Чем горячее пар и
чем холоднее воздух, тем эффективнее паровая машина при преобразовании
тепло в работу.

В типичном паровом двигателе поршень движется вперед и назад внутри
цилиндр. В котле вырабатывается горячий пар высокого давления.
этот пар поступает в цилиндр через клапан. Однажды внутри
цилиндр, пар выталкивается наружу на каждую поверхность, включая
поршень. Поршень движется. Пар совершает механическую работу над
поршень, а поршень совершает механическую работу над присоединенными механизмами
к этому. Расширяющийся пар передает часть своей тепловой энергии
это оборудование, так что пар становится холоднее, когда оборудование работает.

Когда поршень достигает конца своего диапазона, клапан останавливает
поток пара и открывает цилиндр для наружного воздуха.
после этого поршень может легко вернуться. Во многих случаях допускается использование пара.
введите другой конец цилиндра так, чтобы пар толкал поршень
вернуться в исходное положение. Как только поршень вернется в исходное положение
начальной точки, клапан снова впускает пар высокого давления в
цилиндр и весь цикл повторяется. В общем, тепло идет.
от горячего котла к более прохладному окружающему воздуху и части этого тепла
преобразуется в механическую работу движущимся поршнем.
максимальный КПД паровой машины e _max = (T _пар — T _воздух )/T _пар . Фактическая эффективность
обычно намного ниже.

Внешняя ссылка: Паровоз (Youtube)

Проблема:

Максимум
возможный КПД паровой машины, принимающей теплоту при 100 ^o С
и сброс его при комнатной температуре примерно 20 ^o C?

Решение:

Обоснование:
Максимальный КПД любой тепловой машины равен КПД двигателя Карно. e _макс. = (T _{высокий} — T _низкий )/T _{высокий} .
Детали расчета:
100 ^o C = 373 K и 20
^o С = 293 К.
максимально возможная эффективность
(T _{высокий} — T _низкий )/T _{высокий} = (373 —
293)/373 = 0,21 = 21%.

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания сжигает смесь топлива и воздуха.
Наиболее распространенным типом является четырехтактный двигатель. Поршень скользит в
и из цилиндра. Два или более клапана позволяют топливу и
воздух для входа в цилиндр и газы, которые образуются, когда топливо и воздух
сжечь, чтобы покинуть цилиндр. Когда поршень скользит вперед и назад
внутри цилиндра изменяется объем, который могут занимать газы
кардинально.

Процесс преобразования теплоты в работу начинается, когда поршень
вытащили из цилиндра, расширив замкнутое пространство и позволив
топливо и воздух поступают в это пространство через клапан. Это движение
называется тактом впуска или тактом впуска . Далее топливо и
воздушная смесь сжимается, вдавливая поршень в
цилиндр. Это называется сжатием .
ход . В конце такта сжатия при
топливно-воздушная смесь сжата максимально плотно, свеча зажигания
в запаянном конце цилиндра срабатывает и воспламеняет смесь.
Горячее горящее топливо имеет огромное давление и толкает поршень.
из цилиндра. это рабочий ход обеспечивает мощность двигателя и навесного оборудования.
Наконец, сгоревший газ выдавливается из цилиндра через другой
клапан такта выпуска .
Эти четыре удара повторяются снова и снова. Самый внутренний
двигатели внутреннего сгорания имеют не менее четырех цилиндров и поршней. Там
всегда хотя бы один цилиндр проходит рабочий такт, и это
может нести другие цилиндры через нерабочие такты.
максимальный КПД такого двигателя е _max = (T _{зажигание} — T _воздух )/T _{зажигание} где T _{зажигание}
— температура топливно-воздушной смеси после воспламенения. К
максимизировать эффективность использования топлива, вы должны создать максимально горячую
топливно-воздушной смеси после зажигания. Самая высокая эффективность, которая
было достигнуто примерно 50% e _max .

Внешняя ссылка: Внутреннее сгорание
двигатель (Ютуб)

Проблема:

Тепловая машина поглощает 360 Дж тепловой энергии и совершает 25 Дж работы в
каждый цикл. Найти
(а) КПД двигателя и
б) тепловая энергия, выделяемая в каждом цикле.

Решение:

Рассуждение:
Количество работы, которую вы получаете от тепловой машины, равно W = Q _{высокое} — Q _низкое.

Эффективность e = W/Q _high .
Детали расчета:
Q _{высокая} = 360 Дж. W = 25 Дж. Q _низкая = Q _{высокий} — W = 335
J.
(a) Эффективность e = W/Q _{высокая} = 6,9%.
(b) Выделяемая тепловая энергия Q _низкая = 335 Дж.

Теплота сама по себе не может течь от холодного объекта к горячему — это один из способов сформулировать второй
закон термодинамики. Если бы мог, то сбрасывал тепло на Т _низкий
могли просто стекать обратно в водохранилище на Т _{высокий} и сеть
эффектом будет количество тепла ΔQ = Q _{высокое} — Q _низкое
взятый на Т _{высокий} и преобразованный в работу ни с чем другим
изменения в системе.

Предположим, вы хотите взять тепло из места с низкой температурой и сбросить
это в месте с более высокой температурой T _{и высокой} . Вы хотите
построить холодильник или
кондиционер . Для
такое устройство мы определяем коэффициент
производительность КПД как отношение количества тепла, отводимого при
более низкая температура работы, вложенной в систему (т.е.
двигатель).

COP = Q _низкий /(-W) = Q _низкий /(Q _{высокий} — Q _низкий ).

Наилучший возможный коэффициент полезного действия

COP _макс. = Q _низкий /(Q _{высокий} — Q _низкий ) _макс = Q _низкий /(Q _низкий (T _{высокий} /T _низкий ) _{— Q _низкий ) = T _низкий /(T _{высокий} — 0 _низкий),}

, если у нас есть реверсивный двигатель, перемещающий тепло. Для настоящего
двигатель Q _{высокий} больше, чем Q _низкий T _{высокий}/T _низкий,
и коэффициент полезного действия меньше.

Для холодильника, поддерживающего внутреннюю температуру 4 ^o С =
277 K в помещении при 22 ^o C = 299 K наилучшее возможное
коэффициент полезного действия COP _max = 277/(299 — 277) =
12.6. Наилучшее соотношение количества отводимой теплоты к
проделанная работа равна 12,6. Тепло не может течь изнутри обычного
холодильник в более теплое помещение, если мы не подключим электродвигатель
который работает на хладагенте.

Кондиционер — это холодильник, внутри которого находится охлаждаемое помещение (T _номер = T _низкий ) и чья внешняя сторона находится на свежем воздухе (T _{внешняя} = T _{высокий} ). В кондиционере используется материал
называют «рабочей жидкостью» для передачи тепла из помещения в
свежий воздух. Рабочая жидкость – это материал, который преобразует
легко из газа в жидкость и наоборот в широком диапазоне
температуры и давления. Эта рабочая жидкость движется через
три основных компонента кондиционера, компрессор г.
конденсатор ,
и испаритель в непрерывном цикле.

Рабочая жидкость поступает в испаритель внутри помещения в виде
жидкость низкого давления примерно при температуре наружного воздуха.
Испаритель обычно представляет собой змеевидную трубу. Жидкость
немедленно начинает испаряться и превращается в газ. В процессе
поэтому он использует свою тепловую энергию, чтобы отделить свои молекулы от одного
другой и становится очень холодно. Тепло поступает из помещения в
этот холодный газ. Рабочая жидкость покидает испаритель в виде
газ низкого давления немного ниже комнатной температуры и направляется в сторону
компрессор.
Поступает в компрессор в виде газа низкого давления
примерно при комнатной температуре. Компрессор сжимает молекулы
этого газа ближе друг к другу, увеличивая плотность и давление газа.
Поскольку сжатие газа связано с физической работой, компрессор передает
энергию рабочей жидкости, и эта жидкость становится более горячей.
рабочая жидкость выходит из компрессора в виде газа под высоким давлением значительно выше
наружная температура воздуха.
Затем рабочая жидкость поступает в
конденсатор снаружи, который обычно представляет собой змеевидную трубу.
Так как жидкость горячее окружающего воздуха, тепло уходит из
жидкости и в воздух. Затем жидкость начинает конденсироваться в
жидкость и отдает дополнительную тепловую энергию при конденсации.
Эта дополнительная тепловая энергия также передается в виде тепла в наружный воздух.
Рабочая жидкость выходит из конденсатора в виде жидкости под высоким давлением при
примерно температура наружного воздуха. Затем он протекает через
сужение трубы в испаритель. Когда жидкость идет
через сужение в трубе давление в ней падает и она попадает в
испарителя в качестве жидкости низкого давления. Цикл повторяется.

В целом тепло отводится из помещения и доставляется в
наружный воздух. Компрессор при этом потребляет электроэнергию.
процесс, и эта энергия также становится тепловой энергией в наружном воздухе.
Максимальный коэффициент такого кондиционера КПД _max
= T _{комната} /(T _{снаружи} — T _{комната} ).
Холодильники и тепловые насосы работают по одному и тому же принципу.

А тепловой насос — это холодильник, чей
внутри — это великолепная природа, а снаружи — комната, которую нужно отапливать.
коэффициент полезного действия теплового насоса – это отношение отдаваемой энергии
при более высокой температуре работы, вложенной в систему, COP = Q _{высокий} / (Q _{высокий} — Q _низкий ). Наилучший возможный коэффициент полезного действия

COP _макс. (тепловой насос) = (Q _{высокий} /(Q _{высокий} — Q _низкий )) _макс.
= T _{высокий} /(T _{высокий} — T _низкий ) = T _{комнатный} /(T _{комнатный} — Т _{снаружи} )

Если наружная температура равна 41 ^o F = 5 ^o C = 278 K и
комнатная температура 77 ^o F = 25 ^o C = 298K, тогда COP _макс. = 298/(298 — 278) = 14,9. Однако, если температура наружного воздуха опустится до 14
^или F = -10 ^o C = 263 K, тогда E _max = 298/(298 — 263) = 8,5.

Примечание: КПД холодильника/кондиционера и
КПД теплового насоса определяются по-разному. Мы
всегда интересуются, сколько работы мы должны сделать или сколько полезной энергии
мы должны инвестировать, чтобы чего-то добиться. Для холодильника или воздуха
кондиционер нас интересует насколько эффективно отводится тепло от более холодного
внутри за заданный объем выполненной работы. Для теплового насоса нас интересует
в том, насколько эффективно тепло доставляется к более горячему внутри для данного количества
работа выполнена. Коэффициент полезного действия дает нам эти соотношения.

Внешняя ссылка:
цикл охлаждения (Youtube)

Проблема:

Какой КПД холодильника, работающего с
Эффективность Карно между температурами от -3 ^o C до 27 ^o C?

Решение:

Рассуждение:
Для холодильника COP _max = T _{младшая} /(T _{младшая} — T _{младшая} ).
Детали расчета:
Наилучший возможный коэффициент полезного действия
COP _макс. = T _{младшая} /(T _{младшая} — T _{младшая} ) =
270/(300 — 270) = 9,

Проблема:

Холодильник имеет коэффициент полезного действия, равный 5. Если
холодильник поглощает 120 Дж тепловой энергии из холодного резервуара в каждом
цикл, найти
а) работу, выполненную в каждом цикле, и 90 577
б) тепловая энергия, отводимая в горячий резервуар.

Решение:

Рассуждение:
Для холодильника коэффициент полезного действия COP = Q _low /(-W).

Posted inПопулярное