Какие бывают тепловые двигатели: КПД теплового двигателя — урок. Физика, 8 класс.

Содержание

Экологические проблемы использования тепловых двигателей

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии.

ЭКОЛОГЧЕСКИЙ КРИЗИС, нарушение взаимосвязей внутри экосистемы или необратимые явления в биосфере, вызванные антропогенной деятельностью и угрожающие существованию человека как вида. По степени угрозы естественной жизни человека и развитию общества выделяются неблагоприятная экологическая ситуация, экологическое бедствие и экологическая катастрофа

Загрязнения от тепловых двигателей:

1. Химическое.

2. Радиоактивное.

3. Тепловое.

КПД тепловых двигателей < 40%, в следствии чего больше 60% теплоты двигатель отдаёт холодильнику.

При сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается

Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа, азотных, серных и других соединений.

Меры предотвращения загрязнений:

1.Снижение вредных выбросов.

2.Контроль за выхлопными газами, модификация фильтров.

3.Сравнение эффективности и экологической безвредности различных видов топлива, перевод транспорта на газовое топливо.

К основным токсичным выбросам автомобиля относятся: отработавшие газы, картерные газы и топливные испарения. Отработавшие газы, выбрасываемые двигателем, содержат окись углерода, углеводороды, окислы азота, бензапирен, альдегиды и сажу.В среднем при пробеге автомобилем в год 15 тыс.км им сжигается более 2 т топлива и потребляется около 30 т воздуха. При этом в атмосферу выбрасывается около 700 кг угарного газа (СО), 400 кг диоксида азота, 230 кг углеводородов и других загрязняющих веществ, общее количество которых составляет более чем 200 наименований. Ежегодно в атмосферный воздух с отработавшими газами мобильными источниками выбрасывается около 1 млн.т загрязняющих веществ.

Некоторые из этих веществ, например, тяжелые металлы и отдельные хлорорганические соединения, стойкие органические загрязнители накапливаются в природной среде и представляют серьезную угрозу, как для окружающей среды, так и здоровья людей. При сохранении существующих темпов роста парка автомобилей прогнозируется, что к 2015 году объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух возрастет до 10% и более.

Кардинально решить проблему загрязнения атмосферы транспортом мог бы электромобиль. Сегодня наиболее широкое применение электровозы нашли на железнодорожном транспорте.

2. С экологической точки зрения в качестве топлива для автомобилей лучше всего подходит водород, который, к тому же, является самым теплотворным

3. Предпринимаются попытки создания двигателей использующих в виде топлива воздух, спирт, биотопливо и др. Но, к сожалению, пока все эти двигатели можно скорее назвать экспериментальными образцами. Но наука не стоит на месте, будем надеяться, что процесс создания экологически чистого автомобиля не «за горами»
Причины загрязнения воздуха отработавшими газами
автомобилей.

Основная причина загрязнения воздуха заключается в неполном и неравномерном сгорании топлива. Всего 15% его расходуется на движение автомобиля, а 85 % «летит на ветер». К тому же камеры сгорания автомобильного двигателя – это своеобразный химический реактор, синтезирующий ядовитые вещества и выбрасывающий их в атмосферу. Даже невинный азот из атмосферы, попадая в камеру сгорания, превращается в ядовитые окислы азота.
В отработавших газах двигателя внутреннего сгорания (ДВС) содержится свыше 170 вредных компонентов, из них около 160 – производные углеводородов, прямо обязанные своим появлением неполному сгоранию топлива в двигателе. Наличие в отработавших газах вредных веществ обусловлено в конечном итоге видом и условиями сгорания топлива.
Отработавшие газы, продукты износа механических частей и покрышек автомобиля, а также дорожного покрытия составляют около половины атмосферных выбросов антропогенного происхождения. Наиболее исследованными являются выбросы двигателя и картера автомобиля. В состав этих выбросов, помимо азота, кислорода, углекислого газа и воды, входят такие вредные компоненты, как окись. Двигаясь со скоростью 80-90 км/ч в среднем, автомобиль превращает в углекислоту столько же кислорода, сколько 300-350 человек. Но дело не только в углекислоте. Годовой выхлоп одного автомобиля – это 800 кг окиси углерода,40 кг окислов азота и более 200 кг различных углеводородов. В этом наборе весьма коварна окись углерода. Из-за высокой токсичности её допустимая концентрация в атмосферном воздухе не должна превышать 1 мг/м3. Известны случаи трагической гибели людей, запускавших двигатели автомобилей при закрытых воротах гаража. В одноместном гараже смертельная концентрация окиси углерода возникает уже через 2-3 минуты после включения стартера. В холодное время года, остановившись для ночлега на обочине дороги, неопытные водители иногда включают двигатель для обогрева машины. Из-за проникновения окиси углерода в кабину такой ночлег может оказаться последним.
Окислы азота токсичны для человека и, кроме того, обладают раздражающим действием. Особо опасной составляющей отработавших газов являются канцерогенные углеводороды, обнаруживаемые, прежде всего, на перекрёстках у светофоров (до 6,4 мкг/100 м3, что в 3 раза больше, чем в середине квартала).
При использовании этилированного бензина автомобильный двигатель выбрасывает соединения свинца. Свинец опасен тем, что способен накапливаться, как во внешней среде, так и в организме человека.
Уровень загазованности магистралей и при магистральных территорий зависит от интенсивности движения автомобилей, ширины и рельефа улицы, скорости ветра, доли грузового транспорта и автобусов в общем потоке и других факторов. При интенсивности движения 500 транспортных единиц в час концентрация окиси углерода на открытой территории на расстоянии 30-40 м от автомагистрали снижается в 3 раза и достигает нормы. Затруднено рассеивание выбросов автомобилей на тесных улицах. В итоге практически все жители города испытывают на себе вредное влияние загрязнённого воздуха.
Из соединений металлов, входящих в состав твёрдых выбросов автомобилей, наиболее изученными являются соединения свинца. Это обусловлено тем, что соединения свинца, поступая в организм человека и теплокровных животных с водой, воздухом и пищей, оказывают на него наиболее вредное действие. До 50 % дневного поступления свинца в организм приходится на воздух, в котором значительную долю составляют отработавшие газы автомобилей.
Поступления углеводородов в атмосферный воздух происходит не только при работе автомобилей, но и при разливе бензина. По данным американских исследователей в Лос-Анджелесе за сутки испаряется в воздух около 350 тонн бензина. И повинен в этом не столько автомобиль, сколько сам человек. Чуть-чуть пролили при заливке бензина в цистерну, забыли плотно закрыть крышку при перевозке, плеснули на землю при заправке на автозаправочной станции, и в воздух потянулись различные углеводороды.
Каждый автомобилист знает: вылить из шланга весь бензин в бак практически невозможно, какая-то часть его из ствола «пистолета» обязательно выплёскивается на землю. Немного. Но сколько сегодня у нас автомобилей? И с каждым годом их число будет расти, а, значит, будут увеличиваться и вредные испарения в атмосферу. Лишь 300 г. бензина, пролитого при заправке автомобиля, загрязняют 200 тысяч кубических метров воздуха. Самый простой путь решения проблемы – создать заправочные автоматы новой конструкции, не позволяющие пролиться на землю даже одной капле бензина.

Вывод

Можно без преувеличения говорить о том, что тепловые двигатели в настоящее время являются основными преобразователями топлива в другие виды энергии, и без них был бы невозможен прогресс в развитии современной цивилизации. Тем не менее, все виды тепловых двигателей являются источниками загрязнения окружающей среды. (Кострюков Денис)

Экологические проблемы использования тепловых двигателей

Экологических проблем с использованием тепловых двигателей практически нет, если он стоит и молчит, то кому он вредит? Разве что мешает. Проблемы, и не только у экологии, начинаются тогда, когда этот двигатель заводят и начинают использовать.

История создания и принцип действия

Человек сказал: «движение – это жизнь» и стал искать способы передвижения для себя и необходимых ему предметов. В этом поиске он прошел от использования явлений природы и живых существ до создания искусственного движителя.


Одним из таких стал тепловой двигатель, который берет как источник энергии определенный вид топлива, и превращает его внутреннюю энергию в механическую. С процессом преобразования одной энергии в другую и возникают экологические проблемы использования тепловых двигателей.

Первые примитивные аппараты появились в Риме во II веке. Более мощный толчок в развитии они получили с изобретением пороха. Ракеты и ружья, где они применялись, можно отнести к тепловым машинам, но не к двигателям. Хотя пулю и заряд они перемещали, куда было нужно.

Двигатели различают по виду используемого топлива и по месту, где оно отдает свою энергию. Топливо бывает твердым и жидким. По месту – внешнего и внутреннего сгорания.

Влияние на природу и виды

Собственно это и предопределяет те негативные последствия, которые оказывает применение тепловых двигателей в деятельности человека, а также экологические проблемы в связи с этим возникающие.

Основные две. Во-первых, это источник энергии, то есть топливо, на котором они функционируют. Во-вторых, вещества и газы, выделяемые в результате их работы.

Источников энергии два вида: возобновляемые или неистощимые и не возобновляемые, невосполнимые или истощимые.Первые из них: солнце, ветер и вода.

Другие – это в первую очередь нефть, газ и уголь. Отдельно стоит выделить леса, точнее получаемую из них древесину. Но в настоящее время древесина, как топливо для двигателей, уже мало применяется.

Для их работы в основном используют ресурсы второго вида. Это влечет за собой истощение полезных ископаемых, которые уже не будут восстановлены. А также загрязнение воздуха отработанными газами, неочищенными и отравляющими веществами.

Особо следует остановиться на восстановлении лесов. Это еще возможно при правильном ведении хозяйства, их своевременной и полноценной высадке. Почему? Потому что с появлением тепловых двигателей возникла экологическая проблема, которой не было до этого.

Это сжигание кислорода при их работе. В результате чего атмосфера Земли перенасыщается углекислым газом. Только лес его поглощает и при этом вырабатывает столь необходимый для жизни кислород, без которого защитный слой атмосферы Земли уменьшится, а влияние губительных солнечных излучений усилится.

Более активное солнечное влияние приведет к изменению климата

. Потепление вызовет более интенсивное таяние льдов и повышение уровня Мирового океана, затопление участков земной поверхности и подъем грунтовых вод. А, значит, уменьшатся территорий благоприятных для жизни человека.

Вот и, получается: завел двигатель в машине, чтобы поехать в лес или к реке, а в результате изменил атмосферу и климат на Земле.

Варианты уменьшения негативного влияния на экологию

Человек не откажется от использования тепловых машин в своей производственной деятельности и повседневной жизни. Но надо постараться минимизировать их отрицательное влияние на природу.

Основные ее направления – это модернизация, уменьшение выбросов отработанных газов и отравляющих веществ и разработка и внедрение альтернативных видов. Модернизация в первую очередь должна касаться повышения эффективности или коэффициента полезного действия. То есть более полное использование энергии топлива.

Переход на иные виды двигателей, такие как электрические или атомные, не избавит от проблем, а добавит других, с которыми также придется бороться.

Посмотрите видео: Тепловые машины. Настоящее и будущее.

Что понимают под кпд теплового двигателя. Принцип действия тепловых двигателей.

Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей — Гипермаркет знаний. Задачи и вопросы на цикл Карно

КПД характеризует эффективность двигателя в сфере преобразования и передачи энергии. Этот показатель часто измеряется в процентах. Формула КПД:

η*A/Qx100 %, где Q — затраченная энергия, А — полезная работа.

Исходя из закона сохранения энергии, можно сделать вывод, что КПД будет всегда меньше единицы. Другими словами, полезной работы никогда не будет больше, чем на нее затрачено энергии.

КПД двигателя — это отношение полезной работы к энергии, сообщенной нагревателем. Его можно представить в виде такой формулы:

η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1 , где Q 1 — теплота, полученная от нагревателя, а Q 2 — отданная холодильнику.

Работа теплового двигателя

Работа, совершаемая тепловым двигателем, рассчитывается по такой формуле:

A = |Q H | — |Q X |, где А — работа, Q H — количество теплоты, получаемое от нагревателя, Q X — количество теплоты, отдаваемое охладителю.

|Q H | — |Q X |)/|Q H | = 1 — |Q X |/|Q H |

Он равняется отношению работы, которую совершает двигатель, к количеству полученной теплоты. Часть тепловой энергии при этой передаче теряется.

Двигатель Карно

Максимальное КПД теплового двигателя отмечается у прибора Карно. Это обусловлено тем, что в указанной системе он зависит только лишь от абсолютной температуры нагревателя (Тн) и охладителя (Тх). КПД теплового двигателя, работающего по определяется по следующей формуле:

(Тн — Тх)/ Тн = — Тх — Тн.

Законы термодинамики позволили высчитать максимальный КПД, который возможен. Впервые этот показатель вычислил французский ученый и инженер Сади Карно. Он придумал тепловую машину, которая функционировала на идеальном газу. Она работает по циклу из 2 изотерм и 2 адиабат. Принцип ее работы довольно прост: к сосуду с газом подводят контакт нагревателя, вследствие чего рабочее тело расширяется изотермически. При этом оно функционирует и получает определенное количество теплоты. После сосуд теплоизолируют. Несмотря на это, газ продолжает расширяться, но уже адиабатно (без теплообмена с окружающей средой). В это время его температура снижается до показателей холодильника. В этот момент газ контактирует с холодильником, вследствие чего отдает ему определенное количество теплоты при изометрическом сжатии. Потом сосуд снова теплоизолируют. При этом газ адиабатно сжимается до первоначального объема и состояния.

Разновидности

В наше время существует много типов тепловых двигателей, которые работают по разным принципам и на различном топливе. У всех у них свой КПД. К ним относятся следующие:

Двигатель внутреннего сгорания (поршневой), представляющий собой механизм, где часть химической энергии сгорающего топлива переходит в механическую энергию. Такие приборы могут быть газовыми и жидкостными. Различают 2- и 4-тактные двигатели. У них может быть рабочий цикл непрерывного действия. По методу приготовления смеси топлива такие двигатели бывают карбюраторными (с внешним смесеобразованием) и дизельными (с внутренним). По видам преобразователя энергии их разделяют на поршневые, реактивные, турбинные, комбинированные. КПД таких машин не превышает показателя в 0,5.

Двигатель Стирлинга — прибор, в котором рабочее тело находится в замкнутом пространстве. Он является разновидностью двигателя внешнего сгорания. Принцип его действия основан на периодическом охлаждении/нагреве тела с получением энергии вследствие изменения его объема. Это один из самых эффективных двигателей.

Турбинный (роторный) двигатель с внешним сгоранием топлива. Такие установки чаще всего встречаются на тепловых электрических станциях.

Турбинный (роторный) ДВС используется на тепловых электрических станциях в пиковом режиме. Не так сильно распространен, как другие.

Турбиновинтовой двигатель за счет винта создает некоторую часть тяги. Остальное он получает за счет выхлопных газов. Его конструкция представляет собой роторный двигатель на вал которого насаживают воздушный винт.

Другие виды тепловых двигателей

Ракетные, турбореактивные и которые получают тягу за счет отдачи выхлопных газов.

Твердотельные двигатели используют в качестве топлива твердое тело. При работе изменяется не его объем, а форма. При эксплуатации оборудования используется предельно малый перепад температуры.

Как можно повысить КПД

Возможно ли повышение КПД теплового двигателя? Ответ нужно искать в термодинамике. Она изучает взаимные превращения разных видов энергии. Установлено, что нельзя всю имеющуюся механическую и т. п. При этом преобразование их в тепловую происходит без каких-либо ограничений. Это возможно из-за того, что природа тепловой энергии основана на неупорядоченном (хаотичном) движении частиц.

Чем сильнее разогревается тело, тем быстрее будут двигаться составляющие его молекулы. Движение частиц станет еще более беспорядочным. Наряду с этим все знают, что порядок можно легко превратить в хаос, который очень трудно упорядочить.

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

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.

Q 1 – количество теплоты полученное от нагревания

Q 2 – 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 Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , 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.

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%?

Класс: 10

Тип урока: Урок изучения нового материала.

Цель урока: Разъяснить принцип действия теплового двигателя.

Задачи урока:

Образовательные: познакомить учащихся с видами тепловых двигателей, развивать умение определять КПД тепловых двигателей, раскрыть роль и значение ТД в современной цивилизации; обобщить и расширить знания учащихся по экологическим проблемам.

Развивающие: развивать внимание и речь, совершенствовать навыки работы с презентацией.

Воспитательные: воспитывать у учащихся чувство ответственности перед последующими поколениями, в связи с чем, рассмотреть вопрос о влиянии тепловых двигателей на окружающую среду.

Оборудование: компьютеры для учащихся, компьютер учителя, мультимедийный проектор, тесты (в Excel), Физика 7-11 Библиотека электронных наглядных пособий. “Кирилл и Мефодий”.

Ход урока

1. Оргмомент

2. Организация внимания учащихся

Тема нашего урока: “Тепловые двигатели”. (Слайд 1)

Сегодня мы вспомним виды тепловых двигателей, рассмотрим условия их эффективной работы, поговорим о проблемах связанных с их массовым применением. (Слайд 2)

3. Актуализация опорных знаний

Прежде чем перейти к изучению нового материала предлагаю проверить как вы к этому готовы.

Фронтальный опрос:

– Дайте формулировку первого закона термодинамики. (Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количество теплоты, переданное системе. U=A+Q)

– Может ли газ нагреться или охладиться без теплообмена с окружающей средой? Как это происходит? (При адиабатических процессах. ) (Слайд 3)

– Напишите первый закон термодинамики в следующих случаях: а) теплообмен между телами в калориметре; б) нагрев воды на спиртовке; в) нагрев тела при ударе. (а) А=0 , Q=0, U=0; б) А=0, U= Q; в) Q=0, U=А)

– На рисунке изображен цикл, совершаемый идеальным газом определенной массы. Изобразить этот цикл на графиках р(Т) и Т(р). На каких участках цикла газ выделяет теплоту и на каких – поглощает?

(На участках 3-4 и 2-3 газ выделяет некоторое количество теплоты, а на участках 1-2 и 4-1 теплота поглощается газом.) (Слайд 4)

4. Изучение нового материала

Все физические явления и законы находят применение в повседневной жизни человека. Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать этими запасами недостаточно. Необходимо за счет энергии уметь приводить в действие устройства, способные совершать работу. (Слайд 5)

Что является источником энергии? (различные виды топлива, энергия ветра, солнца, приливов и отливов)

Существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой.

Тепловой двигатель – устройство, превращающее внутреннею энергию топлива в механическую энергию. (Слайд 6)

Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. Тепловая машина работает циклично.

Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. (Слайд 7)

КПД замкнутого цикла (Слайд 8)

Q 1 – количество теплоты полученное от нагревания Q 1 >Q 2

Q 2 – количество теплоты отданное холодильнику Q 2

A / = Q 1 – |Q 2 | – работа совершаемая двигателем за цикл?

Цикл C. Карно (Слайд 9)

T 1 – температура нагревания.

Т 2 – температура холодильника.

На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. На водном транспорте также использовались вначале паровые двигатели, сейчас используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные турбины для крупных судов.

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей (в основном мощных паровых турбин) на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Около 80 % всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях.

Тепловые двигатели (паровые турбины) устанавливают также на атомных электростанциях.Газовые турбины широко используются в ракетах, в железнодорожном и автомобильном транспорте.

На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели).

В авиации на легких самолетах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах – турбовинтовые и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах. (Слайд 10)

(Показ видеофрагментов работы турбореактивного двигателя.)

Рассмотрим более подробно работу двигателя внутреннего сгорания. Просмотр видеофрагмента. (Слайд 11)

Работа четырехтактного ДВС.
1 такт: впуск.
2 такт: сжатие.
3 такт: рабочий ход.
4 такт: выпуск.
Устройство: цилиндр, поршень, коленчатый вал, 2 клапана(впуск и выпуск), свеча.
Мертвые точки – крайнее положение поршня.
Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

  • Паровой двигатель – 8%
  • Паровая турбина – 40%
  • Газовая турбина – 25-30%
  • Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%
  • Дизельный двигатель – 40– 44%
  • Реактивный двигатель – 25% (Слайд 112)

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды (Слайд 13)

Неуклонный рост энергетических мощностей – все большее распространение укрощенного огня – приводит к тому, что количество выделяемой теплоты становится сопоставимым с другими компонентами теплового баланса в атмосфере. Это не может не приводить к повышению средней температуры на Земле. Повышение температуры может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня Мирового океана. Но этим не исчерпываются негативные последствия применения тепловых двигателей. Растет выброс в атмосферу микроскопических частиц – сажи, пепла, измельченного топлива, что приводит к увеличению “парникового эффекта”, обусловленного повышением концентрации углекислого газа в течение длительного промежутка времени. Это приводит к повышению температуры атмосферы.

Выбрасываемые в атмосферу токсические продукты горения, продукты неполного сгорания органического топлива – оказывают вредное воздействие на флору и фауну. Особую опасность в этом отношении представляют автомобили, число которых угрожающе растет, а очистка отработанных газов затруднена.

Все это ставит ряд серьезных проблем перед обществом. (Слайд 14)

Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях, а также увеличения эффективности использования энергии, экономии ее на производстве и в быту.

Альтернативные двигатели:

  • 1. Электрические
  • 2. Двигатели, работающие на энергии солнца и ветра (Слайд 15)

Пути решения экологических проблем:

    Использование альтернативного топлива.

    Использование альтернативных двигателей.

    Оздоровление окружающей среды.

    Воспитание экологической культуры. (Слайд 16)

5. Закрепление материала

Всем вам предстоит всего лишь через год сдавать единый государственный экзамен. Предлагаю вам решить несколько задач из части А демоверсии по физике за 2009 год. Задание вы найдете на рабочих столах ваших компьютеров.

6. Подведение итогов урока

С момента, когда была построена первая паровая машина, до настоящего времени прошло более 240 лет. За это время тепловые машины сильно изменили содержание жизнь человека. Именно применение этих машин позволило человечеству шагнуть в космос, раскрыть тайны морских глубин.

Выставляет оценки за работу на уроке.

7. Домашнее задание:

§ 82 (Мякишев Г.Я.), упр. 15 (11, 12) (Слайд 17)

8. Рефлексия

Прежде чем покинуть класс просьба заполнить таблицу.

Цикл теплового двигателя: преобразование тепловой энергии

В тепловых двигателях преобразование тепловой энергии в механическую работу происходит по круговым процессам или циклам. «Цикл» представляет собой два или более процессов, при осуществлении которых рабочее тело возвращается в первоначальное состояние. Работа теплового двигателя является результатом неоднократного повторения циклов. Циклы бывают идеальные, теоретические и рабочие.

В идеальном цикле в качестве рабочего тела рассматривают «идеальный газ». Условно принимают, что теплообмен между газами и окружающей средой отсутствует и потерь энергии нет. Такой цикл позволяет исследовать основные закономерности процессов и судить о его экономичности с учетом принятых допущений.

Теоретический цикл – это расчетный цикл, в котором за рабочее тело принят реальный газ. Теоретический цикл строится расчетным путем и близок к рабочему. Он используется при проектировании и определении основных размеров и расчетных характеристик двигателя.

Рабочим циклом называется действительный цикл, осуществляемый в тепловом двигателе. Цикл теплового двигателя состоит из следующих основных термодинамических процессов.

Изохорический процесс (V = const) протекает при постоянном объеме: сообщаемое газу тепло целиком идет на изменение его внутренней энергии.

Изобарический процесс (p = const) протекает при постоянном давлении: подводимое в процессе тепло идет на увеличение внутренней энергии и на совершение механической работы.

Изотермический процесс (pV = const) протекает при постоянной температуре: сообщенное газу в процессе 1-4 тепло полностью идет на совершение механической работы.

Адиабатический процесс (pVk = const) протекает без теплообмена, т.е. тепло газу не сообщается и от газа не отводится.

Политропический процесс – это обобщенный термодинамический процесс, частными случаями которого являются все рассмотренные выше процессы.

Похожие статьи

Метки: Цикл теплового двигателя, Двигатель, Преобразование тепловой энергии

Для того, чтобы оставить комментарий, войдите или зарегистрируйтесь.

Работа совершаемая двигателем. Принцип действия тепловых машин. тепловые двигатели. кпд тепловых двигателей. экологические проблемы использования тепловых двигателей. О топливной эффективности дизеля

КПД характеризует эффективность двигателя в сфере преобразования и передачи энергии. Этот показатель часто измеряется в процентах. Формула КПД:

η*A/Qx100 %, где Q — затраченная энергия, А — полезная работа.

Исходя из закона сохранения энергии, можно сделать вывод, что КПД будет всегда меньше единицы. Другими словами, полезной работы никогда не будет больше, чем на нее затрачено энергии.

КПД двигателя — это отношение полезной работы к энергии, сообщенной нагревателем. Его можно представить в виде такой формулы:

η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1 , где Q 1 — теплота, полученная от нагревателя, а Q 2 — отданная холодильнику.

Работа теплового двигателя

Работа, совершаемая тепловым двигателем, рассчитывается по такой формуле:

A = |Q H | — |Q X |, где А — работа, Q H — количество теплоты, получаемое от нагревателя, Q X — количество теплоты, отдаваемое охладителю.

|Q H | — |Q X |)/|Q H | = 1 — |Q X |/|Q H |

Он равняется отношению работы, которую совершает двигатель, к количеству полученной теплоты. Часть тепловой энергии при этой передаче теряется.

Двигатель Карно

Максимальное КПД теплового двигателя отмечается у прибора Карно. Это обусловлено тем, что в указанной системе он зависит только лишь от абсолютной температуры нагревателя (Тн) и охладителя (Тх). КПД теплового двигателя, работающего по определяется по следующей формуле:

(Тн — Тх)/ Тн = — Тх — Тн.

Законы термодинамики позволили высчитать максимальный КПД, который возможен. Впервые этот показатель вычислил французский ученый и инженер Сади Карно. Он придумал тепловую машину, которая функционировала на идеальном газу. Она работает по циклу из 2 изотерм и 2 адиабат. Принцип ее работы довольно прост: к сосуду с газом подводят контакт нагревателя, вследствие чего рабочее тело расширяется изотермически. При этом оно функционирует и получает определенное количество теплоты. После сосуд теплоизолируют. Несмотря на это, газ продолжает расширяться, но уже адиабатно (без теплообмена с окружающей средой). В это время его температура снижается до показателей холодильника. В этот момент газ контактирует с холодильником, вследствие чего отдает ему определенное количество теплоты при изометрическом сжатии. Потом сосуд снова теплоизолируют. При этом газ адиабатно сжимается до первоначального объема и состояния.

Разновидности

В наше время существует много типов тепловых двигателей, которые работают по разным принципам и на различном топливе. У всех у них свой КПД. К ним относятся следующие:

Двигатель внутреннего сгорания (поршневой), представляющий собой механизм, где часть химической энергии сгорающего топлива переходит в механическую энергию. Такие приборы могут быть газовыми и жидкостными. Различают 2- и 4-тактные двигатели. У них может быть рабочий цикл непрерывного действия. По методу приготовления смеси топлива такие двигатели бывают карбюраторными (с внешним смесеобразованием) и дизельными (с внутренним). По видам преобразователя энергии их разделяют на поршневые, реактивные, турбинные, комбинированные. КПД таких машин не превышает показателя в 0,5.

Двигатель Стирлинга — прибор, в котором рабочее тело находится в замкнутом пространстве. Он является разновидностью двигателя внешнего сгорания. Принцип его действия основан на периодическом охлаждении/нагреве тела с получением энергии вследствие изменения его объема. Это один из самых эффективных двигателей.

Турбинный (роторный) двигатель с внешним сгоранием топлива. Такие установки чаще всего встречаются на тепловых электрических станциях.

Турбинный (роторный) ДВС используется на тепловых электрических станциях в пиковом режиме. Не так сильно распространен, как другие.

Турбиновинтовой двигатель за счет винта создает некоторую часть тяги. Остальное он получает за счет выхлопных газов. Его конструкция представляет собой роторный двигатель на вал которого насаживают воздушный винт.

Другие виды тепловых двигателей

Ракетные, турбореактивные и которые получают тягу за счет отдачи выхлопных газов.

Твердотельные двигатели используют в качестве топлива твердое тело. При работе изменяется не его объем, а форма. При эксплуатации оборудования используется предельно малый перепад температуры.

Как можно повысить КПД

Возможно ли повышение КПД теплового двигателя? Ответ нужно искать в термодинамике. Она изучает взаимные превращения разных видов энергии. Установлено, что нельзя всю имеющуюся механическую и т. п. При этом преобразование их в тепловую происходит без каких-либо ограничений. Это возможно из-за того, что природа тепловой энергии основана на неупорядоченном (хаотичном) движении частиц.

Чем сильнее разогревается тело, тем быстрее будут двигаться составляющие его молекулы. Движение частиц станет еще более беспорядочным. Наряду с этим все знают, что порядок можно легко превратить в хаос, который очень трудно упорядочить.

Наша сегодняшняя встреча посвящена тепловым двигателям. Именно они приводят в движение большинство видов транспорта, позволяют получать электроэнергию, несущую нам тепло, свет и комфорт. Как устроены и каков принцип действия тепловых машин?

Понятие и виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели — устройства, обеспечивающие превращение химической энергии топлива в механическую работу.

Осуществляется это следующим образом: расширяющийся газ давит либо на поршень, вызывая его перемещение, либо на лопасти турбины, сообщая ей вращение.

Взаимодействие газа (пара) с поршнем имеет место в , карбюраторных и дизельных двигателях (ДВС).

Примером действия газа, создающим вращение является работа авиационных турбореактивный двигателей.

Структурная схема работы теплового двигателя

Несмотря на отличия в их конструкции, все тепловые машины имеют нагреватель, рабочее вещество (газ или пар) и холодильник.

В нагревателе происходит сгорание топлива, в результате чего выделяется количество теплоты Q1, а сам нагреватель при этом нагревается до температуры T1. Рабочее вещество, расширяясь, совершает работу A.

Но теплота Q1 не может полностью превратится в работу. Определенная ее часть Q2 через теплопередачу от нагревшегося корпуса, выделяется в окружающую среду, условно называемую холодильником с температурой T2.

О паровых двигателях

Хронология этого изобретения ведёт свой отсчёт от эпохи Архимеда, придумавшего пушку, стрелявшую с помощью пара. Затем следует череда славных имён, предлагавших свои проекты. Наиболее эффективный вариант устройства принадлежит русскому изобретателю Ивану Ползунову. В отличие от своих предшественников он предложил непрерывный ход рабочего вала за счёт использования попеременной работы 2-х цилиндров.

Сгорание топлива и образование пара у паровых машин происходит вне рабочей камеры. Поэтому их называют двигателями внешнего сгорания.

По такому же принципу образуется рабочее тело в паровых и газовых турбинах. Их далеким прообразом явился шар, вращаемый паром. Автором этого механизма был учёный Герон, творивший свои машины и приборы, в древней Александрии.

О двигателях внутреннего сгорания

В конце XIX века немецким конструктором Августом Отто была предложена конструкция ДВС с карбюратором, где приготавливается топливовоздушная смесь.

Остановимся более подробно на его работе. Каждый цикл работы состоит из 4-х тактов: впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.

Во время первого такта горючая смесь впрыскивается в цилиндр и сжимается поршнем. Когда компрессия достигает максимума, срабатывает система электроподжига (искра от свечи). В результате этого микровзрыва температура в камере сгорания достигает 16 000 — 18 000 градусов. Образующиеся газы давят на поршень, толкают его, проворачивая соединенный с поршнем коленчатый вал. Это и есть рабочий ход, приводящий автомобиль в движение.

А охладившиеся газы через выпускной клапан выбрасываются в атмосферу. Пытаясь улучшить эффективность работы устройства, разработчики увеличивали степень сжатия горючей смеси, но тогда она самовоспламенялась «досрочно».

Немецкий инженер Дизель нашел интересный выход из этого затруднения…

В цилиндрах дизеля за счёт движения поршня сжимается чистый воздух. Это позволило в несколько раз увеличить степень сжатия. Температура в камере сгорания достигает 900 град. В конце такта сжатия туда впрыскивается солярка. Её мелкие капли, смешавшись со столь разогретым воздухом, самовоспламеняются. Образующиеся газы, расширяясь, давят на поршень, осуществляя рабочий ход.

Итак, дизельные двигатели отличаются от карбюраторных:

  • По роду используемого топлива. Карбюраторные двигатели — бензиновые. Дизельные — потребляют исключительно солярку.
  • Дизель на 15–20 % экономичнее карбюраторных двигателей за счёт большей степени сжатия, но его обслуживание дороже, чем у его соперника — бензинового двигателя.
  • В числе минусов дизеля — в холодные российские зимы солярка загустевает, нужен её подогрев.
  • Последние исследования американских учёных показали, что выбросы от дизельных двигателей по составу менее вредны, чем от их бензиновых аналогов.

Многолетняя конкуренция между двумя видами ДВС завершилась распределением сферы их использования. Дизельные двигатели как более мощные устанавливаются на морском транспорте, на тракторах и автомобилях большой грузоподъёмности, а карбюраторные — на автомобили малой и средней грузоподъемности, на моторные лодки, мотоциклы и т. д.

Коэффициент полезного действия (КПД)

Эффективность эксплуатации любого механизма определяется его КПД. Паровой двигатель, выпускающий отработанный пар в атмосферу, имеет весьма низкий КПД от 1 до 8%, бензиновые двигатели до 30%, обычный дизельный двигатель до 40%. Безусловно, во все времена инженерная мысль не останавливалась и искала пути повышения КПД.

Талантливый французский инженер Сади Карно разработал теорию работы идеального теплового двигателя.

Его рассуждения были следующими: чтобы обеспечить повторяемость циклов, необходимо, чтобы расширение рабочего вещества при нагревании сменялось его сжатием до первоначального состояния. Этот процесс может совершаться только за счёт работы внешних сил. Причём работа этих сил должна быть меньше полезной работы самого рабочего тела. Для этого следует понизить его давление путём охлаждения в холодильнике. Тогда график всего цикла будет иметь вид замкнутого контура, он то и стал называться циклом Карно. Максимальный КПД идеального двигателя вычисляется по формуле:

Где η сам коэффициент полезного действия, T1 и T2 абсолютные температуры нагревателя и холодильника. Они вычисляются по формуле T= t+273, где t температура по Цельсию. Из формулы видно, что для увеличения КПД необходимо увеличить температуру нагревателя, что ограничено жаропрочностью материала, или понизить температуру холодильника. Максимальный КПД будет при Т= 0К, что также технически неосуществимо.

Реальный коэффициент всегда меньше КПД идеального теплового двигателя. Сравнивая реальный коэффициент с идеальным, можно определить резервы для совершенствования имеющегося двигателя.

Работая в этом направлении, конструкторы снабдили бензиновые двигатели последнего поколения инжекторными системами подачи топлива (впрыскивателями). Это позволяет с помощью электроники добиться его полного сгорания и соответственно увеличить КПД.

Изыскиваются пути уменьшения трения соприкасающихся деталей двигателя, а также улучшения качества используемого топлива.

Прежде природа угрожала человеку, а теперь человек угрожает природе

Со следствиями неразумной деятельности человека приходится сталкиваться уже нынешнему поколению. И значительный вклад в нарушение хрупкого равновесия природы вносит огромный объём тепловых двигателей, используемых на транспорте, в сельском хозяйстве, а также паровых турбин электростанций.

Это вредное воздействие проявляется в колоссальных выбросах и повышении содержания углекислого газа в атмосфере. Процесс сгорания топлива сопровождается потреблением атмосферного кислорода в таких масштабах, что это превышает его выработку всей земной растительностью.

Значительная часть тепла от двигателей рассеивается в окружающей среде. Этот процесс, усугубляемый парниковым эффектом, приводит к повышению среднегодовой температуры на Земле. А глобальное потепление чревато катастрофическими последствиями для всей цивилизации.

Чтобы ситуация не усугублялась, необходима эффективная очистка, отработанных газов, переход на новые экологические стандарты, предъявляющие более жёсткие требования к содержанию вредных веществ в выхлопных газах.

Очень важно использовать только качественное топливо. Хорошие перспективы ожидаются от использования в качестве горючего водорода, поскольку при его сгорании вместо вредных выбросов образуется вода.

В недалеком будущем значительная часть автомобилей, работающих на бензине, будет заменена электромобилями.

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя

Двигатель, в котором происходит превращение внутренней энергии топлива, которое сгорает, в механическую работу.

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: нагревателя , рабочего тела (газ, жидкость и др.) и холодильника . В основе работы двигателя лежит циклический процесс (это процесс, в результате которого система возвращается в исходное состояние).

Прямой цикл теплового двигателя

Общее свойство всех циклических (или круговых) процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q 1 (происходит расширение) и отдает холодильнику количество теплоты Q 2 , когда возвращается в исходное состояние и сжимается. Полное количество теплоты Q=Q 1 -Q 2 , полученное рабочим телом за цикл, равно работе, которую выполняет рабочее тело за один цикл.

Обратный цикл холодильной машины

При обратном цикле расширение происходит при меньшем давлении, а сжатие — при большем. Поэтому работа сжатия больше, чем работа расширения, работу выполняет не рабочее тело, а внешние силы. Эта работа превращается в теплоту. Таким образом, в холодильной машине рабочее тело забирает от холодильника некоторое количество теплоты Q 1 и передает нагревателю большее количество теплоты Q 2 .

Коэффициент полезного действия

Прямой цикл:


Показатель эффективности холодильной машины:


Цикл Карно

В тепловых двигателях стремятся достигнуть наиболее полного превращения тепловой энергии в механическую. Максимальное КПД.

На рисунке изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном двигателе и в дизельном двигателе. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30%, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Французский физик С.Карно разработал работу идеального теплового двигателя. Рабочую часть двигателя Карно можно представить себе в виде поршня в заполненном газом цилиндре. Поскольку двигатель Карно — машина чисто теоретическая, то есть идеальная , силы трения между поршнем и цилиндром и тепловые потери считаются равными нулю. Механическая работа максимальна, если рабочее тело выполняет цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот цикл называют циклом Карно .

участок 1-2: газ получает от нагревателя количество теплоты Q 1 и изотермически расширяется при температуре T 1
участок 2-3: газ адиабатически расширяется, температура снижается до температуры холодильника T 2
участок 3-4: газ экзотермически сжимается, при этом он отдает холодильнику количество теплоты Q 2
участок 4-1: газ сжимается адиабатически до тех пор, пока его температура не повысится до T 1 .
Работа, которую выполняет рабочее тело — площадь полученной фигуры 1234.

Функционирует такой двигатель следующим образом:

1. Сначала цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром, и идеальный газ расширяется при постоянной температуре. На этой фазе газ получает от горячего резервуара некое количество тепла.
2. Затем цилиндр окружается идеальной теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется, и газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.
3. На третьей фазе теплоизоляция снимается, и газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.
4. Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией, и газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого теплоизоляция удаляется и цикл повторяется вновь с первой фазы.

Работа, совершаемая двигателем, равна:

Впервые этот процесс был рассмотрен французским инженером и ученым Н. Л. С. Карно в 1824 г. в книге «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».

Целью исследований Карно было выяснение причин несовершенства тепловых машин того времени (они имели КПД ≤ 5 %) и поиски путей их усовершенствования.

Цикл Карно — самый эффективный из всех возможных. Его КПД максимален.

На рисунке изображены термодинамические процес-сы цикла. В процессе изотермического расширения (1-2) при температуре T 1 , работа совершается за счет измене-ния внутренней энергии нагревателя, т. е. за счет подве-дения к газу количества теплоты Q :

A 12 = Q 1 ,

Охлаждение газа перед сжатием (3-4) происходит при адиабатном расширении (2-3). Изменение внутренней энергии ΔU 23 при адиабатном процессе (Q = 0 ) полностью преобразуется в механическую работу:

A 23 = -ΔU 23 ,

Температура газа в результате адиабатического рас-ширения (2-3) понижается до температуры холодильни-ка T 2 T 1 . В процессе (3-4) газ изотермически сжимает-ся, передавая холодильнику количество теплоты Q 2 :

A 34 = Q 2 ,

Цикл завершается процессом адиабатического сжатия (4-1), при котором газ нагревается до температуры Т 1 .

Максимальное значение КПД тепловых двигателей, работающих на идеальном газе, по циклу Карно:

.

Суть формулы выражена в доказанной С . Карно теореме о том, что КПД любого теплового двигателя не может превышать КПД цикла Карно, осуществляемого при той же температуре нагревателя и холодильника.

Двигатели внешнего сгорания

Энергосберегающие технологии: Теплоэнергетическая установка FX-38 на основе двигателя внешнего сгорания с сжиганием газообразного топлива

Принцип работы

Предлагаемая инновационная технология основана на использовании высокоэффективного четырехцилиндрового двигателя внешнего сгорания. Это — тепловой двигатель. Тепло может поставляться от внешнего источника тепла или производиться путем сжигания широкого спектра видов топлива внутри камеры сгорания.

Тепло поддерживается при постоянной температуре в одном отделении двигателя, где оно преобразуется в водород, находящийся под давлением. Расширяясь, водород толкает поршень. В отделении двигателя с низкой температурой водород охлаждается при помощи аккумуляторов тепла и охладителей жидкости. При расширении и сжатии водород вызывает возвратно-поступательное движение поршня, которое преобразуется во вращательное движение при помощи наклонной шайбы, которая приводит в действие стандартный, емкостный электрический генератор. В процессе охлаждения водорода также производится тепло, которое можно использовать для комбинированного производства электроэнергии и тепла во вспомогательных процессах.

Общее описание

Теплоэнергетическая установка FX-38 представляет собой единый модуль «двигатель-генератор», который включает двигатель внешнего сгорания, систему сгорания, работающую на пропане, природном газе, попутном нефтяном газе, других видах топлива со средней и низкой энергоемкостью (биогаз), индуктивный генератор, систему контроля двигателя, защищенный от атмосферных воздействий корпус со встроенной системой вентиляции и другое вспомогательное оборудование для параллельной работы с сетью высокого напряжения.

Номинальная мощность по электричеству при работе на природном газе или биогазе при частоте 50 Гц составляет 38 кВт. Кроме того, установка производит 65 кВт-ч извлекаемого тепла с поставляемой по специальному заказу системой комбинированного производства тепла и электроэнергии.

Установка FX-38 может быть оснащена различными опциями системы охлаждения для обеспечения гибкости схемы установки. Продукт разработан для простого подключения к электрическим контактам, системам подачи топлива и внешним трубам системы охлаждения, если оборудованы таковыми.

Дополнительные детали и опции

  • Модуль измерения мощности (обеспечивает установленный трансформатор тока для считывания на дисплее параметров переменного тока)
  • Опция дистанционного мониторинга по интерфейсу RS-485
  • Опции встроенного, либо удаленно смонтированного радиатора
  • Опция использования пропанового топлива
  • Опция использования природного газа
  • Опция использования попутного нефтяного газа
  • Опция использования топлива низкой энергоемкости

Установка FX-48 может применяться в нескольких вариантах следующим образом:

  • Параллельное подключение к высоковольтной сети при 50 Гц, 380 В переменного тока
  • Режим совместной выработки тепла и электроэнергии

Эксплуатационные характеристики установки

Выходная мощность складывается из электрической мощности и тепловой мощности. Для работы при частоте 50 Гц установка работает с тепловым коэффициентом 12230 кДж/кВт-ч (низшая теплота сгорания) и рассчитана на электрическую мощность 38 кВт. Показатель вырабатываемой электроэнергии 38 кВт включает паразитные потери, связанные с радиатором системы охлаждения, водяным насосом, вентилятором подачи воздуха в камеру сжигания, масляным насосом, контрольной системой и системой вентиляции блока.

В режиме производства электроэнергии и тепла при частоте 50 Гц установка производит 65 кВт-ч извлекаемого тепла. Продукт оборудован системой труб, готовой для подключения к поставляемому заказчиком теплообменнику типа жидкость/жидкость. Горячая сторона теплообменника представляет собой схему замкнутого цикла с охладителем кожуха двигателя и встроенным радиатором системы, если таковые присутствуют. Холодная сторона теплообменника предназначена для схем теплоприемника заказчика.

Техническое обслуживание

Установка предназначена для непрерывной работы и отбора мощности. Базовая проверка эксплуатационных характеристик проводится заказчиком с интервалом в 1000 часов и включает проверку системы водяного охлаждения и уровня масла. Через 10000 часов эксплуатации производится обслуживание передней части установки, включающее замену поршневого кольца, сальника штока, ремня привода и различных сальников. Специфические ключевые компоненты проверяются на износ. Скорость работы двигателя составляет 1500 оборотов в минуту для работы на частоте 50 Гц.

Бесперебойность

Бесперебойность работы установки составляет свыше 95%, исходя из интервалов эксплуатации, и учитывается при графике технического обслуживания.

Уровень звукового давления

Уровень звукового давления блока без встроенного радиатора составляет 64 дБА на расстоянии 7 метров. Уровень звукового давления блока с встроенным радиатором с вентиляторами охлаждения составляет 66 дБА на расстоянии 7 метров.

Выбросы

При работе на природном газе выбросы двигателя меньше или равны 0,0574 г/Нм3 NOx, 15,5 г/Нм3 летучих органических соединений и 0,345 г/Нм3 СО.

Газообразное топливо

Двигатель рассчитан на работу на различных типах газообразного топлива со значениями низшей теплоты сгорания от 13,2 до 90,6 МДж/Нм3, попутный нефтяной газ, природный газ, угольный метан, газ вторичной переработки, пропан и биогаз полигонов ТБО. Для охвата данного диапазона устройство может быть заказано со следующими конфигурациями топливной системы:

Система сгорания требует регулируемого давления подачи газа в 124-152 мбар для всех типов топлива.

Окружающая среда

Установка в стандартном исполнении работает при температуре окружающей среды от -20 до +50°С.

Описание установки

Теплоэнергетическая установка FX-38 полностью готова для выработки электроэнергии в заводской поставке. Встроенный электрический пульт монтируется на блок для удовлетворения требований интерфейса и контроля. Устойчивый к атмосферным воздействиям цифровой дисплей, встроенный в электрический пульт, обеспечивает оператору интерфейс запуска, остановки и перезапуска с помощью кнопок. Электрический пульт также служит основным местом подключения оконечного электрического устройства заказчика, а также с оконечными устройствами проводной связи.

Установка способна достигать выходной мощности полной нагрузки примерно через 3-5 минут с момента запуска в зависимости от изначальной температуры системы. Последовательность запуска и установки приводится в действие нажатием кнопки.

После команды пуска установка подключается к высоковольтной сети путем закрытия внутреннего контактора на сеть. Двигатель немедленно поворачивается, очищая камеру сжигания до открытия топливных клапанов. После открытия топливного клапана энергия подается на запальное устройство, поджигая топливо в камере сжигания. Наличие сжигания определяется по повышению температуры рабочего газа, что приводит в действие процедуру управления разгоном до точки рабочей температуры. После этого пламя остается самоподдерживающимся и постоянным.

После команды остановки установки сначала закрывается топливный клапан для прекращения процесса сжигания. По прошествии предварительно установленного времени, в течение которого механизм охлаждается, откроется контактор, отключая установку от сети. В случае если таковые установлены, вентиляторы радиатора могут работать некоторое время для уменьшении температуры охлаждающей жидкости.

В установке используется двигатель внешнего сгорания с постоянной длиной хода, подключенный к стандартному индукционному генератору. Устройство работает параллельно с высоковольтной сетью или параллельно с системой распределения энергии. Индукционный генератор не создает своего собственного возбуждения: он получает возбуждение от подключенного источника электросети. Если напряжение в электросети исчезает, установка отключается.

Описание узлов установки

Конструкция установки обеспечивает ее простой монтаж и подключение. Имеются внешние соединения для топливных труб, оконечных устройств электроэнергии, интерфейсов коммуникаций и, если это предусмотрено, внешнего радиатора и система труб теплообменника жидкость/жидкость. Установку можно заказать в комплекте со встроенным или удаленно монтированным радиатором и/или системой труб теплообменника жидкость/жидкость для охлаждения двигателя. Также предоставляются инструменты для безопасного отключения и логические схемы управления, разработанные специально для желаемого режима работы.

Кожух имеет две эксплуатационные панели на каждой стороне отделения двигатель/генератор и внешнюю однопетельную дверь для доступа к электрическому отделению.

Вес установки: около 1770 кг.

Двигатель является 4-цилиндровым (260 см3/цилиндр) двигателем внешнего сгорания, поглощающим тепло непрерывного сжигания газового топлива в камере внутреннего сгорания, и включает следующие встроенные компоненты:

  • Вентилятор подачи воздуха в камеру сгорания, приводится в действие двигателем
  • Воздушный фильтр камеры сгорания
  • Топливная система и кожух камеры сгорания
  • Насос для смазочного масла, приводится в действие двигателем
  • Охладитель и фильтр для смазочного масла
  • Водяной насос системы охлаждения двигателя, приводится в действие двигателем
  • Температурный датчик воды в системе охлаждения
  • Датчик давления смазочного масла
  • Датчик давления и температуры газа
  • Все необходимое контрольное и защитное оборудование

Характеристики генератора приводятся ниже:

  • Номинальная мощность 38 кВт при 50 Гц, 380 В переменного тока
  • Электрический КПД 95,0% при коэффициенте мощности 0,7
  • Возбуждение от коммунальной электросети при помощи индукционного мотора/генераторного возбудителя
  • Менее 5% общих гармонических искажений от отсутствия нагрузки до полной нагрузки
  • Класс изоляции F

Интерфейс оператора – цифровой дисплей обеспечивает управление установкой. Оператор может запустить и остановить установку с цифрового дисплея, посмотреть время работы, рабочие данные и предупреждения/сбои. При установке опционального модуля измерения мощности оператор может видеть многие электрические параметры, такие как вырабатываемая мощность, киловатт-часы, киловатт-амперы и коэффициент мощности.

Функция диагностики оборудования и сбора данных встроена в систему контроля установки. Диагностическая информация упрощает удаленный сбор данных, отчет по данным и устранение неисправностей устройства. Эти функции включают сбор системных данных, таких как информация о рабочем состоянии, все механические рабочие параметры, такие как температура и давление цилиндров, а также, если подключен опциональный измеритель мощности, – электрические параметры значений вырабатываемой мощности. Данные могут быть переданы через стандартный порт соединения RS-232 и показаны на персональном компьютере или ноутбуке при помощи программного обеспечения для сбора данных. Для нескольких установок или в случаях, когда расстояние передачи сигнала превышает возможности RS-232, для получения данных используется опциональный порт RS-485 с использованием протокола MODBUS RTU.

Для переноса горячих выхлопных газов от системы сгорания используются трубы из нержавеющей стали. К выхлопной трубе в месте выхода из кожуха прикреплена сбалансированная выхлопная заслонка с защитным колпаком от дождя и снега.

Для охлаждения могут применяться различные прикладные технологии и конфигураций:

Встроенный радиатор – предоставляет собой радиатор, рассчитанный на температуру окружающей среды до +50°C. Все трубы подключаются в заводских условиях. Это типичная технология в случае, если не используется утилизация отходящего тепла.

Внешний радиатор – предназначен для установки заказчиком, рассчитан на температуру окружающей среды до +50°C. Короткие несущие ножки поставляются с радиатором для монтажа на контактном столике. При необходимости установки в помещении можно использовать данный вариант вместо предоставления системы вентиляции, требуемой для подачи охлаждающего воздуха во встроенный радиатор.

Внешняя система охлаждения – предоставляет систему труб снаружи кожуха для поставляемой заказчиком системы охлаждения. Ей может выступать теплообменник или удаленно монтированный радиатор.

Хладагент состоит из 50% воды и 50% этиленгликоля по объему: можно заменить смесью пропиленгликоля и воды, при необходимости.

Установка FX-38 использует водород в качестве рабочего тела для приведения в движение поршней двигателей по причине высоких способностей водорода к передаче тепла. В нормальном режиме работы потребляется предсказуемое количество водорода из-за нормальных утечек, вызванных проницаемостью материала. Для учета этого темпа потребления место установки требует наличия одного или нескольких наборов баллонов с водородом, отрегулированных и подсоединенных к блоку. Внутри установки встроенный водородный компрессор увеличивает давление в баллоне до более высокого давления в двигателе и вводит малые порции по запросу встроенного программного обеспечения. Встроенная система не требует технического обслуживания, а баллоны подлежат замене в зависимости от работы двигателя.

Для подачи топлива поставляется труба со стандартной трубной резьбой 1 дюйм для всех стандартных типов топлива, за исключением низкоэнергетических вариантов, для которых используется стандартная трубная резьба 1 1/2 дюйма. Требования к давлению топлива для всех видов газообразного топлива составляют от 124 до 152 мбар.

В любом тепловом двигателе имеется. Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей — Гипермаркет знаний. Пример решения задач

>>Физика: Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии еще недостаточно. Необходимо еще уметь за счет энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта , тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели . Тепловые двигатели — это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую.
Принципы действия тепловых двигателей. Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.
Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T 1 . Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру T 1 температурой нагревателя.»
Роль холодильника. По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры T 2 , которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника . Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы . В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры атмосферы.
Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть теплоты неизбежно передается холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии теряется.
Тепловой двигатель совершает работу за счет внутренней энергии рабочего тела. Причем в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику).
Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 13.11.
Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q 1 совершает работу A ´ и передает холодильнику количество теплоты Q 2 .
Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя .Невозможность полного превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в природе. Если бы тепло могло самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя.
Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:

где Q 1 — количество теплоты, полученное от нагревателя, а Q 2 — количество теплоты, отданное холодильнику.
Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют отношение работы , совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя:

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η.
КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При T 1 -T 2 =0 двигатель не может работать.
Максимальное значение КПД тепловых двигателей. Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру T 1 , и холодильником с температурой T 2 . Впервые это сделал французский инженер и ученый Сади Карно (1796-1832) в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824).
Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу, состоящему из двух изотерм и двух адиабат. Сначала сосуд с газом приводят в контакт с нагревателем, газ изотермически расширяется, совершая положительную работу, при температуреT 1 , при этом он получает количество теплоты Q 1 .
Затем сосуд теплоизолируют, газ продолжает расширяться уже адиабатно, при этом его температура понижается до температуры холодильника T 2 . После этого газ приводят в контакт с холодильником, при изотермическом сжатии он отдает холодильнику количество теплоты Q 2 , сжимаясь до объема V 4 . Затем сосуд снова термоизолируют, газ сжимается адиабатно до объема V 1 и возвращается в первоначальное состояние.
Карно получил для КПД этой машины следующее выражение:

Как и следовало ожидать, КПД машины Карно прямо пропорционален разности абсолютных температур нагревателя и холодильника.
Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру T 1 , и холодильником с температурой T 2 , не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

Формула (13.19) 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. Так, для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: T 1 ≈800 K и T 2 ≈300 K. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно:

Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40%. Максимальный КПД — около 44% — имеют двигатели Дизеля.
Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.
Тепловые двигатели совершают работу благодаря разности давлений газа на поверхностях поршней или лопастей турбины. Эта разность давлений создается с помощью разности температур. Максимально возможный КПД пропорционален этой разности температур и обратно пропорционален абсолютной температуре нагревателя.
Тепловой двигатель не может работать без холодильника, роль которого обычно играет атмосфера .

???
1. Какое устройство называют тепловым двигателем ?
2. Какова роль нагревателя, холодильника и рабочего тела в тепловом двигателе?
3. Что называется коэффициентом полезного действия двигателя?
4. Чему равно максимальное значение коэффициента полезного действия теплового двигателя?

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,

Тепловым называется двигатель, выполняющий работу за счет источника тепловой энергии.

Тепловая энергия (Q нагревателя ) от источника передается двигателю, при этом часть полученной энергии двигатель тратит на выполнение работы W , неизрасходованная энергия (Q холодильника ) отправляется в холодильник, роль которого может выполнять, например окружающий воздух. Тепловой двигатель может работать только в том случае, если температура холодильника меньше температуры нагревателя.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя можно рассчитать по формуле: КПД = W/Q нг .

КПД=1 (100%) в том случае, если вся тепловая энергия превращается в работу. КПД=0 (0%) в том случае, если никакая тепловая энергия не превращается в работу.

КПД реального теплового двигателя лежит в промежутке от 0 до 1, чем выше КПД, тем эффективнее двигатель.

Q х /Q нг = T х /T нг КПД = 1-(Q х /Q нг) КПД = 1-(T х /T нг)

Учитывая третье начало термодинамики , которое гласит, что температуру абсолютного нуля (Т=0К) достичь невозможно, можно сказать, что невозможно разработать тепловой двигатель с КПД=1, поскольку всегда T х >0.

КПД теплового двигателя будет тем больше, чем выше температура нагревателя, и ниже температура холодильника.

Работу многих видов машин характеризует такой важный показатель, как КПД теплового двигателя. Инженеры с каждым годом стремятся создавать более совершенную технику, которая при меньших давала бы максимальный результат от его использования.

Устройство теплового двигателя

Прежде чем разбираться в том, что такое необходимо понять, как же работает этот механизм. Без знания принципов его действия нельзя выяснить сущность этого показателя. Тепловым двигателем называют устройство, которое совершает работу благодаря использованию внутренней энергии. Любая тепловая машина, превращающая в механическую, использует тепловое расширение веществ при повышении температуры. В твердотельных двигателях возможно не только изменение объема вещества, но и формы тела. Действие такого двигателя подчинено законам термодинамики.

Принцип функционирования

Для того чтобы понять, как же работает тепловой двигатель, необходимо рассмотреть основы его конструкции. Для функционирования прибора необходимы два тела: горячее (нагреватель) и холодное (холодильник, охладитель). Принцип действия тепловых двигателей (КПД тепловых двигателей) зависит от их вида. Зачастую холодильником выступает конденсатор пара, а нагревателем — любой вид топлива, сгорающий в топке. КПД идеального теплового двигателя находится по такой формуле:

КПД = (Тнагрев. — Тхолод.)/ Тнагрев. х 100%.

При этом КПД реального двигателя никогда не сможет превысить значения, полученного согласно этой формуле. Также этот показатель никогда не превысит вышеупомянутого значения. Чтобы повысить КПД, чаще всего увеличивают температуру нагревателя и уменьшают температуру холодильника. Оба эти процесса будут ограничены реальными условиями работы оборудования.

При функционировании теплового двигателя совершается работа, по мере которой газ начинает терять энергию и охлаждается до некой температуры. Последняя, как правило, на несколько градусов выше окружающей атмосферы. Это температура холодильника. Такое специальное устройство предназначено для охлаждения с последующей конденсацией отработанного пара. Там, где имеются конденсаторы, температура холодильника иногда ниже температуры окружающей среды.

В тепловом двигателе тело при нагревании и расширении не способно отдать всю свою внутреннюю энергию для совершения работы. Какая-то часть теплоты будет передана холодильнику вместе с или паром. Эта часть тепловой неизбежно теряется. Рабочее тело при сгорании топлива получает от нагревателя определенное количество теплоты Q 1 . При этом оно еще совершает работу A, в ходе которой передает холодильнику часть тепловой энергии: Q 2

КПД характеризует эффективность двигателя в сфере преобразования и передачи энергии. Этот показатель часто измеряется в процентах. Формула КПД:

η*A/Qx100 %, где Q — затраченная энергия, А — полезная работа.

Исходя из закона сохранения энергии, можно сделать вывод, что КПД будет всегда меньше единицы. Другими словами, полезной работы никогда не будет больше, чем на нее затрачено энергии.

КПД двигателя — это отношение полезной работы к энергии, сообщенной нагревателем. Его можно представить в виде такой формулы:

η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1 , где Q 1 — теплота, полученная от нагревателя, а Q 2 — отданная холодильнику.

Работа теплового двигателя

Работа, совершаемая тепловым двигателем, рассчитывается по такой формуле:

A = |Q H | — |Q X |, где А — работа, Q H — количество теплоты, получаемое от нагревателя, Q X — количество теплоты, отдаваемое охладителю.

|Q H | — |Q X |)/|Q H | = 1 — |Q X |/|Q H |

Он равняется отношению работы, которую совершает двигатель, к количеству полученной теплоты. Часть тепловой энергии при этой передаче теряется.

Двигатель Карно

Максимальное КПД теплового двигателя отмечается у прибора Карно. Это обусловлено тем, что в указанной системе он зависит только лишь от абсолютной температуры нагревателя (Тн) и охладителя (Тх). КПД теплового двигателя, работающего по определяется по следующей формуле:

(Тн — Тх)/ Тн = — Тх — Тн.

Законы термодинамики позволили высчитать максимальный КПД, который возможен. Впервые этот показатель вычислил французский ученый и инженер Сади Карно. Он придумал тепловую машину, которая функционировала на идеальном газу. Она работает по циклу из 2 изотерм и 2 адиабат. Принцип ее работы довольно прост: к сосуду с газом подводят контакт нагревателя, вследствие чего рабочее тело расширяется изотермически. При этом оно функционирует и получает определенное количество теплоты. После сосуд теплоизолируют. Несмотря на это, газ продолжает расширяться, но уже адиабатно (без теплообмена с окружающей средой). В это время его температура снижается до показателей холодильника. В этот момент газ контактирует с холодильником, вследствие чего отдает ему определенное количество теплоты при изометрическом сжатии. Потом сосуд снова теплоизолируют. При этом газ адиабатно сжимается до первоначального объема и состояния.

Разновидности

В наше время существует много типов тепловых двигателей, которые работают по разным принципам и на различном топливе. У всех у них свой КПД. К ним относятся следующие:

Двигатель внутреннего сгорания (поршневой), представляющий собой механизм, где часть химической энергии сгорающего топлива переходит в механическую энергию. Такие приборы могут быть газовыми и жидкостными. Различают 2- и 4-тактные двигатели. У них может быть рабочий цикл непрерывного действия. По методу приготовления смеси топлива такие двигатели бывают карбюраторными (с внешним смесеобразованием) и дизельными (с внутренним). По видам преобразователя энергии их разделяют на поршневые, реактивные, турбинные, комбинированные. КПД таких машин не превышает показателя в 0,5.

Двигатель Стирлинга — прибор, в котором рабочее тело находится в замкнутом пространстве. Он является разновидностью двигателя внешнего сгорания. Принцип его действия основан на периодическом охлаждении/нагреве тела с получением энергии вследствие изменения его объема. Это один из самых эффективных двигателей.

Турбинный (роторный) двигатель с внешним сгоранием топлива. Такие установки чаще всего встречаются на тепловых электрических станциях.

Турбинный (роторный) ДВС используется на тепловых электрических станциях в пиковом режиме. Не так сильно распространен, как другие.

Турбиновинтовой двигатель за счет винта создает некоторую часть тяги. Остальное он получает за счет выхлопных газов. Его конструкция представляет собой роторный двигатель на вал которого насаживают воздушный винт.

Другие виды тепловых двигателей

Ракетные, турбореактивные и которые получают тягу за счет отдачи выхлопных газов.

Твердотельные двигатели используют в качестве топлива твердое тело. При работе изменяется не его объем, а форма. При эксплуатации оборудования используется предельно малый перепад температуры.

Как можно повысить КПД

Возможно ли повышение КПД теплового двигателя? Ответ нужно искать в термодинамике. Она изучает взаимные превращения разных видов энергии. Установлено, что нельзя всю имеющуюся механическую и т. п. При этом преобразование их в тепловую происходит без каких-либо ограничений. Это возможно из-за того, что природа тепловой энергии основана на неупорядоченном (хаотичном) движении частиц.

Чем сильнее разогревается тело, тем быстрее будут двигаться составляющие его молекулы. Движение частиц станет еще более беспорядочным. Наряду с этим все знают, что порядок можно легко превратить в хаос, который очень трудно упорядочить.

Чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ (см. § 3.11), который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через Т 1 . Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т 1 называют температурой нагревателя.

Роль холодильника

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т 2 . Эта температура не может быть ниже температуры окружающей среды, так как в противном случае давление газа станет меньше атмосферного и двигатель не сможет работать. Обычно температура Т 2 несколько больше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника. Холодильником являются атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть несколько ниже температуры атмосферы.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть энергии неизбежно передается атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии безвозвратно теряется. Именно об этом и говорит второй закон термодинамики в формулировке Кельвина.

Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 5.15. Рабочее тело двигателя получает при сгорании топлива количество теплоты Q 1 , совершает работу А» и передает холодильнику количество теплоты |Q 2 | Q 1 |.

Кпд теплового двигателя

Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна

(5.11.1)

где Q 1 — количество теплоты, полученное от нагревателя, a Q 2 — количество теплоты, отданное холодильнику.

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение работы А», совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

(5.11.2)

У паровой турбины нагревателем является паровой котел, а у двигателей внутреннего сгорания — сами продукты сгорания топлива.

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η

Применение тепловых двигателей

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей (в основном мощных паровых турбин) на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Около 80% всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях.

Тепловые двигатели (паровые турбины) устанавливают также на атомных электростанциях. На этих станциях для получения пара высокой температуры используется энергия атомных ядер.

На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели). Эти же двигатели устанавливаются на тракторах.

На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. Но и электровозы получают энергию от тепловых двигателей электростанций.

На водном транспорте используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные турбины для крупных судов.

В авиации на легких самолетах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах — турбовинтовые и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах.

Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы дешевую электроэнергию и были бы лишены всех видов современного скоростного транспорта.

Работа, совершаемая двигателем, равна:

Впервые этот процесс был рассмотрен французским инженером и ученым Н. Л. С. Карно в 1824 г. в книге «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».

Целью исследований Карно было выяснение причин несовершенства тепловых машин того времени (они имели КПД ≤ 5 %) и поиски путей их усовершенствования.

Цикл Карно — самый эффективный из всех возможных. Его КПД максимален.

На рисунке изображены термодинамические процес-сы цикла. В процессе изотермического расширения (1-2) при температуре T 1 , работа совершается за счет измене-ния внутренней энергии нагревателя, т. е. за счет подве-дения к газу количества теплоты Q :

A 12 = Q 1 ,

Охлаждение газа перед сжатием (3-4) происходит при адиабатном расширении (2-3). Изменение внутренней энергии ΔU 23 при адиабатном процессе (Q = 0 ) полностью преобразуется в механическую работу:

A 23 = -ΔU 23 ,

Температура газа в результате адиабатического рас-ширения (2-3) понижается до температуры холодильни-ка T 2 T 1 . В процессе (3-4) газ изотермически сжимает-ся, передавая холодильнику количество теплоты Q 2 :

A 34 = Q 2 ,

Цикл завершается процессом адиабатического сжатия (4-1), при котором газ нагревается до температуры Т 1 .

Максимальное значение КПД тепловых двигателей, работающих на идеальном газе, по циклу Карно:

.

Суть формулы выражена в доказанной С . Карно теореме о том, что КПД любого теплового двигателя не может превышать КПД цикла Карно, осуществляемого при той же температуре нагревателя и холодильника.

Что такое тепловой двигатель | Определение и эффективность

Источники энергии всегда играли очень важную роль в развитии человеческого общества. Энергия обычно определяется как потенциал выполнять работу или производить тепло . Иногда это как «валюта» для выполнения работы. Одним из самых замечательных свойств Вселенной является то, что энергии могут быть преобразованы из одного типа в другой, и переданы от одного объекта к другому .

В общем, тепловой энергии легко получить, выполняя работу , например, с помощью любого процесса трения. Но для получить работу от тепловой энергии больше сложно . Это тесно связано с понятием энтропии. Например, электричество особенно полезно, поскольку оно имеет очень низкую энтропию (высоко упорядочено) и может быть преобразовано в другие формы энергии очень эффективно .

Иногда механическая энергия доступна напрямую, например, энергия ветра и гидроэнергия.Но большая часть нашей энергии поступает от сжигания ископаемых видов топлива (уголь, нефть и газ) и от ядерных реакций . В настоящее время ископаемое топливо по-прежнему является преобладающим источником энергии в мире. Но при сжигании ископаемого топлива генерирует только тепловую энергию , поэтому эти источники энергии называются так называемыми « первичными источниками энергии », которые должны быть преобразованы в вторичный источник энергии , так называемые энергоносители (электрическая энергия и т.п.). Для преобразования тепловой энергии в другую форму энергии необходимо использовать тепловую машину .

В целом, тепловая машина — это устройство, которое преобразует химическую энергию в тепловую или тепловую энергию, а затем в механическую энергию или в электрическую энергию. Цикл Ренкина подробно описывает процессы в паровых тепловых машинах, обычно встречающихся в большинстве тепловые электростанции.

Многие тепловые двигатели работают циклически, добавляя энергию в виде тепла в одной части цикла и используя эту энергию для выполнения полезной работы в другой части цикла.
Например, как это типично для всех традиционных тепловых электростанций , тепло используется для выработки пара, который приводит в действие паровую турбину , соединенную с генератором, вырабатывающим электричество. Парогенераторы, паровые турбины, конденсаторы и насосы питательной воды составляют тепловую машину , на которую распространяются ограничения эффективности, налагаемые вторым законом термодинамики . На современных атомных электростанциях общий термодинамический КПД составляет около 1/3 (33%), поэтому для выработки 1000 МВт электроэнергии требуется 3000 МВт тепл. тепловой энергии от реакции деления.

Тепловые двигатели и второй закон

Второй закон термодинамики может быть выражен многими определенными способами. Каждое заявление выражает один и тот же закон. Ниже перечислены три часто встречающихся.

Перед этими заявлениями мы должны напомнить о работе французского инженера и физика, Николя Леонарда Сади Карно продвинули исследование второго закона, сформировав принцип (также называемый правилом Карно ), который определяет пределы для максимальная эффективность, которую может получить любой тепловой двигатель.

Принцип Карно

В 1824 году французский инженер и физик Николя Леонар Сади Карно продвинул исследование второго закона, сформировав принцип (также называемый правилом Карно ), который определяет пределы максимальной эффективности при любом нагреве. двигатель можно получить. Короче говоря, этот принцип утверждает, что эффективность термодинамического цикла зависит исключительно от разницы между горячим и холодным резервуарами.

Принцип Карно гласит:

  1. Ни один двигатель не может быть более эффективным, чем реверсивный двигатель ( тепловой двигатель Карно ), работающий между теми же высокотемпературными и низкотемпературными резервуарами.
  2. КПД всех реверсивных двигателей ( тепловых двигателей Карно ), работающих между одними и теми же резервуарами постоянной температуры, одинаков, независимо от используемого рабочего вещества или деталей работы.

КПД Карно

Формула для этого максимального КПД:

где:

  • — КПД цикла Карно, то есть отношение = W / Q H работы двигателя на тепловую энергию, поступающую в систему из горячего резервуара.
  • T C — абсолютная температура (Кельвины) холодного резервуара,
  • T H — абсолютная температура (Кельвины) горячего резервуара.

Пример: КПД Карно для угольной электростанции

На современной угольной электростанции температура пара высокого давления (T горячий ) будет около 400 ° C (673K) и T холодный , температура воды в градирне будет около 20 ° C (293K).Для этого типа электростанции максимальный (идеальный) КПД будет:

= 1 — T холодный / T горячий = 1 — 293/673 = 56%

Следует добавить, это идеализированный КПД . . Эффективность Карно действительна для обратимых процессов. Эти процессы невозможно реализовать в реальных циклах электростанций. Эффективность Карно означает, что более высокая эффективность может быть достигнута за счет повышения температуры пара. Это свойство справедливо и для реальных термодинамических циклов.Но для этого требуется повышение давления внутри котлов или парогенераторов. Однако по металлургическим соображениям верхний предел таких давлений. Докритические электростанции, работающие на ископаемом топливе, которые работают при критическом давлении (т.е. ниже 22,1 МПа), могут достичь КПД 36-40%. Сверхкритические конструкции, которые работают при сверхкритическом давлении (т.е. более 22,1 МПа), имеют КПД около 43%. Наиболее эффективные, а также очень сложные угольные электростанции, которые работают при «сверхкритических» давлениях (т.е.е. около 30 МПа) и при использовании многоступенчатого повторного нагрева достигается КПД около 48%.

См. Также: Сверхкритический реактор

Типы тепловых двигателей

В целом тепловые двигатели классифицируются по месту сгорания как:

  • Двигатель внешнего сгорания. Например, паровые двигатели — это двигатели внешнего сгорания, в которых рабочая жидкость отделена от продуктов сгорания.
  • Двигатель внутреннего сгорания. Типичным примером двигателя внутреннего сгорания является двигатель, используемый в автомобиле, в котором высокая температура достигается за счет сжигания бензиновоздушной смеси в самом цилиндре.

Подробная категоризация основана на рабочем теле, используемом в термодинамическом цикле:

  • Газовые циклы. В этих циклах рабочим телом всегда является газ. Цикл Отто и дизельный цикл (используемый в автомобилях) также являются типичными примерами газовых циклов. Современные газотурбинные двигатели и воздушно-реактивные двигатели также основаны на газовом цикле, они следуют циклу Брайтона.
  • Циклы жидкости. Циклы только с жидкостью довольно экзотичны.В этих циклах рабочая жидкость всегда является жидкостью. Жидкостный двигатель Malone является примером цикла, работающего только на жидкости. Жидкостный двигатель Мэлоуна был модификацией цикла Стирлинга, в котором в качестве рабочего тела использовалась вода вместо газа.
  • Циклы с фазовыми переходами. Паровые двигатели являются типичными примерами внешних двигателей с фазовым переходом рабочего тела.

Пример теплового двигателя

Цикл Ренкина подробно описывает процессы в паровых тепловых двигателях, обычно встречающихся на большинстве тепловых электростанций.

Паровые двигатели и холодильники являются типичными примерами внешних двигателей с фазовым переходом рабочего тела. Типичный термодинамический цикл, используемый для анализа этого процесса, называется циклом Ренкина , который обычно использует воду в качестве рабочей жидкости.

Цикл Ренкина подробно описывает процессы в паровых тепловых двигателях, обычно встречающихся на большинстве из тепловых электростанций . Источниками тепла, используемыми на этих электростанциях, обычно являются сжигание ископаемого топлива, такого как уголь, природный газ, а также ядерное деление .

Атомная электростанция (атомная электростанция) выглядит как стандартная тепловая электростанция с одним исключением. Источником тепла на АЭС является ядерный реактор . Как типично для всех традиционных тепловых электростанций, тепло используется для выработки пара, который приводит в действие паровую турбину, соединенную с генератором, вырабатывающим электричество. Цикл Ранкина — термодинамика как наука о преобразовании энергии

Как правило, большинство из атомных электростанций эксплуатирует мульти паровые конденсационные турбины .В этих турбинах ступень высокого давления получает пар (этот пар является почти насыщенным паром — x = 0,995 — точка C на рисунке; ​​ 6 МПа ; 275,6 ° C) от парогенератора и выпускает его в сепаратор-подогреватель влаги ( точка D). Пар необходимо повторно нагреть, чтобы избежать повреждений, которые могут быть нанесены лопаткам паровой турбины паром низкого качества. Подогреватель нагревает пар (точка D), а затем пар направляется в ступень низкого давления паровой турбины, где расширяется (точка от E до F).Затем отработанный пар конденсируется в конденсаторе, и он находится под давлением значительно ниже атмосферного (абсолютное давление 0,008 МПа ) и находится в частично конденсированном состоянии (точка F), как правило, с качеством около 90%.

В этом случае парогенераторы, паровая турбина, конденсаторы и насосы питательной воды составляют тепловую машину, на которую распространяются ограничения эффективности, налагаемые вторым законом термодинамики . В идеальном случае (отсутствие трения, обратимые процессы, идеальная конструкция) этот тепловой двигатель имел бы КПД Карно

= 1 — T холодный / T горячий = 1 — 315/549 = 42.6%

, где температура горячего резервуара составляет 275,6 ° C (548,7 K), температура холодного резервуара составляет 41,5 ° C (314,7 K). Но АЭС — это настоящая тепловая машина , в которой термодинамические процессы почему-то необратимы. Они не делаются бесконечно медленно. В реальных устройствах (таких как турбины, насосы и компрессоры) механическое трение и тепловые потери вызывают дополнительные потери эффективности.

Поэтому атомные электростанции обычно имеют КПД около 33%.На современных атомных электростанциях общий термодинамический КПД составляет около 1/3 (33%), поэтому для выработки 1000 МВт электроэнергии требуется 3000 МВт тепл. тепловой энергии от реакции деления.

Согласно принципу Карно более высокая эффективность может быть достигнута за счет увеличения температуры пара . Но для этого требуется повышение давления внутри котлов или парогенераторов. Однако металлургические соображения устанавливают верхний предел такого давления.С этой точки зрения реакторов со сверхкритической водой считаются многообещающим достижением для атомных электростанций из-за его высокого теплового КПД (~ 45% против ~ 33% для текущих LWR). SCWR работают при сверхкритическом давлении (т.е. более 22,1 МПа).

Тепловой КПД и второй закон

Идеальный тепловой двигатель — это воображаемый двигатель, в котором энергия, извлеченная в виде тепла из высокотемпературного резервуара, полностью преобразуется в работу.Но согласно утверждению Кельвина-Планка , такой двигатель нарушил бы второй закон термодинамики, потому что в процессе преобразования должны быть потери. Чистое тепло, добавляемое к системе, должно быть выше, чем чистая работа, выполненная системой.

Заявление Кельвина-Планка:

«Невозможно сконструировать устройство, которое работает по циклу и не производит никакого другого эффекта, кроме производства работы и передачи тепла от одного тела».

Формула теплового КПД

В результате этого утверждения мы определяем тепловой КПД , η th , любого теплового двигателя как отношение выполняемой работы, W , к тепловложению при высокой температуре Q H .

Тепловой КПД , η th , представляет собой долю тепла , Q H , которая преобразуется в работу .Это безразмерная мера производительности теплового двигателя, использующего тепловую энергию, такого как паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания или холодильник. Для холодильных или тепловых насосов термический КПД указывает на степень, в которой энергия, добавленная в результате работы, преобразуется в чистую тепловую мощность. Поскольку это безразмерное число, мы всегда должны выражать W, Q H и Q C в одних и тех же единицах.

Поскольку энергия сохраняется в соответствии с первым законом термодинамики и энергия не может быть полностью преобразована для работы, подвод тепла Q H должен равняться выполненной работе, Вт, плюс тепло, которое должно рассеиваться как отходящее тепло Q C в окружающую среду.Поэтому мы можем переписать формулу теплового КПД как:

Чтобы получить КПД в процентах, мы умножаем предыдущую формулу на 100. Обратите внимание, что η th может быть 100%. только если отходящее тепло Q C будет равно нулю.

В целом КПД даже лучших тепловых двигателей довольно низок. Короче говоря, очень сложно преобразовать тепловую энергию в механическую.Тепловой КПД обычно составляет ниже 50% и часто намного ниже. Будьте осторожны, сравнивая его с эффективностью ветровой или гидроэнергии (ветряные турбины не являются тепловыми двигателями), здесь нет преобразования энергии между тепловой и механической энергией.

Причины неэффективности

Как уже говорилось, эффективность может находиться в диапазоне от 0 до 1. Каждая тепловая машина в какой-то степени неэффективна. Эту неэффективность можно объяснить тремя причинами.

  • Необратимость процессов .Существует общий теоретический верхний предел эффективности преобразования тепла в работу в любом тепловом двигателе. Этот верхний предел называется КПД Карно . Согласно принципу Карно , ни один двигатель не может быть более эффективным, чем реверсивный двигатель ( тепловой двигатель Карно ), работающий между одними и теми же высокотемпературными и низкотемпературными резервуарами. Например, когда у горячего резервуара T hot составляет 400 ° C (673K) и T cold около 20 ° C (293K), максимальная (идеальная) эффективность будет: = 1 — T cold / Т горячий = 1-293/673 = 56%.Но все реальные термодинамические процессы как-то необратимы . Они не делаются бесконечно медленно. Следовательно, тепловые двигатели должны иметь более низкий КПД, чем пределы их КПД из-за неотъемлемой необратимости цикла теплового двигателя, который они используют.
  • Наличие трения и тепловых потерь. В реальных термодинамических системах или в реальных тепловых двигателях часть общей неэффективности цикла связана с потерями в отдельных компонентах. В реальных устройствах (таких как турбины, насосы и компрессоры) механическое трение , потери тепла и потери в процессе сгорания вызывают дополнительные потери эффективности.
  • Расчетная неэффективность . Наконец, последний и также важный источник неэффективности — это компромиссов , сделанных инженерами при проектировании теплового двигателя (например, электростанции). Они должны учитывать стоимость и другие факторы при проектировании и эксплуатации цикла. В качестве примера рассмотрим конструкцию конденсатора на тепловых электростанциях. В идеале пар, выпущенный в конденсатор, должен иметь без переохлаждения . Но настоящие конденсаторы предназначены для переохлаждения жидкости на несколько градусов Цельсия, чтобы избежать кавитации на всасывании в конденсатных насосах.Но это переохлаждение увеличивает неэффективность цикла, потому что для повторного нагрева воды требуется больше энергии.

Тепловой КПД тепловых двигателей

В целом КПД даже самых лучших тепловых двигателей довольно низок. Короче говоря, очень сложно преобразовать тепловую энергию в механическую энергию . Тепловой КПД обычно ниже 50% и часто намного ниже. Такаиши, Тацуо; Нумата, Акира; Накано, Рёдзи; Сакагути, Кацухико (март 2008 г.). «Подход к высокоэффективным дизельным и газовым двигателям» (PDF).Технический обзор Mitsubishi Heavy Industries. 45 (1). Проверено 4 февраля 2011.

Тепловую энергию легко производить, выполняя работу, например, с помощью любого процесса трения. Но получить работу от тепловой энергии сложнее. Он тесно связан с концепцией энтропии , которая определяет количество энергии вещества, которое больше не может выполнять полезную работу. Например, электричество особенно полезно, поскольку оно имеет очень низкую энтропию (высоко упорядочено) и может быть преобразовано в другие формы энергии очень эффективно .Будьте осторожны, сравнивая его с эффективностью ветровой или гидроэнергии (ветряные турбины не являются тепловыми двигателями), здесь нет преобразования энергии между тепловой и механической энергией.

Тепловой КПД различных тепловых двигателей, разработанных или используемых сегодня, имеет большой диапазон:

Например:

Транспорт

  • В середине двадцатого века типичный паровоз имел тепловой КПД. около 6% .Это означает, что на каждые 100 МДж сожженного угля было произведено 6 МДж механической энергии.
  • Типичный бензиновый автомобильный двигатель работает с тепловым КПД от 25% до 30% . Около 70-75% отбраковывается как отходящее тепло без преобразования в полезную работу, то есть работу, передаваемую на колеса.
  • Типичный дизельный автомобильный двигатель работает при примерно от 30% до 35% . В целом двигатели, использующие дизельный цикл, обычно более эффективны.
  • В 2014 году были введены новые правила для автомобилей Формулы 1 . Эти правила автоспорта подтолкнули команды к разработке высокоэффективных силовых агрегатов. По данным Mercedes, их силовой агрегат в настоящее время достигает более 45% и почти 50% теплового КПД, то есть 45-50% потенциальной энергии топлива передается на колеса.
  • Дизельный двигатель имеет самый высокий тепловой КПД среди всех применяемых двигателей внутреннего сгорания. Низкооборотные дизельные двигатели (используемые на судах) могут иметь тепловой КПД, превышающий 50% .Самый большой дизельный двигатель в мире — 51,7%.

Энергетика

  • Преобразование тепловой энергии океана (OTEC). OTEC — это очень сложный тепловой двигатель, который использует разницу температур между более холодной глубокой и более теплой поверхностной морской водой для запуска турбины низкого давления. Поскольку разница температур низкая , около 20 ° C, его термический КПД также очень низкий, около 3% .
  • На современных атомных электростанциях общий тепловой КПД составляет около 1/3 (33%), поэтому 3000 МВт т тепловой энергии от реакции деления необходимо для выработки 1000 МВт электроэнергии.Более высокая эффективность может быть достигнута за счет повышения температуры пара до . Но для этого требуется повышение давления внутри котлов или парогенераторов. Однако металлургические соображения устанавливают верхний предел такого давления. По сравнению с другими источниками энергии тепловой КПД 33% — это немного. Но следует отметить, что атомные электростанции намного сложнее электростанций, работающих на ископаемом топливе, и сжигать ископаемое топливо намного проще, чем вырабатывать энергию из ядерного топлива.
  • Докритические электростанции, работающие на ископаемом топливе, которые работают при критическом давлении (т.е. ниже 22,1 МПа), могут достичь КПД 36–40%.
  • Реакторы со сверхкритической водой считаются многообещающим достижением для атомных электростанций из-за его высокого теплового КПД (~ 45% против ~ 33% для текущих LWR).
  • Электростанции, работающие на ископаемом сверхкритическом топливе, которые работают при сверхкритическом давлении (т. Е. Выше 22.1 МПа), имеют КПД около 43% . Наиболее эффективные, а также очень сложные угольные электростанции, которые работают при «сверхкритических» давлениях (т.е. около 30 МПа) и используют многоступенчатый повторный нагрев, достигают КПД около 48% .
  • Современные газотурбинные установки с комбинированным циклом (CCGT), в которых термодинамический цикл состоит из двух энергетических циклов (например, цикл Брайтона и цикл Ренкина), могут достигать теплового КПД около 55% , в отличие от одноцикловой паровой электростанции, КПД которой ограничен примерно 35-45%.

4.3: Тепловые двигатели — Физика LibreTexts

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Опишите функции и компоненты теплового двигателя
  • Объясните эффективность двигателя
  • Рассчитать КПД двигателя для заданного цикла идеального газа

Тепловой двигатель — это устройство, используемое для извлечения тепла из источника и последующего преобразования его в механическую работу, которая используется во всех сферах применения.Например, паровой двигатель в поезде старого образца может производить работу, необходимую для вождения поезда. Несколько вопросов возникают при создании и применении тепловых двигателей. Например, каков максимальный процент извлеченного тепла, который можно использовать для работы? Оказывается, на этот вопрос можно ответить только с помощью второго закона термодинамики.

Второй закон термодинамики можно формально сформулировать несколькими способами. Одно из представленных утверждений касается направления спонтанного теплового потока, известного как утверждение Клаузиуса.Пара других утверждений основана на тепловых двигателях. Когда мы рассматриваем тепловые двигатели и сопутствующие устройства, такие как холодильники и тепловые насосы, мы не используем обычные условные обозначения для обозначения тепла и работы . Для удобства мы предполагаем, что символы \ (Q_h, \, Q_c \) и W представляют только количество переданного тепла и выполненной работы, независимо от того, кто передает или принимает. Подача тепла в систему или выход из нее и работа с системой или с ее помощью указываются соответствующими знаками перед символами и направлениями стрелок на диаграммах.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): схематическое изображение тепловой машины. Энергия перетекает из горячего резервуара в холодный во время работы.

Оказывается, для создания теплового двигателя нам нужно более одного источника / поглотителя тепла. Мы вернемся к этому моменту позже в этой главе, когда сравним различные утверждения второго закона термодинамики. На данный момент мы предполагаем, что тепловая машина построена между источником тепла (высокотемпературным резервуаром или горячим резервуаром) и радиатором (низкотемпературным резервуаром или холодным резервуаром), схематически представленным на рисунке \ (\ PageIndex {1} \).Двигатель поглощает тепло \ (Q_h \) от источника тепла ( горячий резервуар ) с температурой Кельвина \ (T_h \), использует часть этой энергии для производства полезной работы Вт , а затем отбрасывает оставшуюся энергию в виде тепла \ (Q_c \) в радиатор ( холодный резервуар ) с температурой Кельвина \ (T_c \). Электростанции и двигатели внутреннего сгорания являются примерами тепловых двигателей. Электростанции используют пар, произведенный при высокой температуре, для привода электрогенераторов, одновременно отводя тепло в атмосферу или близлежащий водоем в качестве поглотителя тепла.В двигателе внутреннего сгорания горячая газо-воздушная смесь используется для толкания поршня, и тепло отводится в близлежащую атмосферу аналогичным образом.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Тепло, выбрасываемое атомной электростанцией, направляется в градирни, где оно выбрасывается в атмосферу.

Настоящие тепловые двигатели имеют много различных конструкций. Примеры включают двигатели внутреннего сгорания, такие как те, которые используются сегодня в большинстве автомобилей, и двигатели внешнего сгорания, такие как паровые двигатели, используемые в старых поездах с паровыми двигателями.На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) показана фотография действующей атомной электростанции. Атмосфера вокруг реакторов действует как холодный резервуар, а тепло, выделяемое в результате ядерной реакции, обеспечивает тепло из горячего резервуара.

Тепловые двигатели работают за счет переноса рабочего вещества через цикл. В паровой электростанции рабочим веществом является вода, которая сначала превращается в жидкость, испаряется, затем используется для привода турбины и, наконец, конденсируется обратно в жидкое состояние.Как и в случае со всеми рабочими веществами в циклических процессах, когда вода возвращается в исходное состояние, она повторяет ту же последовательность.

На данный момент мы предполагаем, что циклы тепловых двигателей обратимы, поэтому потери энергии на трение или другие необратимые эффекты отсутствуют. Предположим, что двигатель на Рисунке \ (\ PageIndex {1} \) проходит один полный цикл и что \ (Q_h \), \ (Q_c \) и Вт представляют собой теплообменники и работу, выполненную для этого цикла. Поскольку начальное и конечное состояния системы одинаковы, \ (\ Delta E_ {int} = 0 \) для цикла.Следовательно, из первого закона термодинамики,

\ [\ begin {align} W & = Q — \ Delta E_ {int} \\ [4pt] & = (Q_h — Q_c) — 0, \ label {eq1} \ end {align} \]

так что

\ [W = Q_h — Q_c. \ Label {eq2} \]

Самым важным показателем теплового двигателя является его КПД ( e ) , который представляет собой просто «то, что мы получаем», деленное на «то, что мы вкладываем» в течение каждого цикла, как определено в

\ [e = \ dfrac {W_ {out}} {Q_ {in}}. \ label {eq3} \]

Когда тепловой двигатель работает между двумя тепловыми резервуарами, мы получаем \ (W \) и вставляем \ (Q_h \), поэтому КПД двигателя равен

\ [\ begin {align} e & = \ dfrac {W} {Q_h} \\ [4pt] & = 1 — \ dfrac {Q_c} {Q_h}.\ label {eq4} \ end {align} \]

Здесь мы использовали уравнение \ ref {eq2} на последнем этапе этого выражения для эффективности.

Пример \ (\ PageIndex {1} \): газонокосилка

Газонокосилка имеет КПД \ (25 \% \) и среднюю мощность 3,00 кВт. Что такое

  1. средняя работа и
  2. минимальный отвод тепла в воздух газонокосилкой за одну минуту использования?

Стратегия

Исходя из средней мощности, то есть скорости производства работы, мы можем вычислить работу, выполненную за заданное время.3 \ times 60 \ times 1.00 \, Дж \\ [4pt] & = 180 \, кДж. \ End {align} \]

  • Минимальное количество тепла, выделяемого в воздух, равно \ [\ begin {align} Q_c & = Q_h (1 — e) \\ [4pt] & = (Q_c + W) (1 — e), \ end {align} » \], что приводит к \ [\ begin {align} Q_c & = W (1 / e — 1) \\ [4pt] & = 180 \ times (1 / 0.25 — 1) кДж = 540 \, кДж. \ end {align} \]
  • Значение

    По мере увеличения КПД минимальное количество выделяемого тепла падает. Это помогает окружающей среде и атмосфере, так как не выделяется так много отработанного тепла.

    Авторы и авторство

    • Сэмюэл Дж. Линг (Государственный университет Трумэна), Джефф Санни (Университет Лойола Мэримаунт) и Билл Мобс со многими авторами. Эта работа лицензирована OpenStax University Physics в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License (4.0).

    Тепловые двигатели

    Тепловые двигатели

    Тепловые двигатели

    Чтобы преобразовать тепло в работу, нужно как минимум два места с разными температурами.Если взять Q high at температура T высокая вы должны сбросить не менее Q низкая при температура T низкая . Объем работы, которую вы получаете от тепловой двигатель W = Q высокий — Q низкий . Максимальный объем работы, которую вы можете получить тепловая машина — это сумма, которую вы получаете из реверсивного двигателя.

    W макс = (Q высокий — Q низкий ) реверсивный = Q высокий — Q высокий T низкий / T высокий = Q высокий (1 — T низкий / T высокий ).

    W положительно, если T high больше, чем T low .

    КПД тепловой машины — отношение полученной работы к вложенной тепловой энергии при высоком температура, e = W / Q high . Максимально возможное КПД е макс такого двигателя составляет

    e max = W max / Q high = (1 — T low / T высокий ) = (T высокий — T низкий ) / T высокий .


    Паровые двигатели

    Паровая машина — это разновидность тепловой машины. Отнимает тепло от горячий пар преобразует часть этого тепла в полезную работу и сбрасывает отдыхать в 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 паровой двигатель тепло в работу.

    В типичном паровом двигателе поршень движется вперед и назад внутри цилиндр. Горячий пар высокого давления вырабатывается в котле, и этот пар поступает в цилиндр через клапан. Оказавшись внутри цилиндр, пар выталкивается наружу на всех поверхностях, включая поршень. Поршень движется. Пар выполняет механическую работу на поршень и поршень выполняют механическую работу с прикрепленным оборудованием к нему. Расширяющийся пар передает часть своей тепловой энергии на это оборудование, поэтому пар становится холоднее во время работы оборудования.

    Когда поршень достигает конца своего диапазона, клапан останавливает поток пара и открывает цилиндр для наружного воздуха. В поршень может легко вернуться в исходное положение. Во многих случаях пар может введите другой конец цилиндра, чтобы пар толкал поршень обратно в исходное положение. Как только поршень вернется в исходное положение начальная точка, клапан снова пропускает пар высокого давления в цилиндр и весь цикл повторяется.В целом тепло течет от горячего котла к более прохладному окружающему воздуху и некоторой части этого тепла превращается в механическую работу движущимся поршнем. В максимальный КПД паровой машины e max = (T пар — Т воздух ) / Т пар . Фактическая эффективность обычно намного ниже.

    Ссылка: Паровоз (Youtube)

    Задача:

    Какой максимум возможный КПД паровой машины, забирающей тепло при температуре 100 o C и сбросив его при комнатной температуре примерно 20 o ° C?

    Решение:

    • Рассуждение:
      Максимальный КПД любого теплового двигателя — это двигатель Карно.e макс = (T высокий — T низкий ) / T высокий .
    • Детали расчета:
      100 o C = 373 K и 20 o C = 293 К. максимально возможный КПД
      (T высокий — T низкий ) / T высокий = (373 — 293) / 373 = 0,21 = 21%.

    Двигатели внутреннего сгорания

    Двигатель внутреннего сгорания сжигает смесь топлива и воздуха. Самый распространенный тип — четырехтактный двигатель. Поршень скользит внутрь и из цилиндра. Два или более клапана позволяют подавать топливо и воздух поступает в цилиндр и газы, которые образуются, когда топливо и воздух сжечь, чтобы покинуть цилиндр. Когда поршень скользит вперед и назад внутри цилиндра объем, который могут занимать газы, изменяется кардинально.

    Процесс преобразования тепла 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 ходом впуска . Далее топливо и воздушная смесь сжимается, вдавливая поршень в цилиндр. Это называется сжатием . ход . В конце такта сжатия с топливо и воздушная смесь сжимаются максимально плотно, свеча зажигания на запечатанном конце цилиндра загорается и воспламеняется смесь. Горячее горючее оказывает огромное давление и толкает поршень. из цилиндра.Этот рабочий ход обеспечивает мощность двигателя и навесного оборудования. Наконец, сгоревший газ выдавливается из баллона через другой клапан на выпуске такт . Эти четыре удара повторяются снова и снова. Самый внутренний двигатели внутреннего сгорания имеют не менее четырех цилиндров и поршней. Там всегда по крайней мере один цилиндр проходит рабочий такт, и он может нести другие цилиндры посредством несильных ходов.В максимальный КПД такого двигателя e max = (T зажигание — Т воздух ) / Т зажигание где Т зажигание — температура топливовоздушной смеси после воспламенения. К максимизируйте топливную экономичность, вы должны создать максимально горячий топливно-воздушная смесь после зажигания. Наивысшая эффективность, имеющая достигнуто составляет примерно 50% от e max .

    Ссылка: интегральное сгорание двигатель (Youtube)

    Задача:

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

    Решение:

    • Рассуждение:
      Объем работы, который вы получаете от теплового двигателя, составляет W = Q высокий — Q низкий .
      КПД e = W / Q high .
    • Детали расчета:
      Q высокий = 360 Дж. W = 25 Дж. Q низкий = Q высокий — W = 335 Дж.
      (a) КПД e = W / Q high = 6,9%.
      (b) Выбрасываемая тепловая энергия Q low = 335 Дж.

    Тепловые двигатели; Заявления Кельвина и Клаузиуса

    Тепловые двигатели; Утверждения Кельвина и Клаузиуса — Физика 298

    «Компьютерные науки больше не о компьютеры чем астрономия — это телескопы ».

    E. W. Dijkstra


    • Как я уже указал, довольно развитие термодинамики взял место в девятнадцатом веке, поскольку стало важным развивать все более и более эффективное «тепло» двигатели »(сначала паровые машины, позже внутренние горение и дизельные двигатели).Где мы используем термин тепловой двигатель описать любое устройство которые, работая в циклах между горячими и холодными резервуарами (чьи температуры остаются постоянными), превращает тепло в работу. А схематический изображение теплового двигателя показано справа. Примечание что в каждый цикла чистый результат двигателя состоит в том, чтобы преобразовать количество тепло Q H — Q C на равный объем работы, W.
    • Холодильник можно рассматривать как а тепловой двигатель работает в обратном направлении (переверните все стрелки на диаграмму).Используя количество работы W, нагрейте Q C является извлекается из холодного резервуара.
    Это невозможно к извлечь количество тепла Q H из горячего резервуара и используй это все делать работа W. Некоторое количество тепла Q C необходимо отвести в холодно резервуар. Это препятствует созданию идеального теплового двигателя.

    Это является Невозможно передать тепло от более холодного тела к более теплому тело без какой-либо работы для выполнения этого потока.Энергия будет не перетекать самопроизвольно от низкотемпературного объекта к более высокому объект температуры. Это препятствует созданию идеального холодильника.

    Ранний утро Класс физики был заполнен слегка ошеломленными первокурсниками. Нетерпеливый бобер постдок Учитель спрашивает: «Длина волны желтого натрия» линия. Какие это? Ты там! «К счастью, он не спускает глаз с парня. следующий за я, который бормочет и отвечает: «Сто один?»
    «Ха!» говорит постдок «Сто один что?»
    «Гм, сто один, точка два?»



    Др.К. Л. Дэвис
    Физический факультет
    Университет Луисвилля
    электронная почта : [email protected]

    Тепловые двигатели и эффективность — стенограмма видео и урока

    Эффективность теплового двигателя

    Чтобы тепловой двигатель работал и продолжал работать, вы должны поддерживать горячий резервуар в хорошем состоянии. На это уходит много энергии. Поэтому очень важно, чтобы тепловые двигатели были как можно более эффективными.Совершенно эффективный тепловой двигатель — это такой, в котором вся тепловая энергия, которую вы вкладываете для поддержания горячего резервуара, полностью передается на работу, а холодный резервуар вообще не поглощает энергию. Оказывается, в реальном мире этого не может быть. Некоторая часть тепловой энергии всегда теряется, и ни один процесс не является идеально эффективным.

    Если мы хотим рассчитать КПД теплового двигателя, нам нужно выяснить, какая часть тепловой энергии, которую мы вкладываем в горячий резервуар, уходит на работу.Итак, это будет работать, W , разделить на QH , тепло, которое мы вложили в тепловую машину. Если бы 100% энергии, которую мы вложили, ушло на работу, это было бы на 100% эффективным, и Вт было бы равно QH . Это означает, что W разделить на QH будет равно 1. Это десятичное число, поэтому 1 означает 100%. Если вам нужен процент, вы можете просто умножить его на 100.

    Но что, если мы не знаем, сколько работы было извлечено? Что, если все, что мы знаем, — это сколько тепла было помещено в горячий резервуар и сколько тепла осталось в холодном резервуаре? В этом случае нам понадобится другое уравнение эффективности.Из-за сохранения энергии мы знаем, что энергия, которая поступает в тепловую машину, должна равняться энергии, которая уходит. Таким образом, QH должен быть равен W + QC . Если мы изменим это уравнение, чтобы сделать W субъектом, мы увидим, что W (работа) равна QH QC . Это имеет смысл, потому что в нем говорится, что работа, извлекаемая из теплового двигателя, равна разнице между энергией, поступающей из горячего резервуара, и энергией, которая выходит через холодный резервуар.Какая бы ни была разница между этими двумя числами, это энергия, которая была извлечена как работа.

    Мы можем заменить QH QC в наше предыдущее уравнение эффективности, и тогда мы увидим, что эффективность теплового двигателя также равна QH QC , деленному на QH . Итак, в зависимости от того, какая информация нам предоставлена, мы можем использовать любое из этих двух уравнений для определения эффективности теплового двигателя.

    Пример расчета

    Хорошо, давайте рассмотрим пример.Допустим, вы пытаетесь выяснить, насколько эффективен двигатель вашего автомобиля. Вы измеряете, сколько газа используется, чтобы добраться до Гранд-Каньона, и сколько энергии в Джоулях; получается 2,4 миллиона джоулей. Затем вы измеряете тепло, выделяемое двигателем. Установив датчики с каждой стороны двигателя, вы оцените, что около 1,8 миллиона Джоулей тепла вышло из двигателя. Итак, теперь вам нужно использовать уравнение для расчета эффективности двигателя. У нас уже есть QH и QC , энергия, вложенная в тепловой двигатель, и потраченная впустую энергия, которая попадает в холодный резервуар (который, в данном случае, является просто окружающей средой).Итак, мы должны использовать второе уравнение. Нам просто нужно вставить наши числа и решить. Таким образом, мы получим 2,4 миллиона джоулей минус 1,8 миллиона джоулей, разделенных на 2,4 миллиона джоулей. Введите все это в калькулятор, и вы получите коэффициент полезного действия 0,25. Или, если вы хотите получить это в процентах, просто умножьте на 100, чтобы получить 25%.

    Резюме урока

    Второй закон термодинамики говорит нам, что тепло только самопроизвольно переходит из горячих мест в холодные, а не наоборот.Тепловой двигатель — это общий термин для любого двигателя, который использует эту передачу тепла для извлечения полезной работы; в большинстве случаев для создания физического движения. Так работают автомобильные двигатели, реактивные двигатели и оригинальные паровые двигатели.

    Стандартная диаграмма теплового двигателя показывает нам этот процесс, а также некоторые элементы алгебры, которые мы используем для тепловых двигателей. Это хороший справочник при рассмотрении уравнений.

    Сегодня мы изучили уравнения эффективности теплового двигателя. 100% эффективность будет означать, что все тепло, которое вы вложили, пошло на работу, а никакое не было отправлено в холодный резервуар, что невозможно в реальной жизни.Таким образом, уравнение эффективности представляет собой работу, W , измеренную в Джоулях, деленную на вложенную энергию, QH , также измеренную в Джоулях. Если W = QH , то это дает вам 100% эффективность.

    Сохранение энергии говорит, что энергия не создается и не разрушается; он только перемещается с одного места на другое. Это означает, что QH должно быть равно сумме W и QC . Или, другими словами, работа, извлекаемая тепловым двигателем, также равна разнице между QH и QC .Мы используем это, чтобы получить наше второе уравнение для эффективности теплового двигателя, которое составляет QH (измеряется в Джоулях) минус QC (измеряется в Джоулях), деленное на QH (также измеряется в Джоулях).

    В зависимости от того, какую информацию нам дают в вопросе, мы можем использовать любое из этих уравнений для расчета эффективности теплового двигателя. Ответ будет десятичным, но если вы хотите процентную эффективность, просто умножьте на 100.

    Результаты обучения

    Когда вы закончите, вы сможете:

    • Вспомнить второй закон термодинамики
    • Опишите, что такое тепловая машина
    • Объясните, как работает тепловая машина
    • Рассчитайте КПД теплового двигателя, используя уравнение КПД

    Электрохимические тепловые двигатели непрерывного действия — Энергетика и экология (RSC Publishing)

    Учитывая большое количество энергии в отходящем тепле, его эффективное преобразование в электроэнергию дает значительную возможность снизить выбросы парниковых газов.Однако было сложно оптимизировать производительность новых подходов к прямому преобразованию энергии из-за связи между изменением энтропии и тепловым и электрическим переносом в непрерывно работающих устройствах. На примере электрохимических ячеек, приводящих в движение проточные электролиты в симметричных окислительно-восстановительных реакциях при разных температурах, мы демонстрируем два непрерывных электрохимических тепловых двигателя, которые работают при 10–50 ° C и при 500–900 ° C соответственно. Моделирование систем киловаттного масштаба с использованием электрохимических ячеек, установленных последовательно, предполагает эффективность, превышающую 30% предела Карно, и удельную мощность, сопоставимую с твердотельными термоэлектриками при максимальной мощности.Хотя в твердотельных термоэлектриках изменение энтропии, теплоперенос и электрический перенос по своей природе связаны, их можно в некоторой степени обойти в электрохимических системах, что открывает новые возможности для разработки эффективных систем преобразования энергии.

    У вас есть доступ к этой статье

    Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова?

    Тепловые двигатели, преобразующие тепло в работу

    Тепловой двигатель — это любая машина, преобразующая тепло в полезную работу, например, паровой двигатель или двигатель автомобиля.Настоящие тепловые двигатели сложны, и существует множество способов преобразования тепловой энергии в полезную работу. Мы можем абстрагироваться и обобщать работу любого теплового двигателя на три части:

    The Hot Resevoir — тепловая энергия создается некоторым процессом, например, сжиганием топлива для получения тепловой энергии.

    Рабочий орган — преобразует тепловую энергию в работу. В реальных тепловых двигателях процесс преобразования никогда не бывает эффективным на 100%, поэтому производительность всегда меньше, чем поставляемая тепловая энергия.Однако мы часто идеализируем и предполагаем обратимость.

    Холодный резервуар — энергия, которую нельзя превратить в работу, сбрасывается и идет на нагревание холодного резервуара. На практике холодным резервуаром обычно является атмосфера. Мы также предполагаем, что температура холодного резервуара не повышается, он имеет бесконечную теплоемкость.

    Рис. 1. Принципиальная схема теплового двигателя.

    Предположим, что тепловая машина запускается с определенной внутренней энергией U, потребляет Δ Q i тепло от источника тепла при температуре T i , работает Δ W и отводит тепло Δ Q f в охлаждающий резервуар тепла с температурой T f .В типичном тепловом двигателе мы хотим использовать для работы только поступление тепла, а не внутреннюю энергию двигателя, поэтому Δ U = 0. Первый закон термодинамики говорит нам:

    Δ U = 0 = Δ Q i — ΔQ f — Δ W

    Чтобы определить, насколько эффективно двигатель превращает тепло в работу, мы определяем КПД η как отношение проделанной работы к погонной энергии:

    η = Δ W / Δ Q i = (Δ Q i Q f ) / Δ Q i

    = 1 — Δ Q f / Δ Q i

    Поскольку двигатель работает, мы знаем, что ΔW> 0, поэтому мы можем заключить, что ΔQ> 0.Оба значения и положительны, поэтому эффективность всегда находится в диапазоне от 0 до 1:

    Эффективность обычно выражается в процентах, а не в десятичной форме. То, что КПД теплового двигателя никогда не может быть 100%, является следствием Второго закона термодинамики.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *