Теплово́й дви́гатель — устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры. (Возможно использование изменения не только объёма, но и формы рабочего тела, как это делается в твёрдотельных двигателях, где в качестве рабочего тела используется вещество в твёрдой фазе.) Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики. Для работы необходимо создать разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Для работы двигателя обязательно наличие топлива. Это возможно при нагревании рабочего тела (газа), который совершает работу за счёт изменения своей внутренней энергии. Повышение и понижение температуры осуществляется, соответственно, нагревателем и охладителем.
История
Первой известной нам тепловой машиной была паровая турбина внешнего сгорания, изобретённая во ΙΙ (или в Ι ?) веке н. эры в римской империи. Это изобретение не получило своего развития предположительно из-за низкого уровня техники того времени (например, тогда ещё не был изобретён подшипник).
Теория
Работа, совершаемая двигателем, равна:
- , где:
- — количество теплоты, полученное от нагревателя,
- — количество теплоты, отданное охладителю.
Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя рассчитывается как отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:
Часть теплоты при передаче неизбежно теряется, поэтому КПД двигателя менее 1. Максимально возможным КПД обладает двигатель Карно. КПД двигателя Карно зависит только от абсолютных температур нагревателя() и холодильника():
Типы тепловых двигателей
Двигатель Стирлинга
Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания
ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию. По роду топлива различают жидкостные и газовые; по рабочему циклу непрерывного действия, 2- и 4-тактные; по способу приготовления горючей смеси с внешним (напр., карбюраторные) и внутренним (напр., дизели) смесеобразованием; по виду преобразователя энергии поршневые, турбинные, реактивные и комбинированные. Коэффициент полезного действия 0,4-0,5. Первый двигатель внутреннего сгорания сконструирован Э. Ленуаром в 1860. В наше время чаще встречается автомобильный транспорт, который работает на тепловом двигателе внутреннего сгорания, работающем на жидком топливе. Рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня, за четыре такта. Поэтому такой двигатель и называется четырёхтактным. Цикл двигателя состоит из следующих четырёх тактов: 1.впуск, 2.сжатие, 3.рабочий ход, 4.выпуск.
Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания
Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в базовом режиме. Таким образом колёса локомотива (электровоза) также, как и в 19 веке, вращает энергия пара. Но тут есть два существенных отличия. Первое отличие заключается в том, что паровоз 19 века работал на качественном дорогом топливе, например на антраците. Современные же паротурбинные установки работают на дешевом топливе, например на канско-ачинском угле, который добывается открытым способом шагающими экскаваторами. Но в подобном топливе много пустого балласта, который транспорту не приходится возить с собой вместо полезного груза. Электровозу не надо возить не только балласт, но и топливо вообще. Второе отличие заключается в том, что тепловая электрическая станция работает по циклу Ренкина, который близок к циклу Карно. Цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм. Цикл Ренкина состоит из двух адиабат, изотермы и изобары с регенерацией тепла, которая приближает этот цикл к идеальному циклу Карно. На транспорте трудно сделать такой идеальный цикл, так как у транспортного средства есть ограничения по массе и габаритам, которые практически отсутствуют у стационарной установки.
Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания
Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в пиковом режиме. Порой в качестве газотурбинной установки используют списанные по технике безопасности воздушно-реактивные двигатели.
Реактивные и ракетные двигатели
Твёрдотельные двигатели
(источник журнал “Техника молодёжи“)== == Здесь в качестве рабочего тела используется твёрдое тело. Здесь изменяется не объём рабочего тела, а его форма. Позволяет использовать рекордно малый перепад температур.
Виды тепловых двигателей
Тепловыми двигателями считают машины, которые совершают работу за счет получаемой теплоты.
К часто используемым тепловым двигателям отнесем:
- паросиловые станции, паровые поршневые двигатели;
- двигатели внутреннего сгорания, например, бензиновые двигатели, дизельные двигатели, реактивные двигатели.
Принципы работы тепловых двигателей
Тепловой двигатель преобразовывает теплоту в механическую работу. В тепловом двигателе нагреваемый пар расширяясь, давит на поршень и производит работу.
Тепловой двигатель состоит из:
- нагревателя;
- холодильника;
- рабочего тела, пара или газа, находящегося в емкости с поршнем, который может расширяться и сжиматься.
При конструировании теплового двигателя задача заключается в том, чтобы создать такие условия, при которых газ будет попеременно соприкасаться с нагревателем и холодильником.
- Контактируя с нагревателем, рабочее тело нагревается, расширяется и совершает работу.
- Соприкасаясь с холодильником газ сжимается, поршень уходит в первоначальное положения, работа совершается над рабочим телом.
- Цикл может начинаться сначала.
Готовые работы на аналогичную тему
Одной из первых машин, в которой человек использовал солнечную энергию, была ветряная мельница. В такой мельнице вращение крыльев при дуновении ветра приводит в действие вал, который совершает работу. Для появления ветра нужно, чтобы имелась разность давлений, которая появляется в результате температурной разницы в частях атмосферы. Ветер – это конвекционное перемещение атмосферы, вызванное ее неравномерным нагревом.
Так, энергия Солнца использовалась для получения работы в ветряном двигателе.
Периодически повторяющееся выполнение работы в результате охлаждения тел возможно, если тепловая машина не только получает теплоту от нагревателя, но и часть ее передает холодильнику (телу с более низкой температурой). На выполнение работы уходит только часть теплоты нагревателя, остальная теплота переходит к холодильнику.
Определение 1
Тепловым двигателем называют машину, которая производит механическую работу за счет обмена теплотой с окружающими телами.
Большая часть тепловых двигателей нагревание происходит за счет сгорания топлива, в результате этого процесса нагреватель обладает достаточно высокой температурой. При этом работа выполняется за счет внутренней энергии смеси топлива и кислорода из атмосферы.
Имеются тепловые двигатели, в которых нагревание выполняет Солнце. Проектируются машины, применяющие разницу температур воды в море.
Существуют и работают тепловые машины, которые используют теплоту, выделяемую в ядерном реакторе, при расщеплении и преобразовании ядер атомов.
Паровая машина
Первыми были сконструированы паровые поршневые двигатели (или паровые машины). Позднее на их основе были созданы паровые турбины.
Рабочим телом в этих двигателях обычно является водяной пар (возможны пары других веществ). Поршневые двигатели сейчас применяют редко, на железнодорожном и водном транспорте.
Паровые турбины используются на больших электростанциях и кораблях.
Паровой двигатель кроме основных элементов теплового двигателя имеет несколько вспомогательных устройств. Вся совокупность компонент парового двигателя называется паросиловой станцией. В паровом двигателе осуществляет циркуляцию вода. Она становится паром в котле, выполняет работу в турбине, снова становится водой в барабане. Затем она отправляется при помощи насоса через сборный бак в котел. Оборот воды в паросиловой станции изображен на схеме рис.1
Рисунок 1. Паровой двигатель. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В схеме, изображенной на рис.1 нагреватель – это котел, а холодильник – конденсатор, который охлаждается проточной водой. Поскольку в установке циркулирует одна и также вода, то накипи практически не образуется. Накипь влияет на КПД котла, уменьшая его.
Паровой котел — это топка и собственно котел. Топливо сжигают в топке. Сам котел составлен из барабана и труб, которые через свои стенки передают теплоту газов, нагретых при сгорании топлива, воде. Вода нагревается и превращается в пар. Энергия топочных газов не полностью передается воле, ее часть рассеивается. Потери энергии происходят и при неполном сгорании топлива.
Далее по паропроводу пар попадет в турбину. Турбина — это стальной цилиндр с валом внутри него. На валу укреплены рабочие колеса с изогнутыми лопатками. Между рабочими колесами имеются направляющие лопатки. Пар заставляет рабочее колесо вращаться, попадая на рабочие лопатки. В турбине пар увеличивает свой объем, при этом его температура уменьшается.
Турбина способна совершать вращение только в одном направлении, скорость ее вращение изменяется не очень сильно. Это удобно для вращения электрогенераторов.
КПД паросиловой станции может достигать 27%. Часть потерь энергии вызвана несовершенством конструкции и потерями, которые происходят при охлаждении пара водой в конденсаторе.
Теория дает следующий вывод, что КПД тепловой машины не может быть больше, чем:
$\eta =\frac{T_1-T_2}{T_1}\left(1\right),$
где $T_1$ — температура нагревателя; $T_2$ — температура холодильника.
Двигатель внутреннего сгорания
Сжигание топлива можно производить вне цилиндра, в котором происходит расширение рабочего тела (газа), такой двигатель называют двигателем внешнего сгорания. Примером двигателей внешнего сгорания могут быть:
- паровая машина;
- турбина.
Двигатели, у которых сжигание топлива происходит внутри камеры сгорания, называют двигателями внутреннего сгорания. Примерами двигателей внутреннего сгорания могут быть:
- бензиновый двигатель;
- дизель;
- реактивный двигатель.
Двигатель внутреннего сгорания в настоящее время является самым распространенным тепловым двигателем. Он работает:
- на автомобильном транспорте,
- самолетах,
- моторных лодках,
- танках и т. д.
Топливом для двигателей внутреннего сгорания может служить:
- жидкое топливо, такое как бензин, керосин;
- газ.
Рассмотрим четырехтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания.
Основная часть этого двигателя – один или несколько цилиндров, где сжигается топливо. Во внутренности цилиндра движется поршень. Поршень имеет вид полого цилиндра, закрытого с одной стороны. Этот цилиндр опоясан пружинными кольцами, которые вложены в канавки на поршне. Данные кольца должны не пропускать газы, которые появляются как результат сжигания топлива, в отсек между поршнем и стенками цилиндра.
Поршень имеет стержень из металла (палец), который соединяет поршень с шатуном. Шатун передает движение от поршня к коленчатому валу.
В работе данного двигателя выделяют четыре этапа:
- Всасывание горючей смеси в цилиндр из карбюратора.
- Сжатие горючей смеси. При этом впускной клапан закрывается, поршень двигается сжимает смесь. Смесь повышает свою температуру.
- Сгорание смеси. При достижении некоторого положения поршнем смесь загорается от электрической искры, которую дает свеча. Давление газов заставляет поршень двигаться вниз. Поршень передает свое движение коленчатому валу, так совершается работа. Выполняя работу и увеличивая свой объем продукты сгорания уменьшают свою температуру, давление уменьшается. По окончании рабочего хода давление в цилиндре становится равным атмосферному.
- Выхлоп отработанных продуктов горения. При этом открывается выпускной клапан, продукты горения через глушитель попадают в атмосферу.
Температура газов, которые получаются в двигателе внутреннего сгорания довольно большая (более 1000 градусов Цельсия), следовательно, они должны давать КПД выше, чем у паровых двигателей. В реальной действительности КПД двигателя внутреннего сгорания составляет 20-30%. Энергия сгорания топлива в нем расходуется так:
- 40% идет на охлаждение цилиндра с водой;
- 25% уносят отработанные газы;
- 10% забирает трение;
- 25% полезная работа.
Существуют не только четырехтактные, но и двухтактные двигатели внутреннего сгорания.
К преимуществам двигателя внутреннего сгорания относят:
- компактность,
- небольшую массу.
Недостатками таких двигателей являются:
- потребности в топливе высокого качества;
- отсутствие возможности получения с его помощью малой частоты вращения.
Физический класс | Тепловые двигатели «
Проблема: как превратить тепло в механическую работу?
Газ, получает от нагревателя количество теплоты Q и, расширяясь, совершает работу A1>0.
Если сжатии газа происходит при той же температуре, то такое же количество теплоты передается холодильнику, и газ совершает работу A2<0.
Полезная работа в таком цикле A=A1+A2=0
Что необходимо сделать, чтобы работа в системе отличалась от нуля?
Для получения полезной работы, необходимо, чтобы A2
Французский инженер Сади Карно предложил следующий цикл, используя в качестве рабочего тела идеальный газ:
1. Газ изотермически расширяется при температуре Т1. Работа, совершаемая газом, равна количеству теплоты, полученной от нагревателя A1,2=Q1.
2. Газ продолжает расширяться адиабатно , совершая работу за счет уменьшения внутренней энергии газа A2,3=-DU1.
3. Газ изотермически сжимается внешними силами при температуре Т2 без изменения внутренней энергии газа. При этом газ отдает холодильнику количество теплоты, равное работе внешних сил -Q2=A3,4.
4. Газ продолжает сжиматься внешними силами адиабатно . Внутренняя энергия растет, т.к. процесс идет без теплообмена с внешней средой A4,1=DU2.
Т.о., для осуществления циклического процесса устройство должно содержать не тольконагреватель, но и холодильник. Полезный выход работы может быть получен только в процессе передачи тепла от горячего тела более холодному.
Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.
Из формулы видно, что коэффициент полезного действия теплового двигателя h=1, если Q2=0. Но при этом двигатель не будет циклическим. Даже в идеальном случае Q2 неравно 0. Тогда второй закон термодинамики можно сформулировать следующим образом:
В циклически действующем тепловом двигателе невозможно преобразовать все количество теплоты, полученное от нагревателя, в механическую работу.
У. Кельвин, 1851 г.
С. Карно доказал, что . Т.о. коэффициент полезного действия идеального теплового двигателя (формула Карно)Из второго закона термодинамики следует:
1. Не может быть никакой тепловой машины с более высоким КПД, чем у цикла Карно.
Практически невозможно осуществить условия: T1 стремитсяк бесконечности и Т2 = 0. Поэтому даже у идеального теплового двигателя h<1.
2. Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя Т1 и холодильника Т2, но не зависит от устройства машины, а также от вида используемого рабочего тела.
Тепловые двигатели и их применение
Вопросы для самоконтроля по блоку «Тепловые двигатели»
- Что называют тепловым двигателем?
- Как устроен тепловой двигатель?
- Как определяют работу, совершенную двигателем?
- Запишите и объясните формулу КПД теплового двигателя.
- Как определить КПД идеальной тепловой машины?
- Назовите типы тепловых двигателей.
- Приведите примеры использования тепловых двигателей.
Опорный конспект:
Физика, 10 класс
Урок 25. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей
Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
1) Понятие теплового двигателя;
2)Устройство и принцип действия теплового двигателя;
3)КПД теплового двигателя;
4) Цикл Карно.
Глоссарий по теме
Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.
КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.
Двигатель внутреннего сгорания – двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя.
Реактивный двигатель – двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.
Цикл Карно – это идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов.
Нагреватель – устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет на совершение работы.
Холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела (окружающая среда или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара, т.е. конденсаторы).
Рабочее тело — тело, которое расширяясь, совершает работу (им является газ или пар)
Основная и дополнительная литература по теме урока:
1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 269 – 273.
2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.: Дрофа,2014. – С. 87 – 88.
Открытые электронные ресурсы по теме урока
http://kvant.mccme.ru/1973/12/teplovye_mashiny.htm
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Сказки и мифы разных народов свидетельствуют о том, что люди всегда мечтали быстро перемещаться из одного места в другое или быстро совершать ту или иную работу. Для достижения этой цели нужны были устройства, которые могли бы совершать работу или перемещаться в пространстве. Наблюдая за окружающим миром, изобретатели пришли к выводу, что для облегчения труда и быстрого передвижения нужно использовать энергию других тел, к примеру, воды, ветра и т.д. Можно ли использовать внутреннюю энергию пороха или другого вида топлива для своих целей? Если мы возьмём пробирку, нальём туда воду, закроем её пробкой и будем нагревать. При нагревании вода закипит, и образовавшие пары воды вытолкнут пробку. Пар расширяясь совершает работу. На этом примере мы видим, что внутренняя энергия топлива превратилась в механическую энергию движущейся пробки. При замене пробки поршнем способным перемещаться внутри трубки, а саму трубку цилиндром, то мы получим простейший тепловой двигатель.
Тепловой двигатель – тепловым двигателем называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.
Вспомним строение простейшего двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень. Поршень с помощью шатуна соединяется с коленчатым валом. В верхней части каждого цилиндра имеются два клапана. Один из клапанов называют впускным, а другой – выпускным. Для обеспечения плавности хода поршня на коленчатом вале укреплен тяжелый маховик.
Рабочий цикл ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.
Во время первого такта открывается впускной клапан, а выпускной клапан остается закрытым. Движущийся вниз поршень засасывает в цилиндр горючую смесь.
Во втором такте оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.
В третьем такте, когда поршень оказывается в верхнем положении, смесь поджигается электрической искрой свечи. Воспламенившаяся смесь образует раскаленные газы, давление которых составляет 3 -6 МПа, а температура достигает 1600 -2200 градусов. Сила давления толкает поршень вниз, движение которого передается коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок маховик будет дальше вращаться по инерции, обеспечивая движение поршня и при последующих тактах. Во время этого такта оба клапана остаются закрытыми.
В четвертом такте открывается выпускной клапан и отработанные газы движущимся поршнем выталкиваются через глушитель (на рисунке не показан) в атмосферу.
Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента: нагреватель, рабочее тело, холодильник.
Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.
Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.
Q1 – количество теплоты полученное от нагревания
Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику
– работа, совершаемая двигателем за цикл.
Этот КПД является реальным, т.е. как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.
Зная мощность N и время работы t двигателя работу, совершаемую за цикл можно найти по формуле
Передача неиспользуемой части энергии холодильнику.
В XIX веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ определения КПД (через термодинамическую температуру).
Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Сади Карно, выясняя при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из 2 адиабатных и двух изотермических процессов
Цикл Карно — самый эффективный цикл, имеющий максимальный КПД.
Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.
Формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1.
Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.
Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.
Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.
Тепловые двигатели – паровые турбины, устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном – поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном – двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на железнодорожном – тепловозы с дизельными установками; в авиационном – поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.
Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.
КПД:
Паровой двигатель – 8%.
Паровая турбина – 40%.
Газовая турбина – 25-30%.
Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.
Дизельный двигатель – 40– 44%.
Реактивный двигатель – 25%.
Широкое использование тепловых двигателей не проходит бесследно для окружающей среды: постепенно уменьшается количество кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, воздух загрязняется вредными для здоровья человека химическими соединениями. Возникает угроза изменения климата. Поэтому нахождение путей уменьшения загрязнения окружающей среды является сегодня одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.
Примеры и разбор решения заданий
1. Какую среднюю мощность развивает двигатель автомобиля, если при скорости 180 км/ч расход бензина составляет 15 л на 100 км пути, а КПД двигателя 25%?
Дано: v=180км/ч = 50 м/с, V = 15 л = 0,015 м3, s = 100 км = 105 м, ɳ = 25% = 0,25, ρ = 700 кг/м3, q = 46 × 106 Дж/кг.
Найти: N.
Решение:
Запишем формулу для расчёта КПД теплового двигателя:
Работу двигателя, можно найти, зная время работы и среднюю мощность двигателя:
Количество теплоты, выделяющееся при сгорании бензина, находим по формуле:
Учитывая всё это, мы можем записать:
Время работы двигателя можно найти по формуле:
Из формулы КПД выразим среднюю мощность:
.
Подставим числовые значения величин:
После вычислений получаем, что N=60375 Вт.
Ответ: N=60375 Вт.
2. Тепловая машина имеет КПД 25 %. Средняя мощность передачи теплоты холодильнику составляет 4 кВт. Какое количество теплоты рабочее тело получает от нагревателя за 20 с?
Дано: ɳ = 25%, N = 4000 Вт, t = 20 с.
Найти: Q1.
Решение
=
– это количество теплоты, отданное холодильнику
Тепловые двигатели. Виды тепловых двигателей
Тепловой двигатель — это аппарат, который совершает работу за счет использования энергии топлива. Машина, работающая на таком двигателе, превращает тепловую энергию в механическую и применяет зависимость расширения вещества от значения температуры.
Первая тепловая машина появилась в Римской империи. Это была турбина внешнего сгорания, работающая на пару. Но из-за низкого развития техники это изобретение не получило развития. На прогресс оно никак не повлияло и вскоре было забыто. Позже в Китае появилось пороховое орудие и пороховая ракета. Это было сравнительно простое устройство. С точки зрения механики пороховая ракета не являлась тепловым двигателем, а с точки зрения физики являлась тепловой машиной. Уже в 17 веке ученые пытались изобрести на основе порохового орудия тепловой двигатель.
Виды тепловых двигателей
Тепловые двигатели внешнего сгорания:
1. Двигатель Стирлинга — это тепловой аппарат, в котором газообразное или жидкое рабочее тело совершает движения в замкнутом пространстве. Это устройство основано на периодическом охлаждении и нагреве рабочего тела. При этом извлекается энергия, которая возникает при изменении объема рабочего тела. Двигатель Стирлинга может работать от любого источника тепла.
2. Паровые машины. Главный их плюс — это простота и отличные тяговые качества, на которые не влияет скорость работы. При этом можно обходиться без редуктора. Этим паровая машина отличается в лучшую сторону от двигателя внутреннего сгорания, выдающего на малых оборотах недостаточное количество мощности. По этой причине паровую машину удобно использовать в качестве тягового двигателя. Недостатки: низкий КПД, невысокая скорость, постоянный расход воды и топлива, большой вес. Раньше паровые машины были единственным двигателем. Но они требовали много топлива и замерзали зимой. Затем их постепенно вытеснили электродвигатели, ДВС, паровые турбины и газовые, которые обладают компактностью, более высоким КПД, универсальностью и эффективностью.
Тепловые двигатели внутреннего сгорания:
1. ДВС (расшифровывается как двигатель внутреннего сгорания) — это двигатель, в процессе работы которого, часть сгорающего топлива преобразуется в механическую энергию. Поршневые ДВС различаются по виду топлива (газовые и жидкостные), по рабочему циклу (двух- и четырехтактные), по способу приготовления рабочей смеси (карбюраторные, дизели), по типу преобразования энергии (турбинные, комбинированные, поршневые и реактивные). Первый ДВС был придуман и создан Э. Ленуаром в 1860 году. Рабочий цикл состоит из четырех тактов, по этой причине этот двигатель еще называют четырехтактным. В настоящее время такой двигатель чаще всего встречается на автомобилях.
2. Роторный ДВС. В качестве примера можно привести электрическую тепловую станцию, работающую в базовом и пиковом режимах. Этот вид двигателя относительно прост и может быть создан в любых размерах. Вместо поршней используется ротор, вращающийся в специальной камере. В ней расположены впускные отверстия и выпускные, а также свеча зажигания. При таком типе конструкции четырехтактный цикл осуществляется без механизма газораспределения. В роторном ДВС можно использовать дешевое топливо. Также он практически не создает вибраций, дешевле и надежнее в производстве, чем поршневые тепловые двигатели.
3. Ракетные и реактивные тепловые двигатели. Суть этих устройств состоит в том, чтобы тяга создавалась не с помощью винта, а посредством отдачи выхлопных газов двигателя. Могут создавать тягу в пространстве без воздуха. Бывают твердотопливные, гибридные и жидкостные).
И последний подвид — это турбовинтовые тепловые двигатели. Создание энергии происходит за счет винта и за счет отдачи газов выхлопных.
Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: принципы действия тепловых машин, КПД тепловой машины, тепловые двигатели и охрана окружающей среды.
Коротко говоря, тепловые машины преобразуют теплоту в работу или, наоборот, работу в теплоту.
Тепловые машины бывают двух видов — в зависимости от направления протекающих в них процессов.
1. Тепловые двигатели преобразуют теплоту, поступающую от внешнего источника, в механическую работу.
2. Холодильные машины передают тепло от менее нагретого тела к более нагретому за счёт механической работы внешнего источника.
Рассмотрим эти виды тепловых машин более подробно.
Тепловые двигатели
Мы знаем, что совершение над телом работы есть один из способов изменения его внутренней энергии: совершённая работа как бы растворяется в теле, переходя в энергию беспорядочного движения и взаимодействия его частиц.
Рис. 1. Тепловой двигатель
Тепловой двигатель — это устройство, которое, наоборот, извлекает полезную работу из «хаотической» внутренней энергии тела. Изобретение теплового двигателя радикально изменило облик человеческой цивилизации.
Принципиальную схему теплового двигателя можно изобразить следующим образом (рис. 1). Давайте разбираться, что означают элементы данной схемы.
Рабочее тело двигателя — это газ. Он расширяется, двигает поршень и совершает тем самым полезную механическую работу.
Но чтобы заставить газ расширяться, преодолевая внешние силы, нужно нагреть его до температуры, которая существенно выше температуры окружающей среды. Для этого газ приводится в контакт с нагревателем — сгорающим топливом.
В процессе сгорания топлива выделяется значительная энергия, часть которой идёт на нагревание газа. Газ получает от нагревателя количество теплоты . Именно за счёт этого тепла двигатель совершает полезную работу .
Это всё понятно. Что такое холодильник и зачем он нужен?
При однократном расширении газа мы можем использовать поступающее тепло максимально эффективно и целиком превратить его в работу. Для этого надо расширять газ изотермически: первый закон термодинамики, как мы знаем, даёт нам в этом случае .
Но однократное расширение никому не нужно. Двигатель должен работать циклически, обеспечивая периодическую повторяемость движений поршня. Следовательно, по окончании расширения газ нужно сжимать, возвращая его в исходное состояние.
В процессе расширения газ совершает некоторую положительную работу . В процессе сжатия над газом совершается положительная работа (а сам газ совершает отрицательную работу ). В итоге полезная работа газа за цикл: .
Разумеется, должно быть , или (иначе никакого смысла в двигателе нет).
Сжимая газ, мы должны совершить меньшую работу, чем совершил газ при расширении.
Как этого достичь? Ответ: сжимать газ под меньшими давлениями, чем были в ходе расширения. Иными словами, на -диаграмме процесс сжатия должен идти ниже процесса расширения, т. е. цикл должен проходиться по часовой стрелке (рис. 2).
Рис. 2. Цикл теплового двигателя
Например, в цикле на рисунке работа газа при расширении равна площади криволинейной трапеции . Аналогично, работа газа при сжатии равна площади криволинейной трапеции со знаком минус. В результате работа газа за цикл оказывается положительной и равной площади цикла .
Хорошо, но как заставить газ возвращаться в исходное состояние по более низкой кривой, т. е. через состояния с меньшими давлениями? Вспомним, что при данном объёме давление газа тем меньше, чем ниже температура. Стало быть, при сжатии газ должен проходить состояния с меньшими температурами.
Вот именно для этого и нужен холодильник: чтобы охлаждать газ в процессе сжатия.
Холодильником может служить атмосфера (для двигателей внутреннего сгорания) или охлаждающая проточная вода (для паровых турбин). При охлаждении газ отдаёт холодильнику некоторое количество теплоты .
Суммарное количество теплоты, полученное газом за цикл, оказывается равным . Согласно первому закону термодинамики:
где — изменение внутренней энергии газа за цикл. Оно равно нулю: , так как газ вернулся в исходное состояние (а внутренняя энергия, как мы помним, является функцией состояния). В итоге работа газа за цикл получается равна:
(1)
Как видите, : не удаётся полностью превратить в работу поступающее от нагревателя тепло. Часть теплоты приходится отдавать холодильнику — для обеспечения цикличности процесса.
Показателем эффективности превращения энергии сгорающего топлива в механическую работу служит коэффициент полезного действия теплового двигателя.
КПД теплового двигателя — это отношение механической работы к количеству теплоты , поступившему от нагревателя:
С учётом соотношения (1) имеем также
(2)
КПД теплового двигателя, как видим, всегда меньше единицы. Например, КПД паровых турбин приблизительно , а КПД двигателей внутреннего сгорания около .
Холодильные машины
Житейский опыт и физические эксперименты говорят нам о том, что в процессе теплообмена теплота передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот. Никогда не наблюдаются процессы, в которых за счёт теплообмена энергия самопроизвольно переходит от холодного тела к горячему, в результате чего холодное тело ещё больше остывало бы, а горячее тело — ещё больше нагревалось.
Рис. 3. Холодильная машина
Ключевое слово здесь — «самопроизвольно». Если использовать внешний источник энергии, то осуществить процесс передачи тепла от холодного тела к горячему оказывается вполне возможным. Это и делают холодильные
машины.
По сравнению с тепловым двигателем процессы в холодильной машине имеют противоположное направление (рис. 3).
Рабочее тело холодильной машины называют также хладагентом. Мы для простоты будем считать его газом, который поглощает теплоту при расширении и отдаёт при сжатии (в реальных холодильных установках хладагент — это летучий раствор с низкой температурой кипения, который забирает теплоту в процессе испарения и отдаёт при конденсации).
Холодильник в холодильной машине — это тело, от которого отводится теплота. Холодильник передаёт рабочему телу (газу) количество теплоты , в результате чего газ расширяется.
В ходе сжатия газ отдаёт теплоту более нагретому телу — нагревателю. Чтобы такая теплопередача осуществлялась, надо сжимать газ при более высоких температурах, чем были при расширении. Это возможно лишь за счёт работы , совершаемой внешним источником (например, электродвигателем (в реальных холодильных агрегатах электродвигатель создаёт в испарителе низкое давление, в результате чего хладагент вскипает и забирает тепло; наоборот, в конденсаторе электродвигатель создаёт высокое давление, под которым хладагент конденсируется и отдаёт тепло)). Поэтому количество теплоты, передаваемое нагревателю, оказывается больше количества теплоты, забираемого от холодильника, как раз на величину :
Таким образом, на -диаграмме рабочий цикл холодильной машины идёт против часовой стрелки. Площадь цикла — это работа , совершаемая внешним источником (рис. 4).
Рис. 4. Цикл холодильной машины
Основное назначение холодильной машины — охлаждение некоторого резервуара (например, морозильной камеры). В таком случае данный резервуар играет роль холодильника, а нагревателем служит окружающая среда — в неё рассеивается отводимое от резервуара тепло.
Показателем эффективности работы холодильной машины является холодильный коэффициент, равный отношению отведённого от холодильника тепла к работе внешнего источника:
Холодильный коэффициент может быть и больше единицы. В реальных холодильниках он принимает значения приблизительно от 1 до 3.
Имеется ещё одно интересное применение: холодильная машина может работать как тепловой насос. Тогда её назначение — нагревание некоторого резервуара (например, обогрев помещения) за счёт тепла, отводимого от окружающей среды. В данном случае этот резервуар будет нагревателем, а окружающая среда — холодильником.
Показателем эффективности работы теплового насоса служит отопительный коэффициент, равный отношению количества теплоты, переданного обогреваемому резервуару, к работе внешнего источника:
Значения отопительного коэффициента реальных тепловых насосов находятся обычно в диапазоне от 3 до 5.
Тепловая машина Карно
Важными характеристиками тепловой машины являются наибольшее и наименьшее значения температуры рабочего тела в ходе цикла. Эти значения называются соответственно температурой нагревателя и температурой холодильника.
Мы видели, что КПД теплового двигателя строго меньше единицы. Возникает естественный вопрос: каков наибольший возможный КПД теплового двигателя с фиксированными значениями температуры нагревателя и температуры холодильника ?
Пусть, например, максимальная температура рабочего тела двигателя равна , а минимальная — . Каков теоретический предел КПД такого двигателя?
Ответ на поставленный вопрос дал французский физик и инженер Сади Карно в 1824 году.
Он придумал и исследовал замечательную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Эта машина работает по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат.
Рассмотрим прямой цикл машины Карно, идущий по часовой стрелке (рис. 5). В этом случае машина функционирует как тепловой двигатель.
Рис. 5. Цикл Карно
Изотерма . На участке газ приводится в тепловой контакт с нагревателем температуры и расширяется изотермически. От нагревателя поступает количество теплоты и целиком превращается в работу на этом участке: .
Адиабата . В целях последующего сжатия нужно перевести газ в зону более низких температур. Для этого газ теплоизолируется, а затем расширяется адиабатно на учатке .
При расширении газ совершает положительную работу , и за счёт этого уменьшается его внутренняя энергия: .
Изотерма . Теплоизоляция снимается, газ приводится в тепловой контакт с холодильником температуры . Происходит изотермическое сжатие. Газ отдаёт холодильнику количество теплоты и совершает отрицательную работу .
Адиабата . Этот участок необходим для возврата газа в исходное состояние. В ходе адиабатного сжатия газ совершает отрицательную работу , а изменение внутренней энергии положительно: . Газ нагревается до исходной температуры .
Карно нашёл КПД этого цикла (вычисления, к сожалению, выходят за рамки школьной программы):
(3)
Кроме того, он доказал, что КПД цикла Карно является максимально возможным для всех тепловых двигателей с температурой нагревателя и температурой холодильника .
Так, в приведённом выше примере имеем:
В чём смысл использования именно изотерм и адиабат, а не каких-то других процессов?
Оказывается, изотермические и адиабатные процессы делают машину Карно обратимой. Её можно запустить по обратному циклу (против часовой стрелки) между теми же нагревателем и холодильником, не привлекая другие устройства. В таком случае машина Карно будет функционировать как холодильная машина.
Возможность запуска машины Карно в обоих направлениях играет очень большую роль в термодинамике. Например, данный факт служит звеном доказательства максимальности КПД цикла Карно. Мы ещё вернёмся к этому в следующей статье, посвящённой второму закону термодинамики.
Тепловые двигатели и охрана окружающей среды
Тепловые двигатели наносят серьёзный ущерб окружающей среде. Их повсеместное использование приводит к целому ряду негативных эффектов.
• Рассеяние в атмосферу огромного количества тепловой энергии приводит к повышению температуры на планете. Потепление климата грозит обернуться таянием ледников и катастрофическими бедствиями.
• К потеплению климата ведёт также накопление в атмосфере углекислого газа, который замедляет уход теплового излучения Земли в космос (парниковый эффект).
• Из-за высокой концентрации продуктов сгорания топлива ухудшается экологическая ситуация.
Это — проблемы в масштабе всей цивилизации. Для борьбы с вредными последствиями работы тепловых двигателей следует повышать их КПД, снижать выбросы токсичных веществ, разрабатывать новые виды топлива и экономно расходовать энергию.
История создания
Первые упоминания о подобном устройстве связаны с римской империей. В то время тепловой двигатель не получил широкого распространения ввиду низкого развития техники.
В III веке до н.э. Архимедом была построена паровая пушка.
Рис. №1. Тепловой двигатель.
Леонардо да Винчи изобразил на своем рисунке цилиндр с поршнем, с находящейся в нём водой. На создание этого эскиза повлияла разработка Архимеда. По его замыслу работу цилиндра можно было описать так: при нагревании воды выделяющийся пар выталкивает поршень в цилиндре вверх. На этом принципе была основана работа паровой пушки. Пар от нагретой воды был способен придавать энергию движения снаряду, и он выстреливал.
В 1690 году Дени Папену удалось собрать цилиндр с двигающимся поршнем. Но нагревание воды и ее охлаждение приходилось осуществлять вручную. Именно поэтому такой вариант паровых машин не нашел применения.
В 1763 году Ползунову удалось изобрести паровой двигатель с двумя цилиндрами. Эта особенность обеспечивала непрерывную работу машины.
В 1766 году он изобрел паровой двигатель с мощностью в 32 л.с. Запустили двигатель после его смерти. Изобретение Ползунова работало в плавильных печах на протяжении 3 месяцев. После чего вышел из строя, а ввиду отсутствия мастеров по ремонту так и остался в неисправном состоянии.
Джеймсу Уатт в 1782 году получил патент на усовершенствованный изобретенный задолго до него паровой насос – паровую машину с двойным действием.
Виды тепловых двигателей
Выделяют:
- Внутреннего сгорания. Среди них выделяют 2-х и 4-х тактные;
- Внешнего сгорания.
Принцип работы теплового двигателя и его устройство
Устройство теплового двигателя представлено следующими элементами:
- Свечи зажигания;
- Цилиндр;
- Поршни;
- Кривошипная камера;
- Впускной и выпускной клапаны.
Тепловые двигатели внутреннего сгорания подразделяются на 2-х и 4-х тактные.
Такт – это процессы, происходящие в двигателе за одно движение поршня.
Как работают двухтактные двигатели
Все процессы происходит в 2 этапа:
1 такт. Сжимание воздуха.
В этот период клапан выпуска и впуска находятся в закрытом состоянии.
Поршень, поднимаясь, закрывает поочередно клапан впуска и выпуска. Это приводит к тому, что смесь газов и топлива сжимается.
В герметичную кривошипную камеру в следствие создания разряженного воздуха под поршнем следует горючее из карбюратора, клапан впуска при этом открыт;
2 такт. Рабочий ход.
Как только поршень начинает приближаться к ВМТ, свеча зажигания подает искру в камеру. В результате чего происходит воспламенение смеси топлива и газов, что ведет к увеличению температуры и давления в полости цилиндра
Увеличившееся давление обуславливает опускание поршня до НМТ. Начинается сжимание поршнём смеси газов и воздуха в кривошипной камере. Это ведет к тому, что клапан впуска закрывается, тем самым препятствует попаданию горючего в коллектор и карбюратор.
Опускаясь до НМТ, поршень открывает клапан выпуска, происходит выход выхлопных газов.
Как работают 4-х тактные двигатели
Рисунок №2. Схематическое изображение работы ДВС.
Все процессы происходят в 4 этапа:
1 такт впуска.
Открывается впускной клапан в результате движения поршня к НМТ. Подача смеси горючего из карбюратора происходит как раз через этот клапан. Как только поршень достигает НМТ, впускной клапан переходит в закрытое состояние;
2 такт. Сжатие горючей смеси.
Поднимаясь до ВМТ происходит сжатие горючей смеси поршнем. Как только поршень начинает приближаться в верхней точке, начинается подача искры свечой зажигания. В результате чего происходит воспламенение смеси;
3 такт. Процессы расширения.
Вышеописанные моменты приводят к горению топливовоздушной смеси и высвобождению большого количества тепла. Увеличившееся давление давит на поршень, тем самым, заставляя его опускаться вниз. Клапаны здесь закрыты;
4 выпускной такт.
Коленвал продолжая своё движение, обеспечивает движение поршня к верхней мёртвой точке. По мере продвижения поршня наверх, происходит открытие клапана выпуска. Через него происходит удаление выхлопных газов. Как только поршень достигает верхней границы, впускной клапан закрывается.
Схема работы двигателя внешнего сгорания
Рис.3. Схема работы двигателя внешнего сгорания.
Принцип работы основан на чередовании нагревания и охлаждения воздуха в ограниченном пространстве и высвобождении энергии в результате изменения объема воздуха.
Это Интересно! Двигатель Стирлинга используется в холодильном оборудовании. Принцип его работы в этом случае обратный и заключается в раскручивании вала двигателем. Что приводит к охлаждению головки цилиндра.
Достоинства и недостатки теплового двигателя
К положительным характеристикам теплового двигателя можно отнести:
- Простота работы, надежность. Соответственно низкая стоимость ремонтных работ;
- Независимость от дополнительного источника энергии;
- Высокоэффективный тип двигателя;
- Выступает как источник электричества как для индивидуального применения, так и в более широких кругах;
- Относительно небольшие размеры.
Помимо достоинств, имеется несколько существенных недостатков:
- Тепловой двигатель обладает низким коэффициентом полезного действия;
- Неблагоприятное воздействие на экологию;
- Оказывает влияние на процесс глобального потепления;
- Затраты большого количества кислорода с дальнейшим превращением его в углекислый газ.
Отличия теплового двигателя от инжекторного
- В тепловом двигателе происходит формирование смеси топлива и воздуха, а также контролируется ее расходование. Подача смеси осуществляется благодаря разному давлению атмосферного воздуха и коллектора впуска. В инжекторе смесь подается в камеру сгорания путем впрыскивания её форсунками;
- В тепловом двигателе смесь газов и топлива подается всегда в одинаковом количестве, в инжекторной системе количество смеси зависит от конкретных условий работы двигателя;
- Тепловые двигатели подвержены перепадам температурных условий;
- Ремонт теплового двигателя гораздо проще и дешевле инжектора.
Область применения
Двигатели внутреннего сгорания нашли широкое применение в транспортных установках и сельскохозяйственных машинах, а так же используются электростанциями, энергопоездами и для запуска генератора (как аварийного источника электроэнергии).
Тепловые 2-х тактные двигатели внутреннего сгорания применяются в технике малой мощности
Двигатель внутреннего сгорания устанавливается в:
- Роторные двигатели;
- Реактивные и турбореактивные двигатели;
- Газотурбинные установки.
Это Интересно! Самые большие тепловые двигатели устанавливают на водных суднах. Мощность таких моторов составляет более 108 тысяч лошадиных сил!
Тепловой двигатель получил широкое распространение в современных условиях от маломощной техники до тепловых электростанций. Существенным минусом его использования является неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Для предотвращения этого необходимо совершенствовать устройство и работу таких двигателей, а также использовать технологии по энергосбережению.
Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.
В области машиностроения и термодинамики тепловой двигатель преобразует тепловую энергию в механическую работу, используя разницу температур между горячим «источником» и холодной «раковиной». Тепло передается от источника через «рабочий орган» двигателя к «раковине», и в этом процессе часть тепла превращается в работу, используя свойства газа или жидкости внутри двигателя.
Существует много видов тепловых двигателей.У каждого есть термодинамический цикл. Тепловые двигатели часто называют в честь термодинамического цикла, который они используют, например, цикл Карно. Они часто выбирают повседневные названия, такие как бензин / бензин, турбина или паровые двигатели.
Двигатели внутреннего сгорания выделяют тепло внутри самого двигателя. Другие тепловые двигатели могут поглощать тепло от внешнего источника. Тепловые двигатели могут быть открыты для воздуха или закрыты и закрыты снаружи (это называется открытым или закрытым циклом).
Рисунок 1: Схема теплового двигателя .T H является источником тепла, а T C — теплоотводом. Q H — это тепло, поступающее в двигатель. Q C — это отработанное тепло, идущее в холодную раковину. W — полезная работа, выходящая из двигателя.Когда ученые изучают тепловые двигатели, они приходят к идеям о двигателях, которые на самом деле невозможно построить. Они называются идеальными двигателями или циклами. Реальные тепловые двигатели часто путают с идеальными двигателями или циклами, которые они пытаются имитировать.
Обычно при описании физического устройства используется термин «двигатель».При описании идеала используется термин «цикл».
Можно сказать, что термодинамический цикл является идеальным случаем механического двигателя. Можно также сказать, что модель не совсем идеально соответствует механическому двигателю. Тем не менее, большая польза от упрощенных моделей, и идеальные случаи, которые они могут представлять.
В общих чертах, чем больше разница в температуре между горячим источником и холодным радиатором, тем эффективнее цикл или двигатель. На Земле холодная сторона любого теплового двигателя ограничена температурой воздуха в месте, где находится двигатель.
Большая часть усилий по повышению эффективности тепловых двигателей направлена на повышение температуры источника тепла, но при очень высоких температурах металл двигателя начинает становиться мягким.
Эффективность различных тепловых двигателей, предлагаемых или используемых сегодня, варьируется от 3 процентов (97 процентов отработанного тепла) для предложения энергии OTEC в океане до 25 процентов для большинства автомобильных двигателей, до 45 процентов для угольной электростанции сверхкритического давления и до 60 процентов для газовая турбина парового охлаждения с комбинированным циклом.Все эти процессы получают свою эффективность (или ее отсутствие) из-за падения температуры на них.
Наименее эффективный, OTEC, использует разность температур океанской воды на поверхности и океанской воды с глубины, небольшая разница, возможно, 25 градусов Цельсия, и поэтому эффективность должна быть низкой.
Наиболее эффективная газовая турбина с комбинированным циклом сжигает природный газ для нагревания воздуха почти до 1530 градусов по Цельсию, большая разница температур составляет 1500 градусов по Цельсию, поэтому эффективность может быть очень большой при добавлении цикла охлаждения паром. [1]
Люди в основном используют тепловые двигатели, тепло которых исходит от огня, который расширяет рабочую жидкость (обычно это вода или воздух), а теплоотвод — это либо масса воды, либо атмосфера, как в градирне.
Известные, которые используют расширение нагретых газов, включают: паровой двигатель, дизельный двигатель и бензиновый (бензиновый) двигатель в автомобиле.
Двигатель Стирлинга встречается гораздо реже, но его можно встретить в небольших моделях, которые могут нагреваться от тепла руки.
Один из видов игрушечных тепловых двигателей — это пьющая птица.
Биметаллическая полоса — это устройство, которое преобразует температуру в механическое движение и используется в термостатах для контроля температуры. Это тепловой двигатель, который не использует жидкость или газ.
- Кроймер, Герберт; Киттель, Чарльз (1980). Теплофизика (2-е изд.). W.H. Фримен Компания. ISBN 0-7167-1088-9 .
- Каллен, Герберт Б. (1985). Термодинамика и введение в термостатистику (2-е изд.). John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-86256-8 .
Как работают тепловые двигатели?
Реклама
Крис Вудфорд. Последнее обновление: 23 сентября 2019 года.
В наш век топливных элементов и электромобили, паровозы (и даже автомобили с бензиновым двигателем) могут показаться ужасно старой технологией. Но взгляните шире на историю, и вы увидите, что даже самые старые паровой двигатель действительно очень современное изобретение. Люди были используя инструменты для умножения их мышечной силы на что-то вроде 2.5 миллион лет, но только за последние 300 лет или около того мы усовершенствовались искусство создания «мышц» — машин с приводом от двигателя — которые работают все сами по себе. Проще говоря, люди были без двигатели для более чем 99,9 процентов нашего существования на Земле!
Теперь у нас есть двигатели, без которых мы, конечно, не могли бы их. Кто мог представить жизнь без машин, грузовиков, кораблей или самолеты — все они приводятся в движение мощными двигателями. И двигатели не просто перемещайте нас по всему миру, они помогают нам радикально изменить его.От мостов и туннелей до небоскребов и плотины, практически каждое крупное здание и сооружение люди сделали в последние пару веков был построен с помощью двигатели — краны, экскаваторы, самосвалы и бульдозеры среди их. Двигатели также подпитывают современную сельскохозяйственную революцию: огромная доля всех наших пищу теперь собирают или транспортируют с использованием мощности двигателя. Двигатели не заставляют мир идти раунд, но они участвуют практически во всем остальном, что происходит на нашей планете.Давайте внимательнее посмотрим на то, что они и как они работай!
Работа: Основная концепция теплового двигателя: машина, которая преобразует тепловую энергию в работу, переключаясь между высокой температурой и более низкой. Типичный тепловой двигатель приводится в действие с помощью топлива (внизу слева) и использует расширяющийся сжимающийся поршень (вверху в центре) для передачи энергии топлива на вращающееся колесо (внизу справа).
Что такое тепловой двигатель?
Двигатель — это машина, которая вращает энергия заперта в топливе в силу и движение.Угля нет очевидное применение Кто угодно: это грязные, старые, каменистые вещи, похороненные под землей. Сожги это в двигатель, однако, и вы можете выпустить энергию, которую он содержит силовые машины, машины, лодки или локомотивы. То же самое верно других видов топлива, таких как природный газ, бензин, древесина и торф. поскольку двигатели работают на сжигании топлива для выделения тепла, иногда они называется тепловых двигателей . Процесс сжигания топлива включает в себя химическая реакция называется горением , где топливо горит в кислород в воздухе, чтобы сделать углекислый газ и пар.(Как правило, двигатели загрязняют воздух, потому что топливо не всегда на 100% чистое и не сгорает идеально.)
Существует два основных типа тепловых двигателей: внешнего сгорания и внутреннего сгорание:
- В двигателе внешнего сгорания топливо горит снаружи и вдали от основного долота двигателя, где сила и движение производятся. Паровой двигатель — хороший пример: угольный пожар на одном конце, который нагревает воду, чтобы сделать пар.Пар подается в прочный металлический цилиндр , где он перемещается плотно прилегающий поршень называется поршнем взад и вперед. движущийся поршень работает независимо от того, к чему подключен двигатель (возможно, заводская машина или колеса локомотива). Это внешний двигатель внутреннего сгорания, потому что уголь горит снаружи, а некоторые расстояние от цилиндра и поршня.
- В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри цилиндр В типичном автомобильном двигателе, например, есть что-то вроде четырех-шести отдельных цилиндров, внутри которых бензин постоянно горит кислородом для выделения тепловой энергии. цилиндры «стреляют» попеременно, чтобы двигатель стабильная подача энергии, которая приводит в движение колеса автомобиля.
Двигатели внутреннего сгорания, как правило, гораздо более эффективны, чем внешние двигатели внутреннего сгорания, потому что энергия не теряется, передавая тепло от огонь и котел к цилиндру; все происходит в одном месте.
Иллюстрации: В двигателе внешнего сгорания (таком как паровой двигатель) топливо горит снаружи цилиндра, и тепло (обычно в форме горячего пара) должно быть передано по трубам на некоторое расстояние.В двигателе внутреннего сгорания (например, автомобильном двигателе) топливо сгорает прямо внутри цилиндров, что гораздо более эффективно.
Как двигатель работает на машине?
Двигатели используют поршни и цилиндры, поэтому мощность, которую они производят, непрерывное движение вперед-назад, двухтактное или возвратно-поступательное движение. Проблема в том, что многие машины (и практически все транспортные средства) полагаются на колесах, которые вращаются вокруг и вокруг — другими словами, вращаются движение. Существуют различные способы поворота возвратно-поступательного движения движение во вращательное движение (или наоборот).Если вы когда-либо смотрели паровой двигатель бродит, вы заметили, как колеса приводится в движение кривошипом и шатуном: просто рычажная связь, которая соединяет одну сторону колеса с поршнем, так что Колесо поворачивается, поршень качает взад и вперед
Альтернативный способ преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение это использовать механизмы. Это то, что гениальный шотландский инженер Джеймс Уотт (1736–1819) решил сделать это в 1781 году, когда он обнаружил кривошипно-шатунный механизм, который он Нужно было использовать в его улучшенной конструкции паровой двигатель, по сути, уже защищен патентом.Дизайн Ватта известен как Солнце и Планета передач) и состоит из двух или более передач колеса, одно из которых (планета) толкается поршнем вверх и вниз стержень, двигаясь вокруг другой шестерни (Солнца) и заставляя его вращаться.
Фото: Два способа преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение: Первое фото: Солнце и планетарная передача. Когда поршень движется вверх и вниз, шестерни вращаются. Второе фото: проблема преобразования вверх-вниз в круговое движение просто решается на этом токарном станке с ножным приводом.Когда вы нажимаете вверх и вниз на педаль (ножную педаль), вы заставляете струну подниматься и опускаться. Это делает вал, к которому прикреплена колонна, чтобы вращаться со скоростью, приводя в действие токарный станок и сверло или другой инструмент, прикрепленный к нему. Обе фотографии сделаны в Think Tank, музее науки в Бирмингеме, Англия.
Некоторые двигатели и машины должны превратить вращательное движение в возвратно-поступательное движение. Для этого вам нужно что-то, что работает в противоположный путь к коленчатому валу, а именно кулачок. Камера — это некруглое (обычно яйцевидное) колесо, которое имеет нечто вроде бар отдыхает на нем.Когда ось поворачивает колесо, колесо заставляет бар подниматься и опускаться. Не можете представить это? Попробуйте представить автомобиль с колесами яйцевидной формы. По мере движения колеса (кулачки) поворачиваются, как обычно, но кузов автомобиля отскакивает и в то же время — вращательное движение производит возвратно-поступательное движение (подпрыгивание) у пассажиров!
кулачки работают на всех видах машин. Там есть камера в электрическая зубная щетка, которая делает щетка движется вперед и назад, когда внутри вращается электрический двигатель.
Типы двигателей
Фото: внешнее сгорание: этот стационарный паровой двигатель использовался для подачи природного газа в дома людей с 1864 года. Снимок сделан в Think Tank.
Существует полдюжины или около того основных типов двигателей, которые вырабатывают энергию при сжигании топлива:
Двигатели внешнего сгорания
Лучевые двигатели (атмосферные двигатели)
Первые паровые двигатели были гигантскими машинами, которые заполняли целые здания. и они обычно использовались для откачки воды из затопленных шахт.Впервые англичанин Томас Ньюкомен (1663 / 4–1729) в начале 18-го века, они имели один цилиндр и поршень, прикрепленный к большой балке, которая качалась взад и вперед. Тяжелая балка обычно наклонялась вниз, чтобы поршень находился высоко в цилиндре. Пар был закачан в цилиндр, затем брызнула вода, охладившись пар, создавая частичный вакуум и заставляя луч отклониться назад Другой способ, прежде чем процесс был повторен. Лучевые двигатели были важным технологическим достижением, но они были слишком большими, медленными и неэффективными для питания заводских машин и поездов.
Artwork: Как работает атмосферный (лучевой) двигатель (упрощенно). Двигатель состоит из тяжелой балки (серого цвета), установленной на башне (черного цвета), которая может качаться вверх и вниз. Обычно балка наклоняется вниз и вправо под весом насосного оборудования, прикрепленного к нему. Водогрейный котел (1) выпускает пар (2) в цилиндр (3). Когда цилиндр полон, из бака (4) поступает холодная вода. Это конденсирует пар, создавая более низкое давление в цилиндре.Поскольку атмосферное давление (воздух) над поршнем выше, чем давление под ним, поршень толкается вниз, вся балка наклоняется влево, а насос поднимается вверх, вытягивая воду из шахты (5).
Паровые двигатели
В 1760-х годах Джеймс Уотт значительно улучшил паровой двигатель Newcomen, сделав его меньше, эффективнее, мощнее и эффективнее двигатели в более практичные и доступные машины. Работа Ватта привела к стационарному пару двигатели, которые могут быть использованы на заводах и компактные движущиеся двигатели это может привести в движение паровозы.Подробнее читайте в нашей статье о паровых двигателях.
двигателей Стирлинга
Не все двигатели внешнего сгорания огромны и неэффективны. Шотландский священник Роберт Стерлинг (1790–1878) изобрел очень умного двигатель, который имеет два цилиндра с поршнями, приводящими в действие два шатуна за рулем одного колеса. Один цилиндр постоянно остается горячим (нагревается от внешней энергии источник, который может быть что угодно от угольного огня до геотермальной энергии снабжения), в то время как другой остается постоянно холодным. Двигатель работает шаттл того же объема газа (постоянно запечатанный внутри двигатель) назад и вперед между цилиндрами через устройство под названием регенератор , который помогает сохранить энергию и значительно увеличивает КПД двигателя.Двигатели Стирлинга не обязательно включают сгорание, хотя они всегда получают питание от внешнего источника тепла. Узнайте больше в нашей основной статье о двигателях Стирлинга.
Фото: машинный зал в Think Tank (музей науки в Бирмингеме, Англия) представляет собой удивительную коллекцию энергетических машин, построенных в 18 веке. Среди экспонатов — огромный паровой двигатель Smethwick, самый старый работающий двигатель в мире. Это не показано на этой фотографии, в основном потому, что она была слишком большой, чтобы фотографировать!
Двигатели внутреннего сгорания
Бензиновые (бензиновые) двигатели
В середине 19 века несколько европейских инженеров, включая Француз Жозеф Этьен Ленуар (1822–1900) и немец Николаус Отто (1832–1891) усовершенствованные двигатели внутреннего сгорания, которые горели бензин.Это был короткий шаг для Карла Бенца (1844–1929) подключить один из этих двигателей к трехколесному перевозки и сделать первый в мире бензиновый автомобиль. Читать далее в нашей статье о автомобильных двигателях.
Фото: мощный бензиновый двигатель внутреннего сгорания от спортивного автомобиля Jaguar.
Дизельные двигатели
Позже, в 19 веке, другой немецкий инженер, Рудольф Дизель (1858–1913), понял, что он мог сделать гораздо более сильный внутренний двигатель внутреннего сгорания, который может работать на всевозможных видах топлива.В отличие от бензиновых двигателей, дизельные двигатели сжимают топливо в гораздо большей степени он самопроизвольно загорается и выделяет тепловую энергию заперт внутри. Сегодня дизельные двигатели по-прежнему являются машинами выбора для вождения тяжелые транспортные средства, такие как грузовики, корабли и строительные машины, а также множество легковых автомобилей. Подробнее читайте в нашей статье о дизельных двигателях.
Роторные двигатели
Одним из недостатков двигателей внутреннего сгорания является то, что они нужны цилиндры, поршни и вращающийся коленчатый вал, чтобы использовать их Мощность: цилиндры неподвижны, а поршни и коленвал постоянно в движении.Роторный двигатель — это принципиально другой дизайн двигателя внутреннего сгорания, в котором «цилиндры» (которые не всегда цилиндры образный) вращаться вокруг того, что фактически является неподвижным коленчатым валом. Хотя роторные двигатели датируются 19 веком, возможно, Наиболее известным дизайном является относительно современный роторный двигатель Ванкеля , особенно используется в некоторых японских автомобилях Mazda. Статья Википедии о Роторный двигатель Ванкеля хорошее введение с небольшой блестящей анимацией.
Двигатели в теории
Фото: паровые двигатели по своей сути неэффективны.Работа Карно говорит нам, что для максимальной эффективности пар в двигателе как это должно быть перегрето (так что это выше его обычная температура кипения (100 ° C), а затем позволялось расширяться и охлаждаться в цилиндрах как можно больше, так что он отдает столько энергии, сколько может поршням.
Пионерами двигателей были инженеры, а не ученые. Ньюкомен и Уатт были практическими, практическими «делателями», а не царапающими голову теоретическими мыслителями. Лишь в 1824 году появился француз Николя Сади Карно (1796–1832) — спустя более столетия после того, как Ньюкомен построил свой первый паровой двигатель, — была предпринята попытка понять теорию. о том, как работают двигатели и как их можно улучшить с действительно научной точки зрения.Карно был заинтересован в выяснении, как двигатели могут быть сделаны более эффективными (в другими словами, как больше энергии может быть получено из того же количества топлива). Вместо того, чтобы возиться с настоящим паровым двигателем и пытаться улучшить его методом проб и ошибок (такой подход, который Уатт использовал с двигателем Ньюкомена), он сделал сам теоретический двигатель — на бумаге — и вместо этого играл с математикой.
Цикл Карно
Тепловой двигатель Carnot — довольно простая математическая модель о том, как наилучший поршневой и цилиндровый двигатель может работать в теории, бесконечно повторяя четыре шага, теперь называемые циклом Карно .Мы не будем вдаваться в подробности теории или математики (если вам интересно, посмотрите Страница цикла Карно НАСА и отличные «Тепловые двигатели»: страница «Карнотный цикл» Майкла Фаулера, которая имеет превосходную флеш-анимацию).
Базовый двигатель Карно состоит из газа, заключенного в цилиндре с поршнем. Газ берет энергию от источника тепла, расширяется, охлаждает и выталкивает поршень наружу. Когда поршень возвращается в цилиндр, он сжимает и нагревает газ, поэтому газ завершает цикл с точно таким же давлением, объемом и температурой, с которых он начинал.Двигатель Карно не теряет энергию на трение или его окружение. Это полностью обратимо — теоретически совершенная и совершенно теоретическая модель работы двигателей. Но это многое говорит нам и о реальных двигателях.
Насколько эффективен двигатель?
Что стоит отметить, так это заключение Карно: КПД двигателя (реальная или теоретическая) зависит от максимальной и минимальной температур, между которыми она работает . С математической точки зрения, эффективность двигателя Карно, работающего между Tmax (его максимальной температурой) и Tmin (его минимальная температура):
(Tmax-Tmin) / Tmax
, где обе температуры измеряются в градусах Кельвина (К).Повышение температуры жидкости внутри цилиндра в начале цикла делает его более эффективным; снижение температуры на противоположной границе цикла также делает его более эффективным. Другими словами, действительно эффективный тепловой двигатель работает при максимально возможной разнице температур. Другими словами, мы хотим, чтобы Tmax было как можно выше, а Tmin — как можно ниже. Вот почему такие вещи, как паровые турбины на электростанциях, должны использовать градирни, чтобы максимально охлаждать их пар: именно так они могут получать наибольшее количество энергии от пара и вырабатывать наибольшее количество электроэнергии.В реальном мире движущиеся транспортные средства, такие как автомобили и самолеты, очевидно, не могут иметь ничего общего с градирнями, и трудно достичь низких температур Tmin, поэтому повышение Tmax — это то, на чем мы обычно концентрируемся. Реальные двигатели — в автомобилях, грузовиках, реактивных самолетах и космических ракетах — работают при чрезвычайно высоких температурах (поэтому они должны быть построены из высокотемпературных такие материалы, как сплавы и керамика).
Какая максимальная эффективность двигателя?
Есть ли предел эффективности теплового двигателя? Да! Tmin никогда не может быть меньше нуля (при абсолютном нуле), поэтому, согласно согласно нашему уравнению выше, ни один двигатель не может быть более эффективным, чем Tmax / Tmax = 1, что соответствует 100% эффективности, и большинство настоящие двигатели не приближаются к этому.Если у вас был паровой двигатель, работающий при температуре от 50 ° C до 100 ° C, это было бы около 13 процентов эффективности. Чтобы добиться 100% эффективности, вам нужно охладить пар до абсолютного нуля (-273 ° C или 0K), что, очевидно, невозможно. Даже если бы вы могли охладить его до замерзания (0 ° C или 273K), вы все равно сможете управлять только 27-процентной эффективностью.
Диаграмма
: Тепловые двигатели более эффективны, когда они работают между большими перепадами температур. Предполагая постоянную минимальную ледяную температуру (0 ° C или 273K), эффективность медленно повышается, когда мы поднимаем максимальную температуру.Но обратите внимание, что мы получаем убывающую отдачу: с каждым повышением температуры на 50 ° C эффективность уменьшается с каждым разом. Другими словами, мы никогда не сможем достичь 100-процентной эффективности, просто подняв максимальную температуру.
Это также помогает нам понять, почему более поздние паровые двигатели (впервые разработаны такими инженерами, как Ричард Тревитик) и Оливер Эванс) использовал намного более высокое давление пара, чем давление, производимое такими людьми, как Томас Ньюкомен. Двигатели высокого давления были меньше, легче и их было легче устанавливать на движущихся транспортных средствах, но они также были гораздо более эффективными: при более высоких давлениях вода кипит при более высоких температурах, и это дает нам большую эффективность.При двойном атмосферном давлении вода кипит при температуре около 120 ° C (393K), что дает эффективность 30 процентов с минимальной температурой 0 ° С; при четырехкратном атмосферном давлении температура кипения составляет 143 ° С (417 К), а КПД близок к 35%. Это большое улучшение, но все еще далеко от 100 процентов. Паровые турбины на электростанциях используют действительно высокое давление (более 200-кратное атмосферное давление) это типично). При 200 атмосферах вода кипит при температуре около 365 ° C (~ 640 К), что дает максимальную теоретическую эффективность около 56%, если мы также можем охлаждать воду вплоть до замерзания (и если нет других потерь тепла или неэффективности).Даже в этих экстремальных и идеальных условиях мы все еще очень далеки от 100% эффективности; реальные турбины с большей вероятностью достигают 35–45 процентов. Сделать эффективные тепловые двигатели гораздо сложнее, чем кажется!
Узнайте больше
На этом сайте
На других сайтах
Один из лучших способов понять движки — это посмотреть их анимацию на работе. Вот два хороших сайта, которые исследуют множество различных движков:
- Анимированные движки: Этот замечательный сайт охватывает практически все виды движков, о которых вы только можете подумать, с понятными анимациями и очень четкими письменными описаниями.
- Посмотрите на двигатели в действии: коллекция очень красиво нарисованных анимаций реальных двигателей из Лондонского музея науки. (Архивировано с помощью Wayback Machine.)
книг
Вступительное слово
- Шесть легких пьес Ричарда П. Фейнмана. Пингвин, 1998. Глава 4 — очень оригинальное объяснение сохранения энергии, включая довольно простое объяснение того, почему ни один двигатель или машина не является более эффективным, чем полностью обратимый (идеальный).
Более сложный
Детские книги
Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты.
Статьи с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США.Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным наказаниям.
Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2019. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.
Следуйте за нами
Поделиться этой страницей
Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать об этом друзьям:
Цитировать эту страницуВудфорд, Крис.(2009/2019) Двигатели. Получено с https://explainthatstuff.com/engines.html. [Доступ (Введите дату здесь)]
Подробнее на нашем сайте …
,Тепловой двигатель — Энергетическое образование
Тепловой двигатель — это тип двигателя (например, двигателя в автомобиле), который создает макроскопическое движение от тепла. Когда люди трутся руками, трение превращает механическую энергию (движение наших рук) в тепловую энергию (руки становятся теплее). Тепловые двигатели делают прямо противоположное; они берут энергию из тепла (по сравнению с окружающей средой) и превращают ее в движение. Часто это движение превращается в электричество с генератором.
Почти вся энергия, которая используется для транспортировки и электричества, поступает от тепловых двигателей. Горячие объекты, даже газы, обладают тепловой энергией, которую можно превратить в нечто полезное. Тепловые двигатели перемещают энергию из горячего места в холодное и переводят часть этой энергии в механическую энергию. Для работы тепловых двигателей требуется разность температур.
Изучение термодинамики первоначально было вдохновлено попытками получить как можно больше энергии от тепловых двигателей. [2] По сей день используются различные виды топлива, такие как бензин, уголь и уран. Все эти тепловые двигатели все еще работают в рамках ограничений, налагаемых вторым законом термодинамики. Это означает, что для подогрева газа используются различные виды топлива, а для избавления от ненужного тепла необходим большой холодный резервуар. Часто отработанное тепло попадает в атмосферу или большой водоем (океан, озеро или река).
В зависимости от типа двигателя используются различные процессы, такие как воспламенение топлива в результате сгорания (бензин и уголь) или использование энергии от ядерных процессов для производства тепла (уран), но конечная цель одна и та же: включить тепло в работу.Наиболее известным примером теплового двигателя является двигатель автомобиля, но большинство электростанций, таких как уголь, природный газ и атомная энергия, также являются тепловыми двигателями.
Двигатель внутреннего сгорания
- полная статья
Двигатели внутреннего сгорания являются наиболее распространенной формой тепловых двигателей, так как они используются в транспортных средствах, лодках, кораблях, самолетах и поездах. Они названы так, потому что топливо зажигается, чтобы сделать работу в двигателе. Затем та же смесь топлива и воздуха выбрасывается в качестве выхлопных газов.Хотя это чаще всего делается с помощью поршня, это также можно сделать с помощью турбины.
На рисунке 1 приведен пример двигателя внутреннего сгорания. Этот конкретный тип называют четырехтактным двигателем, который довольно распространен в автомобилях.
Внешний тепловой двигатель
- полная статья
Внешние тепловые двигатели, как правило, являются паровыми двигателями, и они отличаются от внутренних тем, что источник тепла отделен от газа, который работает. Эти тепловые двигатели обычно называют двигателями внешнего сгорания, потому что сгорание происходит вне двигателя.Например, внешнее сгорание будет использовать пламя для нагрева воды в пар, а затем использовать пар для вращения турбины. Это отличается от внутреннего сгорания, как в автомобильном двигателе, где бензин воспламеняется внутри поршня, работает, а затем выбрасывается.
Ядерные реакторы не имеют сгорания, поэтому используется более широкий термин «внешний тепловой двигатель». Реактор с кипящей водой на рисунке 2, как и другие атомные электростанции, является внешним тепловым двигателем.
Примеры тепловых двигателей
Внутреннее сгорание
Внешнее сгорание
Эффективность
- основная статья
КПД двигателя — это процент энергии, который двигатель может преобразовать в полезную работу.Уравнение для этого составляет η = рабочая мощность / энергозатраты. Наиболее эффективные поршневые двигатели работают с КПД около 50%, а средняя угольная электростанция работает с КПД около 33%. Более недавно построенные электростанции получают КПД более 40%.
Меньшие тепловые двигатели, как в автомобилях, имеют механическую мощность, измеряемую в лошадиных силах. Большие тепловые двигатели, такие как электростанции, измеряют мощность в МВт. Конечно, мощность может быть измерена в любых единицах мощности, например, в ваттах.
Мощность теплового двигателя также является мощностью, часто измеряемой в МВт. У силовой установки также есть электрическая выходная мощность. Чтобы различать эти две мощности, тепловая мощность (входная мощность) измеряется в мегаваттах тепловой (МВт), в то время как для производства электроэнергии выходная мощность измеряется в мегаваттах электрической (МВт). Для тепловых двигателей, которые обеспечивают движение вместо электричества, выходная мощность будет механической мощностью.
Когенерация
- основная статья
У теплового двигателя есть два побочных продукта: работа и тепло.Цель большинства двигателей — производить работу, а тепло рассматривается просто как отходы. Когенерация использует отработанное тепло для полезных вещей. Обогреватель в автомобиле работает с использованием когенерации — отвод тепла от двигателя для нагрева воздуха, который нагревает кабину. Вот почему использование автомобильного обогревателя в зимнее время мало влияет на пробег топлива, а летнее кондиционирование может стоить примерно 10-20% от расхода топлива в автомобиле.
для дальнейшего чтения
Рекомендации
,Климат как тепловой двигатель
эссе гостя Ян Kjetil Andersen
Как описывает Уиллис в своей статье 21 декабря, атмосферу можно рассматривать как гигантский тепловой двигатель, то есть машину, которая преобразует тепловую энергию, а именно температуру, в механическую энергию, а именно ветер.
Ячейки Хэдли простые тепловые двигатели Карно
Может показаться немного странным рассматривать метеорологическую систему как своего рода машину и сравнивать ее с инженерными конструкциями, такими как автомобильный двигатель, но это разумная физика, поскольку все такие системы связаны одними и теми же фундаментальными физическими законами и используют одни и те же основные явления, чтобы создать движение от жары.
Тепловой двигатель не может напрямую преобразовывать тепло в механическую энергию, поскольку это нарушит второй закон термодинамики. Что нужно, так это перепады температур. Чем больше разница температур, тем больше эффект от машины. Количество энергии в разнице температур, которая преобразуется в механическую энергию, называется КПД машины.
И здесь у нас есть очень интересный, но менее известный факт тепловых двигателей; максимальная теоретическая эффективность уменьшается с ростом температуры.Это интересно, потому что это отрицает общепринятую мудрость и часто цитируемый миф о том, что более теплый климат ведет к
больше шторма, как утверждение в «Страже» о том, что у более теплой планеты больше энергии для усиления сильных штормов, см. Http://theguardian.com/environment/2011/jun/27/climate-change-extreme-weather- 2010.
Давайте посмотрим на теоретическую основу этого эффекта. Это описывается теоремой Карно.
Теорема Карно гласит, что максимальный КПД теплового двигателя — это разница температур между самым теплым элементом и самым холодным элементом, деленная на температуру самого высокого элемента.
Выражается формулой: Emax = (Th-Tc) / Th.
Emax — максимальная эффективность
Th — высокотемпературный элемент, измеренный в Кельвинах
Тс — элемент температуры холода, измеренный в Кельвинах.
Цикл Карно — это идеальный обратимый циклический процесс, включающий расширение и сжатие идеального газа, который позволяет нам оценить эффективность двигателя, использующего этот цикл.
Каждый из четырех отдельных процессов является обратимым.Используя тот факт, что в адиабатических процессах тепло не входит и не уходит, мы можем показать, что работа, выполненная за один цикл, W = Q 1 — Q 3 , где Q 1 — тепло, поступающее при температуре T H в изотермический процесс A -> B и Q 3 — тепло, выделяемое при температуре T C в изотермическом процессе C -> D.
Для интерактивной демонстрации цикла теплового двигателя Карно, предоставленного Университетом Вирджинии, нажмите на изображение:
Три важных эффекта можно увидеть из теоремы Карно.Во-первых, разница температур является необходимым условием для преобразования тепловой энергии в механическую энергию, такую как ветер.
Второй эффект заключается в том, что даже если бы у нас был идеальный тепловой двигатель с нулевым внутренним трением; он не достиг бы ничего, близкого к 100% эффективности. Максимальная теоретическая эффективность для теплового двигателя, работающего между 300 К и 600 К, составляет, например, 50%. Эффективность реальной машины была бы значительно ниже.
Вот почему наши автомобильные двигатели работают только с КПД около 25%.Теплый элемент для автомобильного двигателя — это взрывающееся топливо внутри цилиндров, а холодный элемент — воздухозаборник.
Лучшие электростанции, работающие на угле, имеют КПД около 40%, а лучший газ работает на 55%. Холодными элементами для этих установок являются охлаждающая вода, а в тех, которые имеют наивысшую эффективность, в качестве охлаждающей жидкости используется холодная морская вода.
Потепление дает меньшую эффективность
Третий эффект, как упомянуто выше, заключается в том, что для данной разности температур между теплым элементом и холодным элементом эффективность будет уменьшаться, если оба элемента нагреваются одинаково сильно.В холодные дни это можно увидеть в автомобильных двигателях; потому что воздухозаборник холоднее, двигатель дает несколько большую мощность и более высокую эффективность.
По этой же причине некоторые двигатели с турбонаддувом имеют промежуточные охладители. Турбина дает более высокий эффект, но неумышленным побочным эффектом является то, что она также повышает температуру на впуске воздуха, что снижает эффективность. Интеркулер снижает повышение температуры, создаваемое турбиной.
Тот же эффект применяется к ветровым образованиям в атмосфере.Рассмотрим летнюю температуру в северном полушарии; холодный элемент — это Арктика с температурой около 0 градусов Цельсия, а теплый элемент — в тропиках с температурой около 35 градусов Цельсия.
Теорема Карно дает максимальную эффективность в этом диапазоне температур 11,36%. Если температура повысилась на 1 градус Цельсия по всему земному шару, то есть разница изменилась до 1 градуса Цельсия в Арктике и 36 градусов Цельсия в тропике, максимальная эффективность снизилась бы до 11,32%.
Это крошечная разница, но дело в том, что это уменьшение, а не увеличение, как это принято в традиционной мудрости.
Меньшая разница температур на поверхности
В дополнение к влиянию более высоких общих температур, разница температур также будет меньше. Вполне бесспорными, что самый большой эффект глобального потепления на холодных полярных зим и самым маленьким на жарком тропическом летом.
GFDL CM2.1 моделируется изменение сезонной средней температуры приземного воздуха с конца 20-го века (в среднем 1971-2000 гг.) До середины 21-го века (2051-2060 гг.).Левая панель показывает изменения за сезон июль июль август (JJA), а правая панель показывает изменения за декабрь январь февраль (DJF). Моделируемые изменения температуры приземного воздуха являются реакцией на увеличение выбросов парниковых газов и аэрозолей на основе оценки «средней части дороги» будущих выбросов.
Это означает, что как общий нагрев, так и уменьшение разницы температур должны способствовать уменьшению шторма.Однако, если честно, это еще не все. Некоторые климатические модели говорят, что разность температур в верхней тропосфере будет увеличиваться, и это может иметь больший эффект, чем уменьшенные различия на поверхности и более высокие температуры.
Нет устоявшейся науки там.
Нравится:
Нравится Загрузка …