Методическая разработка занятия «Тепловые двигатели и КПД тепловых двигателей» | План-конспект занятия по физике (10 класс) на тему:
Волжский филиал
ГБОУ СПО
«Волгоградский медицинский колледж»
МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА
КОМБИНИРОВАННОГО
ЗАНЯТИЯ
Раздел 3. Молекулярная физика. Термодинамика.
Тема: «Тепловые двигатели и КПД тепловых двигателей»
дисциплина ОУД. 08 ФИЗИКА
Курс 1
Специальность:
34.02.01 «Сестринское дело»
Форма обучения: очная
Количество часов: 2
Разработчик: Преподаватель физики
Бондаренко Л.В.
Методическая разработка
рассмотрена одобрена
на заседании УМО № 3
Председатель УМО __________
/
«_____»________20___г.
Волжский 2016 г.
Методическая разработка теоретического занятия № 17
Специальность: 34.02.01 «Сестринское дело» Дисциплина ОУД. 08 Физика
ТЕМА: «Тепловые двигатели и КПД тепловых двигателей»
Тип занятия: изучение нового материала.
Вид занятия: урок (комбинированное занятие).
Уровень усвоения информации: первый (узнавание ранее изученных объектов, свойств) + второй (выполнение деятельности по образцу, инструкции или под руководством)
Цели:
Учебные:
— дать понятие тепловых двигателей, принципов работы тепловых двигателей;
— вывести формулу для расчета коэффициента полезного действия теплового двигателя;
— сформировать представление об устройстве и принципе действия тепловых двигателей и понятие об идеальной тепловой машине Карно;
— расширить знания учащихся по экологическим проблемам использования тепловых двигателей;
— осмыслить практическую значимость, полезность приобретаемых знаний и умений
Воспитательные:
— воспитывать у учащихся чувство ответственности перед последующими поколениями, поэтому рассмотрим влияние тепловых двигателей на окружающую среду.
— формировать экологическую культуру и активную жизненную позицию.
— воспитывать сознательное отношение к учебе и заинтересованность в изучении физики;
— обеспечить условия для воспитания интереса к предмету;
Развивающие:
— развивать активность студентов, умения анализировать полученную
информацию, сравнивать, делать выводы и обобщать;
— развивать речь, совершенствовать интеллектуальные способности; решать тренировочные задачи.
Формирование требований ФГОС при изучении темы
«Тепловые двигатели и их КПД»
Студент должен:
Знать: смысл понятий: абсолютная (термодинамическая) температура, количество теплоты, коэффициент полезного действия; вклад российских и зарубежных ученых, оказавших наибольшее влияние на развитие физики.
Уметь: объяснять принцип действия тепловых двигателей; применять полученные знания для решения физических задач; воспринимать и на основе полученных знаний самостоятельно оценивать информацию, содержащуюся в сообщениях СМИ, научно-популярных статьях; использовать новые информационные технологии для поиска, обработки и предъявления информации по физике в компьютерных базах данных и сетях (сети Интернета).
Интеграционные связи: экология, медицина, история, химия, математика
Формы организации учебной деятельности студентов: фронтальная, индивидуальная.
Применяемые на занятии методы обучения:
— по источнику информации: словесные, наглядные;
— по степени активности обучаемых: объяснительно-иллюстративный, частично-поисковый;
Место проведения: классная аудитория.
Оснащение: Методическая разработка по теме, раздаточный дидактический материал, (тестовые задания) для учащихся.
Основные этапы занятия:
- Организационный момент – 2 мин.
- Вводная мотивация: постановка целей, изложение плана урока – 3 мин.
- Актуализация опорных знаний ( физический диктант) – 10 мин.
- Изучение нового материала – 35-40 мин.
- Решение расчетных задач -10 мин.
- Первичное закрепление знаний — 10 мин.
- Творческое применение и добывание знаний -10-15 мин.
- Подведение итогов – 2 мин.
- Домашнее задание – 3 мин. конспект лекции.
Литература:
- Учебник физики Физика, 10 класс, Часть 1, Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., 2010
- Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Соцкий, Физика. 10 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений (с приложением на электронном носителе). Базовый и профильный уровни — М.: Просвещение, 2011 г.
Актуальность изучения темы
Как известно, экологическая обстановка на Земле и в нашей стране продолжает ухудшаться: озоновая дыра в Антарктике не уменьшается, а загрязненность Мирового океана и воздушной оболочки планеты повышается.
Известно, что более 60 млн. тонн вредных веществ выбрасывают в атмосферу ежегодно наши промышленные предприятия, около 37 млн. тонн таких веществ попадает в нее вместе с выхлопными газами автотранспорта, примерно 30 млрд. м3 воды, загрязненной промышленными и бытовыми отходами, стекает в реки, озера, моря. В более чем 100 городах, где проживает приблизительно 50 млн. человек, предельно допустимые концентрации вредных веществ, превышены в 10 (и больше!) раз.
Автомобили на сегодняшний день в России — главная причина загрязнения воздуха в городах. Сейчас в мире их насчитывается более полумиллиарда. В России автомобиль имеет каждый десятый житель, а в больших городах — каждый пятый. Выбросы от автомобилей в городах особенно опасны тем, что загрязняют воздух в основном на уровне 60-90 см. от поверхности земли и, особенно на участках автотрасс, где стоят светофоры. Автомобили выбрасывают в атмосферу диоксид и оксид углерода, оксиды азота, формальдегид, бензол, бензопирен, сажу (всего около 300 различных токсичных веществ). При истирании автомобильных шин об асфальт атмосфера загрязняется резиновой пылью, вредной для здоровья человека. Автомобиль расходует огромное количество кислорода. За неделю в среднем легковой автомобиль выжигает столько кислорода, сколько его четыре пассажира расходуют на дыхание в течение года. С ростом числа автомобилей уменьшается площадь, занятая растительностью, которая дает кислород и очищает атмосферу от пыли и газа, все больше места занимают площадки для парковок, гаражи и автомобильные дороги. На свалках скапливаются изношенные шины, ржавые корпуса. Впрочем, старые кузова автомобилей можно увидеть и во дворах и на пустырях.
Автомобили загрязняют почву. Одна тонна бензина, сгорая, выделяет 500-800 кг.вредных веществ. Если двигатель машины работает на бензине, с добавлением свинца, то они загрязняют почву этим тяжелым металлом вдоль дороги в полосе шириной 50-100 м, а если дорога идет вверх, и двигатель работает с нагрузкой, и загрязненная полоса имеет ширину до 400 м! Свинец, загрязняющий почву, накапливается растениями, которыми питаются животные. С молоком и мясом металл попадает в организм человека и может стать причиной тяжелых болезней.
Ход занятия:
№ п/п | Название этапа | Описание этапа | Педагогическая цель этапа | Время этапа |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
1 | Орг. момент | Отмечается отсутствующие и внешний вид студентов и аудитории. | Мобилизация внимания, выявление готовности аудитории к занятию. | 2 мин. |
2 | Вводная мотивация | Сообщается тема, определяется цель, обосновывает значимость изучаемой темы (связь темы с применением ее в быту, технике и медицине) | Обозначить цель занятия, заинтересовать обучающихся, сконцентрировать их внимание. | 3 мин |
3 | Актуализация опорных знаний. | Проводится физический диктант. (приложение 1) | Выявление степени подготовки студентов к занятию и степень усвоения материала по предыдущей теме. | 10 мин. |
4 | Изучение нового материала | Объяснение нового материала (приложение 2) | Познакомиться с понятием тепловой двигатель, принципов действия тепловых двигателей, вывести формулу для расчета коэффициента полезного действия теплового двигателя, научить решать задачи разного типа по теме урока. | 35-40 мин |
5 | Решение расчетных задач | Разбор задачи, алгоритма ее решения. Контроль решение задач студентами, указание на ошибки (приложение 3) | Отработать навык решения задач на расчет КПД; организация собственной деятельности, выбор типовых методов и способов решения задач, оценка их выполнения. | 10 мин |
6 | Первичное закрепление знаний | Постановка вопросов, помощь студентам грамотно сформулировать ответы. Тестирование (приложение 4) | Первичное закрепление и систематизация материала, ликвидация пробелов в понимании в полученных знаниях. Установить правильность и осознанность изученного материала. | 10 мин. |
7 | Творческое применение и добывание знаний. | Раздает дидактический материал, проводит инструктаж по выполнению работы, определяет время самостоятельной работы студентов (приложение 5) | Развитие скорости восприятия и переработки информации, с акцентом на будущую профессию. | 10-15 мин. |
9 | Подведение итогов | Характеристика работы группы в целом, а также отдельных студентов, выставление и комментирование оценок. | Развитие эмоциональной устойчивости, объективности оценки своих действий, | 2 мин. |
10 | Домашнее задание | Проводится инструктаж по выполнению домашнего задания. | Оптимизация самоподготовки, определение объема самостоятельной внеаудиторной работы. | 3 мин |
Приложение 1
Вопросы для физического диктанта
В1. 1. Что понимают под внутренней энергией?
В2. 1. Что понимают под внутренней энергией?
В1. 2. Какими способами можно изменить внутреннюю энергию?
В2. 2. Назовите способы теплопередачи
В1. 3. По какой формуле вычисляют внутреннюю энергию идеального газа?
В2. 2. По какой формуле вычисляют работу газа в термодинамике?
В1. 4. Запишите формулу и сформулируйте 1 закон термодинамики.
В2. 4. Сформулируйте закон сохранения энергии в тепловых процессах.
В1. 5. Какой процесс называют необратимым?
В2. 5. Сформулируйте второй закон термодинамики.
Приложение 2
Изучение нового материала
План изложения учебного материала по теме
1. Понятие теплового двигателя
2. Устройство и принцип действия тепловых двигателей
3. КПД тепловых двигателей
4. Использование тепловых двигателей
5. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды
1. 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.
— 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.
Большая часть двигателей, используемых людьми, — это тепловые двигатели.
История тепловых машин уходит в далекое прошлое. Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи. Как же стреляла эта пушка? Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Для нас интересно здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому как поршень скользило ядро.
Сегодня один из самых распространенных тепловых двигателей является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Принцип действия заключается в том, что энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, а газ (пар), расширяясь, совершает работу. Так внутренняя энергия газа (пара) превращается в кинетическую энергию поршня.
Устройства, превращающие энергию топлива в механическую энергию, называются тепловыми двигателями.
Про тепловые двигатели вы уже говорили в 8 классе.
2. Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. 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 на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.
Тепловая машина работает циклично. Газ, которому передается энергия, нагрет до высокой температуры и соответственно внутренняя энергия такого газа достаточно большая. Расширяясь, газ совершает работу, соответственно охлаждается, его внутренняя энергия уменьшается и совершается полезная работа. В дальнейшем, чтобы все повторилось нам надо перевести наш тепловой двигатель в первоначальное состояние, таким образом, чтобы работа вновь повторилась. Для этого нам необходимо газ охлаждать. Для рассмотрения всех процессов, происходящих в ТД, удобно рассматривать газ, находящийся в цилиндре под поршнем. В этом случае мы говорим, что газ совершает работу по перемещению поршня. Работа этого поршня и будет считаться полезной.
Однозначно классифицировать ТД нельзя. Существует много признаков, по которым различают тепловые двигатели: по назначению двигателей, по роду используемого топлива, по способу преобразования тепловой энергии в механическую, по способу регулирования в связи с изменением нагрузки и т.д.
Основная классификация тепловых двигателей по способу подвода теплоты к рабочему телу:
1. Двигатели внутреннего сгорания
2. Двигатели внешнего сгорания
Двигатели внутреннего сгорания. В этих двигателях основные процессы — сжигание топлива и выделение теплоты с преобразованием в механическую работу — происходят непосредственно внутри двигателя.
Двигатели внешнего сгорания – класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела. Это, например, паровая турбина, газовая турбина, паровая машина.
Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.
Первая часть — нагреватель. Нагревателем в ТД является процесс сгорания топлива. Именно в этот процесс включается образование газа. Нагреватель характеризуется температурой нагревателя Тн, т.е. температура того, газа, который образовался. И конечно количеством теплоты, который передается этому газу.
Газ, образовавшийся в результате, того что сгорело топливо, называется рабочим телом. Рабочее тело и совершает работу. И оставшееся, некоторое количество теплоты будет передано холодильнику.
Холодильником, как правило, является окружающая среда. Именно температура холодильника в данном случае нам говорит о том, до какой температура мы должны понизить температуру рабочего тела, чтобы перевести машину в первоначальное состояние.
Работу, которое совершает рабочее тело, газ при расширении, мы определяем следующим образом: A=| Q 1|– |Q 2|. Важное значение имеет цикличность работы. Работа двигателя будет оправдана в том случае, если работа по сжатию газа будет меньше, чем работа, произведенная самим газом. В этом случае работа газа совершается при расширении, т.е. тогда, когда давление газа будет больше атмосферного. А в случае охлаждения газа, сжатие газа будет производиться внешними силами, тогда работа газа будет считаться отрицательной.
3. КПД тепловых двигателей
КПД теплового двигателя – важнейшая его характеристика. ТД подчиняется первому закону термодинамики и конечно же второму закону термодинамики (передача тепла происходит от более нагретого тела к менее нагретому).
Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя. КПД выражают в процентах. η = ·100% η = ·100%
Qн – теплота, полученная от нагревателя, Дж Qх — теплота, отданная холодильнику, Дж
Этот КПД является реальным, т.е. как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.
В 19 веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ для определения (через термодинамическую температуру):
η = ·100% Тн – термодинамическая температура нагревателя, К
Тх — термодинамическая температура холодильника, К.
И этот коэффициент полезного действия получил название максимального
Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Тн, и холодильником с температурой Тх, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. 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.
4. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта.
Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока.
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- ДВС и паровые турбины; на ж/д- тепловозы с дизельными установками; в авиации- поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.
Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.
КПД: Паровой двигатель – 8%; Паровая турбина – 40%; Газовая турбина – 25-30%;
Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%; Дизельный двигатель – 40– 44%; Реактивный двигатель – 25%
5. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастание потребления угля, нефти, газа в промышленности и на бытовые нужды увеличивают возможности удовлетворения жизненных потребностей человека. Однако в настоящее время количество ежегодно сжигаемого в различных тепловых двигателях химического топлива настолько велико, что все более сложной проблемой становится охрана природы от вредного влияния продуктов сгорания. Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов:
- При сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.
- Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. Дальнейшее существенное увеличение концентрации СО2 в атмосфере может привести к повышению ее температуры («парниковый эффект»).
- при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными
соединениями, вредными для растений, животных и для здоровья человека.
- Актуальна проблема захоронения радиоактивных отходов атомных станций.
- Применение паровых турбин на электростанциях требует больших площадей под пруды для охлаждения отработанного пара (35% водоснабжения всех отраслей хозяйства).
Для охраны окружающей среды необходимо обеспечить:
- эффективную очистку выбрасываемых в атмосферу отработанных газов;
- использование качественного топлива, создание условий для более полного его сгорания;
- повышение КПД тепловых двигателей за счет уменьшения потерь на трение и полного сгорания топлива и др.
Перспективно использование водорода в качестве горючего для тепловых двигателей: при сгорании водорода образуется вода. Идут интенсивные исследования по созданию электромобилей, способных заменить автомобили с двигателем, работающим на бензине.
Приложение 3
Решение расчетных задач
Задачи.
- Найти КПД теплового двигателя, если газ получает от нагревателя 200 Дж теплоты и отдает холодильнику 135 Дж.
- Чему равен КПД теплового двигателя, если температура нагревателя 800оС, а температура холодильника 25оС?
- Оцените максимальное значение КПД, которое может иметь тепловая машина с температурой нагревателя 727 оС и температурой холодильника 27 оС.
- Каков КПД теплового двигателя, если рабочее тело, получив от нагревателя количество теплоты 1,6 МДж, совершило работу 400 кДж? Какое количество теплоты передано холодильнику?
Приложение 4
Вопросы для закрепления материала.
- Какие машины называются тепловыми?
- Каков принцип работы тепловых двигателей?
- Назовите основные элементы теплового двигателя и их назначение.
- Что называют кпд теплового двигателя?
- По какой формуле рассчитывают КПД реальной машины?
- По какой формуле рассчитывают КПД идеальной машины? Каков ее смысл?
- Назовите какие виды тепловых машин вам известны?
Тест для закрепления материала
(Тест получает каждый студент)
1. Какие устройства относятся к тепловым двигателям:
а) превращающие тепловую энергию в механическую;
б) электрическую энергию в тепловую;
в) внутреннюю энергию в тепловую
2. Какой элемент теплового двигателя совершает работу:
а) холодильник;
б) газ или пар;
в) нагреватель;
3. Какие условия необходимы для циклического получения механической работы в тепловом двигателе:
а) наличие нагревателя и холодильника;
б) наличие рабочего тела и холодильника;
в) наличие нагревателя и рабочего тела
4.Коэффициент полезного действия теплового двигателя:
а) отношение времени полезной работы ко времени, затраченному на техническое обслуживание и ремонт;
б) отношение механической работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя;
в) отношение температуры нагревателя к температуре охладителя.
5. КПД теплового двигателя всегда:
а) больше1;
б) равен 1;
в) меньше 1.
6.Для приближения КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, к единице, необходимо:
а) повышать температуру нагревателя и понижать температуру холодильника;
б) повышать температуру холодильника и понижать температуру нагревателя;
в) повышать температуру холодильника и нагревателя;
г) понижать температуру холодильника и нагревателя;
д) стремиться сделать равной температуру холодильника.
7. Термодинамика позволяет при известной температуре. Т1 источника тепла (нагревателя) и температуре Т2 приемника тепла (холодильника) …
а)…рассчитать кпд любого теплового двигателя.
б)…оценить максимальный кпд любого теплового двигателя.
в)…оценить минимальный кпд любого теплового двигателя…
г)…определить конструкцию двигателя с кпд 100%.
Эталоны ответов:1А, 2Б , 3В, 4В, 5 В, 6 А, 7Б.
Задачи
1 уровень. Чему равен КПД идеального теплового двигателя, если температура нагревателя 5000 С, а температура холодильника 200 С?
2 уровень. Температура нагревателя 1500 С, а холодильника 200 С. От нагревателя получено 105 кДж количества теплоты. Определить работу, произведенную машиной, если считать ее идеальной.
Эталоны ответов к задачам
1. КПД=62%
2. А=31 МДж
Критерии оценки: за решение задачи 1 уровня– «3» балла
за решение задачи 1и 2 уровня (имеются недочеты)– «4» балла
за решение задачи 1и 2 уровня – «5» баллов
Приложение 5
Творческое применение и добывание знаний
Влияние тепловых двигателей на здоровье человека.
Вещества, содержащиеся в выхлопных газах (СО, СО2, СН4, SO2, NO2, и другие) наносят большой вред окружающей среде. Считается, что один автомобиль выделяет 1000-1200 вредных компонентов, многие из которых очень токсичны.
Коварным газом является оксид углерода СО, или угарный газ. В легких он соединяется с гемоглобином крови в 200-300 раз быстрее, чем кислород. При сильном отравлении человек может погибнуть от кислородного голодания. Зарегистрированы случаи, когда, попадая в районы интенсивного автомобильного движения, люди теряли сознание. Угарный газ угнетает также активность ферментов клеток печени, сердца, мозга, повышает уровень сахара в крови.
Выбросы сернистого газа SO2 и оксидов азота вызывают заболевания дыхательных путей.
Кроме того, соединения азота неблагоприятно действуют на кровь и на кровеносные
сосуды. Считается, что оксиды азота в десять раз опаснее, чем оксид углерода.
Свыше 100 лет назад английский химик А.Смит ввел понятие кислотные дожди, но о них
стали говорить только в последнее время. Как они образуются? Какое влияние они оказывают на природу? Содержащиеся в выбросах автомобилей газы, такие, как углекислый, сернистый, оксиды азота, растворяясь в дождевой воде, образуют кислоты.
Кислотные осадки (дождь, туман, снег), оседая на почву и вступая с ней во взаимодействие, способствуют образованию ионов алюминия и других токсичных металлов, что приводит к загрязнению как поверхностных, так и грунтовых вод.
Алюминий, например, способен вызвать болезнь Альцгеймера, заключающуюся в преждевременном старении и развитии умственной неполноценности.
Содержащиеся в отработанных газах автомобилей алканы, алкены и арены вызывают депрессию центральной нервной системы. При взаимодействии с оксидами азота они под действием солнечного излучения образуют фотохимический смог, содержащий соединения, значительно превышающие по своей токсичности исходные (появляется неприятный запах, резко ухудшается видимость, воспаляются глаза, слизистые оболочки носа, горла, обостряются легочные заболевания).
При сжигании топлива происходят выбросы и твердой фазы (сажи). Попадая в поверхностные воды, сажа способствует повышению их щелочной реакции. В саже содержится сильное канцерогенное вещество — бензопирен. Высокая заболеваемость злокачественными опухолями у людей, длительное время дышавших воздухом с бензопиреном, установлена статистически. Особенно много бензопирена выделяется на холостом ходу, во время разгона, торможения, а также при езде по плохим дорогам.
Еще одним чрезвычайно вредным компонентом автомобильных выхлопов является свинец. По международной классификации — это один из наиболее токсичных элементов. Вследствие применения этилированного бензина в атмосферу выбрасывается ежегодно около 200 тыс. т свинца. Он вызывает заболевания крови, нарушение функции почек, нервные расстройства, отрицательно влияет на синтез белка и наследственность.
Выражение «Жми на акселератор — получишь акселерацию». Как его объяснить? Согласно гипотезе инженера К. Арсеньева причиной акселерации является увеличение содержания углекислого газа в атмосфере. Так, рост солдат XVIII (по антропологическим исследованиям скелетов участников Полтавской битвы) оказался на 20 см меньше, чем у современных призывников. Результаты исследования знали, что акселерация больше свойственна детям в городах (из-за загрязненности воздуха усиливаются дыхательные процессы), чем на селе. Так, по данным 1900 г., объем грудной клетки у городских детей достигал объема головы в годовалом возрасте, а в 1967 г. уже в 2-3-месячном.
Более 300 тыс. человек ежегодно погибают в России из-за неблагополучного состояния
окружающей среды. Это значение превышает количество всех других причин смерти в
нашей стране. Причем с каждым годом экологическая обстановка только ухудшается —
зоны экологического неблагополучия охватывают уже около 15% территории страны. До
40 тысяч человек в России каждый год умирают исключительно от болезней, связанных с
дыхательной системой.
Экологические проблемы использования тепловых двигателей
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)
Тепловые двигатели. Принцип работы тепловых двигателей. Двигатель внутреннего сгорания. | Поурочные планы по физике 8 класс
Тепловые двигатели. Принцип работы тепловых двигателей. Двигатель внутреннего сгорания.
27.02.2014 3783 0Цель: разъяснить принцип действия теплового двигателя. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.
Ход урока
I. Организационный момент
II. Повторение изученного
1. Что называется тепловым двигателем?
2. Что называют нагревателем, холодильником?
3. Какова роль их в работе теплового двигателя?
4. Что называют рабочим телом? Какие вещества используются в качестве рабочего тела в двигателях?
5. По какой формуле определяют работу, совершаемую двигателем?
6. Что называется КПД теплового двигателя?
7. По какой формуле определяется КПД машины Карно?
8. Каков КПД двигателей внутреннего сгорания?
III. Изучение нового материала
Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать запасами недостаточно. Необходимо за счет энергии уметь приводить в действие устройства, способные совершать работу. >Q0 и совершается работа. Холодильником служит, как правило, атмосфера или специальное устройство.
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 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).
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 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.
Тепловые двигатели и охрана окружающей среды
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.
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.
Домашнее задание
§ 22-23. Упражнение 12
Двигатели тепловые — Справочник химика 21
Объект сам подает какие-либо сигналы. Например, шум от работающего двигателя, тепловое излучение и т. п. [c.26]
Интенсивность процессов старения масел тесно связана с качеством очистки воздуха, полнотой сгорания топлива, условиями его распыливания в дизелях, образованием горючей смеси в карбюраторных двигателях, тепловым режимом работы и др. Поэтому по изменению физико-химических показателей качества моторного масла можно судить о техническом состоянии двигателя. Для этого в маслах определяют следующие показатели. [c.205]
Возможно влияние таких факторов, как электромагнитные и акустические помехи, недостаточный опыт операторов и др. Наиболее существенны такие влияющие факторы, как подключение и отключение соседних механизмов и машин, переключение клапанов, изменение напора и расхода, подключение и отключение дополнительных участков трубопроводов, двигателей, тепловое состояние объекта контроля. [c.195]
В результате осуществляемых усовершенствований двигателей тепловой режим их повышается. Рабочая смесь в камере сгорания в конце такта сжатия становится более подготовленной к воспламенению. Создаются условия для самопроизвольного, неуправляемого, воспламенения рабочей смеси независимо от времени подачи искры свечей зажигания. Это явление, нарушающее нормальный процесс сгорания, получило название поверхностного воспламенения или калильного зажигания. Источниками воспламенения могут служить перегретые выпускные клапаны, свечи, кромки прокладок, тлеющие частички нагара и т. п. [c.115]
Рабочее тело тепловых двигателей. Газообразные П. с. служат рабочим телом, при помощи к-рого в двигателе тепловая энер -ГИЯ топлива преобразуется в механич. Поэтому от количества и т-ры газов, образующихся при сгорании топлива, будут зависеть тяга (или мощность) и экономичность двигателя. Образование большого количества (объема) газов обеспечивает более высокую скорость их истечения из сопла ракетного или реактивного двигателя и тем самым создает большую тягу. [c.488]
В жидкостных реактивных двигателях тепловая энергия топлива превращается в кинетическую энергию продуктов сгорания, которая преобразуется в механическую работу в виде тяги, развиваемой двигателем. [c.191]
В сопловом аппарате двигателя тепловая энергия газов — продуктов реакции, истекающих из сопла, преобразуется в кинетическую энергию струи [c.16]
Достигнутые к настоящему времени успехи в регулировании горения существенны, но далеко не являются пределом. В идеальном случае в условиях полностью контролируемого горения решающим критерием качества топлива будут не его октановые и цетановые характеристики, а теплосодержание, поскольку поршневые двигатели внутреннего сгорания — двигатели тепловые. [c.112]
Проверка теплового состояния двигателя. Тепловое состояние (чувствительность) двигателя проверяют на смеси, состоящей из 55 объемн. % ТЭИ, 35 объемн. % бензола, 10 объемн. % бензина прямой перегонки с октановым числом 22—27 (с добавлением 0,79 мл ТЭС на I л), которая должна быть эквивалентна ТЭИ плюс 0,84 0,08 мл ТЭС на 1 кг топлива., [c.83]
При длительной перегрузке двигателя тепловое реле 1ТР (биметаллическая пластинка, нагревающаяся при прохождении через нее тока) разрывает контакт ГР и останавливает компрессор. При остывании теплового элемента компрессор самопроизвольно включается, В отличие от тепловых реле прежних конструкций (РТП-1 и др.) в РТК-Х имеется второй тепловой элемент 2ТР, который отключает компрессор (тем же контактом ТР) в случае перегрузки пусковой обмотки (например, если она не отключится контактом РП-1). [c.241]
При длительной токовой перегрузке двигателя тепловое реле 1ТР нагревается и биметаллическая пластина, прогибаясь, размыкает контакт ТР и останавливает компрессор. При остывании нагревателя теплового реле компрессор самопроизвольно включается. В РТК-Х на 220 В в отличие от тепловых реле прежних конструкций (РТП-1 и др.) имеется второй тепловой элемент 2ТР, установленный только в цепи пусковой обмотки. Если ПО не отключится контактом РП-1, то 2ТР разомкнет контакт ТР и остановит компрессор. [c.171]
Способ преобразования тепловой энергии расширяющихся газов в полезную работу определяется типом двигателя. В поршневых двигателях газы действуют на поршень, и движение последнего в цилиндре передается на коленчатый вад двигателя, т. е. тепловая энергия топлива непосредственно преобразуется в механическую работу вращения коленчатого вала. В реактивных двигателях тепловая энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию газов, вытекающих из сопла. В газовых турбинах струя газа, попадая на лопатки турбины, вызывает вращение ее вала. [c.15]
С точки зрения термодинамического анализа двигатель представляет систему с двумя степенями свободы, из которых одна обязательно механическая, а другая — любая. Если вторая степень свободы тепловая, то двигатель — тепловой, электрическая — электрический и т. д. [c.101]
В прямом совмещенном цикле водоаммиачного двигателя тепловая энергия слабого раствора может быть использована для получения работы в расширительном цилиндре или регенерирована и возвращена в основной цикл. Эффективность теплообменника определяется не путем его сравнения с дроссельным вентилем, а по степени использования полной тепловой энергии слабого раствора в этом аппарате. [c.492]
Основным источником энергии для че Что дает знание ловека до сих пор служит различное топливо уголь, нефтепродукты, торф, дрова и т. д. Чтобы иметь возмож ность производить расчеты, связанные с двигателями, тепловыми электростанциями, различными отопительными устройствами, ракетной техникой, и во многих других случаях, надо знать, сколько тепла выделится при сжигании того или иного топлива, при проведении той ил иной химической реакции. [c.9]
В воздушно-реактивных двигателях тепловая энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию продуктов сгорания. Топливо поступает из баков в двигатель и сгорает за счет кислорода воздуха, который подается в двигатель. Смесь нагретых продуктов сгорания и воздуха вытекает из сопла двигателя с большой скоростью и создает реактивную тягу. [c.13]
В компрессорах со встроенными двигателями тепловое реле помещают иногда в корпус двигателя, для того чтобы оно реагировало не только на силу тока, но и на температуру обмотки двигателя. [c.520]
В результате осуществляемых усовершенствований двигателей тепловой режим их повышается. Рабочая смесь в камере сгорания в конце такта сжатия становится более подготовленной к воспламенению. Может произойти самопроизвольноех(неуправляемое) воспламенение рабочей смеси независимо от вымени подачи искры свечей зажигания. Это явление, нарушающее нормальный процесс сгорания, получило название поверхностного воспламенения или калильного зажигания. Источниками воспламенения могут служить перегретые выпускные клапаны, свечи, кромки прокладок, тлеющие частички нагара и т. п. Калильное зажигание, нарушая нормальное протекание сгорания, делает процесс неуправляемым, снижает мощность и ухудшает топливную экономичность двигателя. Калильное зажигание принципиально отлично от детонационного сгорания, хотя эти явления в условиях работы двигателя тесно переплетаются. Сгорание смеси после калильного зажигания протекает с нормальными скоростями и может не сопровождаться детонацией [1]. [c.16]
Каждый двигатель можно рассматривать как устройство для преобразования определенного вида эиергни в механическую работу. Так, в механическую работу преобразуется в паровых двигателях тепловая энергия пара, в двигателях внутреннего сгорания тепловая энергия, полученная в результате сгорания топлива, в гидротурбинах потенциальная энергия воды и т. д. За некоторым исключением (например, реактивные двигатели), двигатели, как правило, предназначаются для создания вращательного движения, за счет которого приводятся в действие самые различные машины. Наиболее распространенной задачей автоматического регулирования двигателей является поддержание заданного числа оборотов двигателя. В качестве рабочей величины для регулирования чисел оборотов обычно принимают положение регулирующего органа, управляющего подводом энергии к двигателю ). В карбюраторных двигателях внутреннего сгорания рабочей величиной, например, является положение дроссельной заслонки, в дизельных двигателях — установка эффективного хода топливного насоса, в паровых турбинах — раскрытие регулирующих клапанов и т. д. [c.385]
То же самое произойдет, если сребренный корпус двигателя чрезмерно загрязнится охлаждение обмоток ухудшится, и двигатель начнет сильно перегреваться. В этом случае реле телловой защиты также не сможет ничего сделать, поскольку потребляемый ток не возрастает. Только встроенная тепловая защита (предусмотренная разработчиком) способна обнаружить опасное повышение температуры и во время выключить двигатель. С другой стороны, повышение потребляемой двигателем силы тока может быть вызвано механическими неисправностями (например, заклинивание подшипника в двигателе или приводимом агрегате). Это повышение силы тока (которое будет происходить довольно медленно, стой же скоростью, что и увеличение силы трения в подшипнике) вызовет рано или поздно отключение двигателя тепловым реле или встроенной тепловой защитой, если она существует (в этом случае двигатель оснащен двойной системой тепловой безопасности, что может быть тем более полезным, поскольку двигатель является важнейшим элементом установки). [c.312]
Слово термодинамика составлено из двух греческих слов therma — тепло или температура, и dynamos — сила или работа. Таким образом, уже из названия следует, что это наука о взаимных превращениях теплоты и работы, происходящих при работе многочисленных теплотехнических устройств различного вида двигателей, тепловых машин, электростанций, холодильников, кондиционеров и т. д. В процессе развития термодинамики предмет науки включил и взаимные превращения теплоты и работы в химических реакциях. Так возникла химическая термодинамика. Особенно наглядна связь теплоты и работы в электрохимических процессах, что обусловило появление электрохимической термодинамики. Еще позже начали развиваться термодинамика излучений, ядерных процессов и т. д. [c.303]
Дизели относятся к тепловым двигателям внутреннего сгорания. В дизельных двигателях тепловая энергия преобразуется в механическую посредством передачи иа пори- ень работы расширения газообразных продуктов сгорания топлива с участием кислорода воздуха. На коленчатом валу двигателя поступательно-вращательное движение поршня преобразуется при помощи кривошипно-шатунного механизма во вращательное. Создаваемый коленчатым валом крутящий момент совершает полезлую работу, преодолевая сопротивление внешней нагрузки. Рабочий цикл склады-рается из процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре двигателя и [c.22]
До недавнего времени (около 15—20 лет назад) на насосных станциях мелиоративного назначения (в проектах и на установках) можно было встретить большое разнообразие типов двигателей тепловые— паровые (локомобили), двигатели внутреннего сгорания (ДВС) — карбюраторные, нефтяные, дизели ветродвигатели и электродвигатели. Для увеличения коэффициента использования энергетического оборудования строили электростанции местного значения ДЭС — дизель-электрические станции, электростанции с локомобилями и ветрозлектростанции. Получаемой электроэнергией питались лишь насосные установки, а в невегетационный период приводилось в действие другое сельскохозяйственное оборудование. [c.184]
Энергетический баланс. При нормальной эксплуатации, если весь образующийся при анаэробном сбраживании газ используется для получения энергии с помощью газодизельных двигателей, получаемая энергия достаточна для обеспечения потребности в тепле метантенков в любое время года. Однако если работают не все двигатели, тепловой баланс может быть отрицательным, так как количество восстанавливаемого тепла уменьшается. Следовательно, должны быть предусмотрены запасные (резервные) бойлеры. Желательно, чтобы емкость бойлеров (не считая резервных) соответствовала нуждам метантенков. [c.180]
Рассмотрены основы термодинамики и теории теплообмена, топливо и ето горение, схемы и элементы расчета теплотехнических установок котлов, промышленных печей, двигателей тепловых и атомных электростанций и ТД, Приведены расчеты систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, систем теплоснабжения предприятий. Изложены основы энерготехнологии и рассмотрены вторичные энерготехнологические ресурсы. [c.142]
Максимальное значение площади ЬсйеЬ будет при осуществлении теоретического цикла, т. е. когда давление в цилиндре двигателя изменяется в соответствии с кривой АВСОЕ (рис. 76). В силу имеющихся в двигателе тепловых потерь, вызванных теплопередачей, особенностями и несовершенством сгорания и гидравлических потерь, действительная индикаторная диаграмма (Ьсйе) отличается от теоретической. [c.238]
Количество тепла, подаваемого тепловым насосом за счс пользования теплоты подземной воды в 3—4 раза превышас требление механической энергии (КОП=Зч-4). Простой по показывает, что КПЭ системы двигатель+тепловой насо вен 1,4. [c.126]
Влияние детонации. При дето-нациоппом сгорании топлива в двигателе тепловая нагрузка поршня резко изменяется. На рис. 12 представлено влияние коэффициента избытка воздуха на тепловую нагрузку поршня при нормальном и дето национном сгорании топлива в двигателе. Результаты опытов показывают, что детонация в двигателе сопровождается весьма интенсивным повышением температур поршня- и особенно его дниша. [c.216]
На р1ис. 10 Представлены характеристики лакообразова,ния, полученные в зависимости от длительности работы двух различных по химическому составу масел автола АК-10 из бакинских нефтей и автола АС-9,5 из восточных сернистых нефтей. Опыты проводились в напряженных условиях, близких к термическим условиям работы м асла в поршневой зоне современных карбюраторных двигателей. Тепловое состояние поршня при этом [c.233]
Работа газа и пара при расширении. Тепловой двигатель
Предмет — «Физика»
Класс — 8 класс
Тип урока – урок открытия нового знания.
Цели урока:
- образовательные – сформировать у обучающихся представление о тепловом двигателе, устройстве и принципе действия двигателя внутреннего сгорания;
- развивающие — продолжить формирование умений применять ранее полученные знания для объяснения изучаемого явления, наблюдать, сравнивать, делать выводы, выделять существенное в изучаемом материале, сопоставлять изучаемые явления;
- воспитательные — показать практическую значимость изучаемого вопроса, обеспечить стимулирование интереса к изучению предмета, воспитание культуры логического мышления и самостоятельности.
Планируемый результат:
- Личностные УУД – формирование устойчивой учебно-познавательной мотивации и интереса к учению, ответственного отношения к учению, готовности к саморазвитию и самообразованию; коммуникативной компетентности в общении и сотрудничестве со сверстниками;
- Коммуникативные УУД – построение устных и письменных высказываний в соответствии с поставленной коммуникативной задачей, организация и планирование учебного сотрудничества с учителем и одноклассниками; учет разных мнений и интересов, отстаивание своей точки зрения, приведение аргументов;
- Познавательные УУД – поиск и выбор наиболее эффективных средств достижения поставленной задачи; построение логических рассуждений, включающих установление причинно-следственных связей; преобразование информации из одного вида в другой; использование просмотрового и изучающего чтения;
- Регулятивные УУД – составление плана решения проблемы, осознание конечного результата, осуществление регулятивных действий самонаблюдения, самоконтроля, самооценки в процессе урока; формирование умения самостоятельно контролировать своё время и управлять им; оценка своих возможностей достижения поставленной цели.
Предметные результаты — объяснение на основе имеющихся знаний превращения внутренней энергии в механическую, схемы устройства и принципа действия двигателя внутреннего сгорания; умение приводить примеры практического использования тепловых двигателей.
Форма урока – классно-урочная.
Этапы урока:
|
Этап урока |
Формируемые УУД |
|||
|
Личностные |
Познава-тельные |
Коммуни-кативные |
Регуля-тивные |
|
|
I.Организа-ционный момент (1 мин) |
Установление связи между целью учебной деятельности и ее мотивом. |
Выделение существенной информации |
Построение монологичес-кого высказывания. |
Принятие и сохранение учебной задачи. Контроль процесса своих действий. |
|
II.Этап мотивации к учебной деятель-ности (2 мин)
|
Установление связи между целью учебной деятельности и ее мотивом. |
Выделение существенной информации. Осуществле-ние актуализации личного жизненного опыта. |
Учет разных мнений и интересов, отстаивание своей точки зрения, приведение аргументов. |
Дополнение, уточнение высказанных мнений по существу полученного задания. |
|
III.Этап актуали-зации и фиксирова-ния индивиду-ального затруднения в пробном учебном действии (5 мин) |
Формиро-вание личностного смысла учения |
Анализ, сравнение, построение логических рассуждений, выделение существенной информации. |
Построение понятных для собеседника высказываний. |
Дополнение, уточнение высказанных мнений по существу полученного задания. |
|
IV.Этап выявления места и причины затруднения (2 мин)
|
Развитие мотивов учебной деятельности |
Построение логических рассуждений, включающих установление причинно-следственных связей |
Построение понятных для собеседника высказываний. |
Дополнение, уточнение высказанных мнений по существу полученного задания. |
|
V.Этап построения проекта выхода из затруднения (3 мин)
|
Формирование готовности к саморазви-тию и самообра-зованию |
Выдвижение Предполо-жений и их обоснование |
Построение понятных для собеседника высказываний. |
Дополнение, уточнение высказанных мнений по существу полученного задания. |
|
VI.Этап реализация построен-ного проекта (8 мин)
|
Формирова-ние личностного смысла учения, устойчивой учебно-познаватель-ной мотивации и интереса к учению |
Выделение существенной информации. Построение рассуждений, Преобразо-вание информации из одного вида в другой, использова-ние просмотро-вого и изучающего чтения |
Понимание возможности различных позиций, отличных от собственной. Ориентация на позицию партнера в общении, взаимодействии. Формулировка собственного мнения и позиции. Учет разных мнений |
Планирование действия в соответствие с поставлен-ной задачей. Внесение коррективов в действие после его завершения. |
|
VII.Этап первичного закрепления (5 мин) |
Формиро-вание коммуника-тивной компетент-ности в общении и сотрудни-честве со сверстниками |
Выделение существенной информации. Построение логических рассуждений |
Построение устного высказывания. Формулировка собственного мнения и позиции. |
Планирование действия в соответствии с поставлен-ной задачей. Внесение коррективов в действие после его завершения. |
|
VIII.Этап самостоя-тельной работы с самопро-веркой по эталону (4 мин) |
Формиро-вание личностного смысла учения |
Самостоя-тельное обобщение полученной информации. Выбор необходимых способов действий для выполнения задания. |
Учет разных мнений и интересов. Формулировка собственного мнения и позиции. |
Планирова-ние действия в соответствие с поставлен-ной задачей. Внесение коррективов в действие после его завершения. |
|
IX.Этап включения в систему знаний и повторения (4 мин)
|
Формирование готовности к саморазвитию и самообра-зованию |
Самостоя-тельное обобщение полученной информации. Построение логических рассуждений |
Учет разных мнений и интересов. Формулировка собственного мнения и позиции |
Самооценка уровня усвоения материала |
|
X.Этап включения в систему знаний и повторения (4 мин) |
Формиро-вание личностного смысла учения |
|
Формулировка собственного мнения и позиции. Учет разных мнений и интересов. |
Само-контроль и самооценка, осознание уровня усвоения материала |
|
XI.Инфор-мация о домашнем задании, инструктаж по его выполнению (2 мин) |
Формиро-вание готовности к саморазви-тию и самообра-зованию |
Выбор средств достижения поставленной задачи |
|
Оценка готовности к самостоя-тельным действиям по воспроизве-дению и применению полученных знаний. |
Формы работы – фронтальная, индивидуальная, парная.
Методы: наглядный, словесный (беседа, диалог).
Методические приемы: «Верите ли вы, что …», путешествие в «Музей тепловых машин», «Плюс и минус», «Физика+лирика», опережающее задание (подготовка сообщения о первых тепловых двигателях).
Ресурсы:
- учебник «Физика. 8 класс», автор А.В. Перышкин;
- рабочая тетрадь к учебнику А.В. Перышкина «Физика. 8 класс», автор Т.А. Ханнанова;
- электронное приложение к учебнику «Физика. 8 класс», автор А.В. Перышкин;
- мульмедийная презентация к уроку.
Оборудование: мультимедийный проектор, экран, ноутбук, демонстрационное оборудование (пробирка с водой, спиртовка, штатив, пробка), презентация к уроку.
Сценарий урока
Ход урока
I. Организационный момент (1 мин)
Цель: подготовка учащихся к работе, обеспечение благоприятной обстановки для работы.
Приветствие учителя:
Здравствуйте, ребята. Слышите звонок?
Это начинается новый наш урок.
Много интересного будем изучать,
Выводы делать и рассуждать.
II. Этап мотивации к учебной деятельности (2 мин)
Цель: выработка на личностно значимом уровне внутренней готовности к учебной деятельности.
Урок я хотела бы начать с высказывание британского педагога и философа Джона Локка «Великое искусство научиться многому – это браться сразу за немногое». В чем смысл высказывания? (высказывают свое мнение).
На каждом уроке мы узнаем что-то новое. Накопленные знания можем применить на следующих уроках.
III. Этап актуализации и фиксирования индивидуального затруднения в пробном учебном действии (5 мин)
Цель: подготовка мышления учащихся, организация осознания ими внутренней потребности к построению учебных действий и фиксирование каждым из них индивидуального затруднения в пробном действии.
Прочитайте стихотворение (слайд 2). О каких видах энергии в нем идет речь? (выслушиваются ответы учащихся)
Какими видами энергии обладают тела, представленные на слайде? Почему? (слайд 3) (Выслушиваются ответы учащихся с пояснениями).
Объясните, почему подпрыгивает крышка чайника, когда в нем кипит вода? (слайд 4) (Выслушиваются ответы учащихся с пояснениями).
Объясните вращение колеса (слайд 5) (Выслушиваются ответы учащихся с пояснениями).
(Демонстрационный опыт) Нальем в пробирку воду так, чтобы она занимала третью часть ее объема. Пробирку закроем пробкой. Снизу подогреем пробирку с водой с помощью спиртовки.
Почему вылетает пробка из пробирки? (Выслушиваются ответы учащихся с пояснениями).
В чем сходство явлений, которые мы объяснили? (слайд 6) (Выслушиваются ответы учащихся с пояснениями).
Действительно, рассмотрены явления, в которых энергия топлива превращается во внутреннюю энергию пара, а за счет внутренней энергии пара совершается механическая работа. Устройства, совершающие работу за счет внутренней энергии, называют тепловыми двигателями.
Что представляют собой тепловые двигатели? Какие тепловые двигатели бывают?
IV. Этап выявления места и причины затруднения (2 мин)
Цель – организация анализа учащимися возникшей ситуации, выявление места и причины затруднения, осознание того, в чем именно состоит недостаточность их знаний, умений или способностей.
Почему не смогли ответить на вопрос? Что мы не знаем?
Что нам нужно узнать? (выслушиваются ответы учащихся)
V. Этап построения проекта выхода из затруднения (3 мин)
Цель — постановка целей учебной деятельности, выбор способа и средств их реализации.
Какую цель сегодня поставим на уроке? Сформулируйте тему урока (На доске и в тетради фиксируется тема урока).
Что называют тепловым двигателем? Какие бывают тепловые двигатели? Каков принцип работы тепловых двигателей? Где мы можем найти ответ на вопросы? (Воспользуемся учебником, словарем, справочником).
VI. Этап реализация построенного проекта (8 мин)
Цель — построение учащимися нового способа действий и формирование умений его применять.
Откройте учебник на странице 64. Прочитайте самостоятельно определение теплового двигателя.
Что называют тепловым двигателем? (это машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию).
Какие виды топлива можно использовать в машинах с тепловыми двигателями? (нефть, газ, бензин и т.д.).
Прочитайте задание 21.2а) на странице 42 рабочей тетради (работа в парах) и ответьте на вопросы. (Выслушиваются ответы учащихся с пояснениями).
Где еще используется тепловой двигатель? (Выслушиваются ответы учащихся с пояснениями).
Какие механизмы, представленные на слайде, имеют тепловой двигатель? (Слайд 7)
К тепловым двигателям относятся паровая машина, реактивный двигатель, газовая турбина, двигатель Дизеля, карбюраторный двигатель.
Один из видов тепловых двигателей называется двигатель внутреннего сгорания. Почему такое название у двигателя? Найдите ответ в первом абзаце параграфа 22 на странице 64 учебника. (топливо сгорает внутри двигателя).
Рассмотрите рисунок 26 на странице 65 учебника, найдите описание рисунка в тексте. Каковы основные части двигателя внутреннего сгорания? (Впускной и выпускной клапаны, электрическая свеча, поршень, цилиндр, коленчатый вал).
Каков принцип работы двигателя внутреннего сгорания? (рассматривается с помощью анимационной модели электронного приложения). Через впускной клапан засасывается горючая смесь (топливо). Горючая смесь сжимается при движении поршня вверх, клапаны закрыты. При сжатии горючая смесь нагревается. Электрическая искра поджигает горючую смесь. Смесь взрывается. Поршень приходит в движение вниз. При движении вверх поршень выбрасывает из цилиндра отработанные газы через выпускной клапан. Потом все повторяется.
С помощью рисунка 27 на странице 66 учебника рассмотрите самостоятельно принцип работы двигателя внутреннего сгорания.
На странице 43 рабочей тетради выполните задание 22.2. (Проверяется работа учащихся, выслушиваются ответы с пояснениями).
Объясните, почему двигатель внутреннего сгорания называют четырехтактным? (работа происходит за четыре такта).
А если в двигателе не один поршень, а несколько? (будет совершена большая работа).
Откройте Справочник по физике и технике на странице 126, ознакомьтесь со значениями температур газов внутри цилиндра четырехтактных двигателей внутреннего сгорания.
Ответьте на вопросы. Верите ли вы, что … (если утверждение верное, учащиеся делают наклон головы вперед) (слайд 8):
- температура газов внутри цилиндра ДВС наибольшая в конце процесса сжатия?
- температура газов внутри цилиндра ДВС наименьшая в конце процесса впуска?
- наибольший коэффициент полезного действия у двигателя карбюраторного?
- наименьший коэффициент полезного действия у паровой турбины?
Физическая минутка (слайд 9)
От зеленого причала (встать)
Оттолкнулся пароход (покачаться).
Он шагнул назад (два шага назад),
Он шагнул вперед (два шага вперед).
И поплыл, поплыл по речке (движение руками),
Набирая полный ход (ходьба на месте).
VII. Этап первичного закрепления (5 мин)
Цель — усвоение учащимися нового способа действия при решении типовых задач.
Какой двигатель установлен на пароходе? Почему? (Выслушиваются ответы учащихся с пояснениями).
Можно ли считать тепловым двигателем ружье? А Царь-пушку? (Слайд 10). Подготовьте ответы на данные вопросы, работая в парах. (Выслушиваются ответы учащихся с пояснениями).
В рабочей тетради на странице 46 выполните задание номер 23.4. (Выслушиваются ответы учащихся с пояснениями).
Кто справился правильно? Где возникло затруднение? Почему?
Вы успешно поработали, поэтому предлагаю вам сейчас отправиться в «Музей тепловых машин». Наш экскурсовод — … (ФИ ученика) (Выступление ученика сопровождается презентацией).
В 1698 году англичанин Томас Севери зарегистрировал первый патент на устройство «для подъема воды и для получения движения всех видов производства при помощи движущей силы огня…» — первый паровой насос.
В 1764 году изобретатель-самородок из Алтая И.И. Ползунов предложил первую в мире конструкцию теплового двигателя, использовавшего горячий пар.
В 1773 году шотландский инженер Джеймс Уатт построил свою первую действующую паровую машину.
Первый двигатель внутреннего сгорания запатентован в 1859 году французским механиком Этьеном Ленуаром.
Первый автомобиль с бензиновым двигателем внутреннего сгорания был создан в 1885 году немецким инженером Карлом Бенцом. Это был трёхколёсный двухместный экипаж на высоких колёсах со спицами.
В 1892 г. немецкий инженер Рудольф Дизель получил патент на двигатель, который получил название двигатель Дизеля.
VIII. Этап самостоятельной работы с самопроверкой по эталону (4 мин).
Цель — интериоризация (переход извне внутрь) нового способа действия и исполнительская рефлексия (индивидуальная) достижения цели пробного учебного действия, применение нового знания в типовых заданиях.
Проверим, как вы усвоили новый материал. На парте проверочная работа — тест, для каждого вопроса нужно выбрать один правильный ответ. Время выполнения – 3 минуты.
1. Двигатель внутреннего сгорания работает на …
а. нефти
б. каменном угле
в. торфе и дровах
г. бензине
2. Тепловой двигатель установлен на …
а. воздушном шаре
б. дельтаплане
в. вертолете
г. яхте
3. Во время рабочего хода поршень …
а. движется вниз
б. движется вверх
в. находится в покое
4. В тепловом двигателе происходит преобразование …
а. энергии движения в энергию топлива
б. энергии топлива в энергию движения в. энергии движения в потенциальную энергию
5. Внутренняя энергия газов внутри цилиндра двигателя внутреннего сгорания …
а. наибольшая с начале сжатия
б. наибольшая в конце сжатия в. всегда одинакова
Проверьте выполненное задание по эталону (слайд 11):
|
Вопрос 1 |
Вопрос 2 |
Вопрос 3 |
Вопрос 4 |
Вопрос 5 |
|
г |
в |
а |
б |
б |
У кого есть ошибки? В каком вопросе допустили ошибку?
IX. Этап включения в систему знаний и повторения (4 мин)
Цель — повторение и закрепление ранее изученного, выявление границы применимости нового знания и использование его в системе изученных ранее знаний.
Зачем нам нужны знания о тепловых двигателях? (Выслушиваются ответы учащихся).
Знаете ли вы, почему двигатели внутреннего сгорания не используются в подводной лодке при погруженном в воду режиме плавания?
Знаете ли вы, почему высота подъема самолетов, двигатели которых работают на смеси горючего и воздуха, ограничена? (Слайд 12)
(Выслушиваются ответы учащихся).
X. Этап рефлексии учебной деятельности на уроке (2 мин)
Цель — самооценка учащимися результатов своей учебной деятельности, осознание метода построения и границ применения нового способа действия.
Какие знания сегодня вы приобрели на уроке?
Достигли ли мы цели урока?
Оцените работу на уроке, продолжив фразы (Слайд):
Сегодня на уроке я узнал …
Сегодня на уроке я научился …
Мне было интересно узнать …
Я понял, что…
(Выслушиваются ответы учащихся).
XI. Информация о домашнем задании, инструктаж по его выполнению (2 мин)
По учебнику к следующему уроку нужно прочитать материал параграфов 21, 22, приготовить ответы на вопросы.
Учащимся первого ряда подготовить информацию о том, каковы отрицательные последствия применения тепловых машин.
Учащимся второго ряда подготовить сообщение «Достижения науки и техники в строительстве паровых турбин».
Учащимся третьего ряда подготовить информацию о том, почему в некоторых странах тепловые двигатели на автомобилях заменяют электродвигателями.
ТЕПЛОВЫЕ ПУШКИ: в чем отличие?
Общие вопросы
Всем известно, что тепловая пушка служит для обогрева помещений. Многие представляют ее как большой фэн, подающий теплый воздух в пространство. Вместе с тем тепловая пушка – мощное устройство, совмещающее в себе функции обогрева, сушки и вентиляции помещения. Благодаря широкому спектру своего применения, тепловые пушки могут использоваться как в жилых или рабочих помещениях (на складах, в мастерских, гаражах), в сельском хозяйстве при обогреве теплиц, коровников и др. помещений, так и при строительных работах (чтобы ускорить процесс высыхания штукатурки, краски, бетонной стяжки и др.), в помещениях, где нет электричества. Топливо, на котором работают тепловые пушки, является основным критерием разделения их по видам. В связи с этим тепловые пушки бывают: электрические, дизельные и газовые. Два последних типа используются преимущественно при постройке новых зданий, когда необходимо поддерживать тепло в помещении, еще не подключенном к электросети и отоплению, а также на открытом воздухе. Газовые и дизельные тепловые пушки также делятся по функции прямого и непрямого нагревания. Данный критерий очень важен при использовании тепловой пушки в помещении: приборы с прямым нагревом сжигают топливо без отвода продуктов горения, что требует обязательной вентиляции помещения и отсутствие людей, постоянно находящихся в нём. Тепловые пушки непрямого нагревания не используют кислород, продукты сгорания от них не попадают в атмосферу. Вместе с тем стоят они значительно дороже. При выборе модели тепловой пушки для обогрева помещения важен такой параметр, как тепловая мощность агрегата, которая измеряется в кВт. Чтобы определить параметр тепловой мощности для помещения, пользуются соотношением: 100 Вт на 1м2 (при высоте потолков не более 3-4 м), следовательно, для складского помещения на 200м2 понадобится тепловая пушка на 20кВт. [h3]Электрические тепловые пушки[/h3] Электрические тепловые пушки по праву относятся к самым экологически чистым нагревателям воздуха в своем сегменте. Именно этот вид тепловых пушек предусматривает наличие моделей, предназначенных больше для бытовых нужд, чем для промышленных. Здесь главное помнить, что любая электрическая тепловая пушка — это достаточно сильный потребитель электроэнергии и не всякие сети рассчитаны на использование таких приборов. При использовании подобных электрических тепловых пушек в квартирах, частных домах необходимо быть уверенным в том, что электропроводка выдержит подобную нагрузку. Реле регулировки температуры не всегда присутствует в тепловых пушках. Чаще всего температура в них регулируется исключительно одним переключателем режимов работы, которые изменяют интенсивность потока воздуха. Электрические тепловые пушки бывают мощностью от 1,5 кВт до 30 кВт, правда существуют и промышленные агрегаты до 100 кВт. Однако в виду высокой стоимости электроэнергии, а также неоправданно высокого ее потребления данными устройствами, использовать их разумно только в небольших помещениях либо для локального нагрева. Для обогрева небольшой комнаты достаточно агрегата на 2-3 кВт. Преимущества электрических моделей в их компактности и небольшом весе. Электрические тепловые пушки могут быть безопасно использованы только в температурном диапазоне от -10°С до +35°С, что в определенной степени ограничивает сферу их применения. Возможность подключать электрические тепловые пушки к сетям с напряжением как 220 Вт, так и 380 Вт, значительно расширяет область их применения. Тепловые пушки, которые имеют подключение к сети 380 Вт, относятся к разряду профессионального оборудования и не предназначены для эксплуатации в бытовых условиях. Однако, в связи с не достаточно высокой мощностью профессиональных электрических тепловых пушек на больших строительных площадках, да и на остальных больших площадях, чаще всего применяются тепловые пушки, в которых сжигается углеводородное топливо. [h3]Газовые тепловые пушки[/h3] Газовые тепловые пушки менее компактны, чем электрические, но зато гораздо экономичнее, и не требуют мощной электросети. Это наиболее выгодный вариант для продолжительного обогрева помещений. Максимальная планка мощности для газовых тепловых пушек – 140 кВт. Важно знать: данный вид оборудования не может обойтись совсем без электричества, так как оно необходимо для работы вентилятора. Вместо электросети можно использовать небольшую мобильную электростанцию с двигателем внутреннего сгорания. При выборе газовой тепловой пушки необходимо учитывать такой важный параметр, как расхода топлива. Разные модели этого вида теплового оборудования обладают разным показателем тепловой мощности – от 15 кВт до 140 кВт, и расход топлива у них будет совершенно различным – от 0,8 кг/ч до 5,8 кг/ч. Газовая пушка может быть подключена к магистральному газопроводу только с разрешения контролирующих органов, но может быть подключена и к газовому баллону. Однако расход газа от газопровода в 9 (!) раз меньше, чем при использовании баллона. В процессе работы все газовые пушки в огромных количествах сжигают находящийся в помещении кислород, поэтому никогда не забывайте: долго находиться в помещении, где работает газовая тепловая пушка, и нет притока свежего воздуха, попросту опасно для здоровья. Незначительные потери тепла во время вентиляции помещения практически не влияют на общую рентабельность газовой тепловой пушки, так как КПД данного вида пушек приближается к 100%. При выборе газовых тепловых пушек предпочтение следует отдавать моделям, в которых предусмотрен контроль пламени и перегрева корпуса. Это повышает безопасность данного вида оборудования. Большой популярностью в последнее время пользуются газовые тепловые пушки прямого нагрева воздуха. Они очень удобны в использовании, крайне мало потребляют электроэнергии, менее пожароопасные в отличии от тепловых пушек на жидком топливе. Еще одно неоспоримое преимущество таких тепловых пушек заключается в том, что при нынешнем уровне газификации и возможности работать от магистрального газопровода, а также от сжатого баллонного газа, у вас просто не будет проблем с ее подключением. При сгорании газа в атмосферу выделяется очень малый объем вредных веществ, поэтому газовые тепловые пушки получили широкое распространение не только в строительстве, но и в сельском хозяйстве: при помощи газовых тепловых пушек обогреваются коровники, птичники, свинарники. Газовые тепловые пушки вполне пригодны для обогрева помещений, в которых находятся люди, при условии достаточно хорошей вентиляции таких помещений. Еще одним преимуществом газовых тепловых пушек является цена. Они значительно дешевле аналогичных моделей электрических или дизельных тепловых пушек. [h3]Дизельные тепловые пушки[/h3] Дизельные тепловые пушки потребляют мало электричества (только для работы вентилятора и некоторых систем), являются очень экономичными и достаточно мобильными. При выборе дизельной тепловой пушки необходимо учитывать расход топлива. Разные модели этого вида теплового оборудования обладают разным показателем тепловой мощности – от 13 кВт до 120 кВт, и расход топлива у них будет совершенно различным – от 0,9 л/ч до 6,3 л/ч. Прямоточные дизельные тепловые пушки (те, которые выбрасывают продукты сгорания топлива вместе с подогретым воздухом) не применяются для отопления помещений. Дышать выхлопными газами просто невозможно. Основное предназначение таких тепловых пушек — это сушка каких-либо материалов (например, с помощью таких тепловых пушек сушат зимой бетон, другие растворы, широко применяются тепловые пушки для сушки древесины). КПД таких прямоточных тепловых пушек очень высокий, их рекомендуют использовать на больших, открытых площадях. Пушки, оборудованные дымоходом, вполне подходят для обогрева помещений в которых могут находиться люди. Многие тепловые пушки с дымоходами оборудуют дополнительно системами принудительного удаления продуктов сгорания, что позволяет добиться максимальной чистоты воздуха. Но вместе с тем необходимо помнить, что в процессе работы такой тепловой пушки происходит сгорание кислорода в воздухе, и поэтому помещение должно иметь хорошую вентиляцию, постоянно проветриваться. Современные дизельные тепловые пушки оборудуют системами, которые следят за перегревом аппарата, изменяют температуру подогреваемого воздуха, следят за подачей топлива в камеру сгорания. Преимущества тепловых пушек с автоматическим управлением в том, что их можно оставлять надолго без внешнего контроля, ведь в таком режиме они работают чаще всего. Автоматика отключает агрегат при остановке вентилятора или прекращении подачи топлива, а также следит за состоянием пламени. Такая автоматика позволяет максимально эффективно использовать тепловую пушку и в значительной мере экономить дорогостоящее топливо. Нестандартное использование тепловой пушки. До чего только люди не додумаются!
Остались вопросы?
Звоните:
8-495-660-18-80; 8-800-775-60-83
Принцип действия и КПД тепловых двигателей. Физика. 10 класс. — Паровая турбина.КПД теплового двигателя.
Принцип действия теплового двигателя
Темой прошлого урока был первый закон термодинамики, который задавал связь между некоторым количеством теплоты, которое было передано порции газа, и работой, совершаемой этим газом при расширении. И теперь пришло время сказать, что эта формула вызывает интерес не только при неких теоретических расчётах, но и во вполне практическом применении, ведь работа газа есть не что иное как полезная работа, какую мы извлекаем при использовании тепловых двигателей.
Определение. Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую работу (рис. 1).
Рис. 1. Различные примеры тепловых двигателей (Источник), (Источник)
Как видно из рисунка, тепловыми двигателями являются любые устройства, работающие по вышеуказанному принципу, и они варьируются от невероятно простых до очень сложных по конструкции.
Все без исключения тепловые двигатели функционально делятся на три составляющие (см. рис. 2):
- Нагреватель
- Рабочее тело
- Холодильник
Рис. 2. Функциональная схема теплового двигателя (Источник)
Нагревателем является процесс сгорания топлива, которое при сгорании передаёт большое количество теплоты газу, нагревая тот до больших температур. Горячий газ, который является рабочим телом, вследствие повышения температуры, а следовательно, и давления, расширяется, совершая работу . Конечно же, так как всегда существует теплопередача с корпусом двигателя, окружающим воздухом и т. д., работа не будет численно равняться переданной теплоте – часть энергии уходит на холодильник, которым, как правило, является окружающая среда.
Проще всего можно представить себе процесс, происходящий в простом цилиндре под подвижным поршнем (например, цилиндр двигателя внутреннего сгорания). Естественно, чтобы двигатель работал и в нём был смысл, процесс должен происходить циклически, а не разово. То есть после каждого расширения газ должен возвращаться в первоначальное положение (рис. 3).
Рис. 3. Пример циклической работы теплового двигателя (Источник)
Для того чтобы газ возвращался в начальное положение, над ним необходимо выполнить некую работу (работа внешних сил). А так как работа газа равна работе над газом с противоположным знаком, для того чтобы за весь цикл газ выполнил суммарно положительную работу (иначе в двигателе не было бы смысла), необходимо, чтобы работа внешних сил была меньше работы газа. То есть график циклического процесса в координатах P-V должен иметь вид: замкнутый контур с обходом по часовой стрелке. При данном условии работа газа (на том участке графика, где объём растёт) больше работы над газом (на том участке, где объём уменьшается) (рис. 4).
Рис. 4. Пример графика процесса, протекающего в тепловом двигателе
Раз мы говорим о некоем механизме, обязательно нужно сказать, каков его КПД.
В современной технике широко применяют другой тип теплового двигателя. В нём пар или нагретый до высокой температуры газ вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. Такие двигатели называют турбинами.
Ротор паровой турбины
Схема устройства простейшей паровой турбины приведена на рисунке 28. На вал 5 насажен диск 4, по ободу которого закреплены лопатки 2. Около лопаток расположены трубы — сопла 1, в которые поступает пар 3 из котла. Струи пара, вырывающиеся из сопел, оказывают значительное давление на лопатки и приводят диск турбины в быстрое вращательное движение.
Схема паровой турбины
В современных турбинах применяют не один, а несколько дисков, насаженных на общий вал. Пар последовательно проходит через лопатки всех дисков, отдавая каждому из них часть своей энергии.
На электростанциях с турбиной соединён генератор электрического тока. Частота вращения вала турбин достигает 3000 оборотов в минуту, что является очень удобным для приведения в движение генераторов электрического тока.
В нашей стране строят паровые турбины мощностью от нескольких киловатт до 1 200 000 кВт.
Применяют турбины на тепловых электростанциях и на кораблях.
Постепенно находят всё более широкое применение газовые турбины, в которых вместо пара используются продукты сгорания газа.
Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только незначительную часть энергии, которая выделяется топливом. Большая часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве.
Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты. Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу за счёт своей внутренней энергии. Часть энергии передаётся атмосфере — холодильнику — вместе с отработанным паром или выхлопными газами.
Очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее.
Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия двигателя — КПД.
Отношение совершённой полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя.
Коэффициент полезного действия обозначают η (греч. буква «эта»).
КПД теплового двигателя определяют по формуле
где Ап — полезная работа, Q1 — количество теплоты, полученное от нагревателя, Q2 — количество теплоты, отданное холодильнику, Q1 — Q2 — количество теплоты, которое пошло на совершение работы. КПД выражается в процентах.
Например, двигатель из всей энергии, выделившейся при сгорании топлива, расходует на совершение полезной работы только одну четвёртую часть. Тогда коэффициент полезного действия двигателя равен ¼, или 25% .
КПД двигателя обычно выражают в процентах. Он всегда меньше единицы, т. е. меньше 100% . Например, КПД двигателей внутреннего сгорания 20—40%, паровых турбин — немногим выше 30%.
Домашняя работаЗадание 1. Ответить на вопросы.
- Какие тепловые двигатели называют паровыми турбинами?
- В чём отличие в устройстве турбин и поршневых машин?
- Из каких частей состоит паровая турбина и как она работает?
- Почему в тепловых двигателях только часть энергии топлива превращается в механическую энергию?
- Что называют КПД теплового двигателя?
- Почему КПД двигателя не может быть не только больше 100%, но и равен 100%?
Задание 2. Решить задачи.
☝ При равномерном перемещении груза массой 30 кг по наклонной плоскости была приложена сила 80 Н. Вычисли КПД плоскости, если ее длина 3,6 м, а высота – 60 см.
☝ Какова длина наклонной плоскости, если при перемещении груза массой 1 кг была приложена сила 5 Н? Высота наклонной плоскости 0,2 м, а КПД 80%.
☝ Груз массой 300 кг подняли с помощью рычага на высоту 0,5 м. При этом к длинному плечу рычага была приложена сила 500 Н, а точка приложения силы опустилась на 4 м. Вычислите КПД рычага.
☝ Какая сила была приложена к длинному плечу рычага с КПД 40%, если груз массой 100 кг был поднят на высоту 10 см, а длинное плечо рычага опустилось на 50 см?
ИНТЕРЕСНО
1. Мощные механизмы приводят в движение не паровыми поршневыми машинами, а паровыми турбинами. Ведь поршневые машины при той же мощности имеют большие размеры и вес и меньший кпд. В ряде случаев это технически неудобно и экономически невыгодно.
2. Чтобы поднять КПД парового двигателя стенки парового котла лучше делать из железа или меди.
Эти металлы улучшат теплопроводность котла и этим поднимут его КПД. Кстати, слой накипи ухудшает теплопроводность котла и приводит к появлению на нем трещин и, в конце концов, к порче котла, поэтому-то так необходимо очищать котел от накипи.
К занятию прикреплен файл «Изобретение и распространение паровых турбин.». Вы можете скачать файл в любое удобное для вас время.
Использованные источники:
- http://interneturok.ru/ru/school/physics/10-klass/
- http://youtube.com/watch?v=AMFRpRQnMRM
- http://youtube.com/watch?v=iDDGCf9eyes
- http://youtube.com/watch?v=Ny2YDArHerY
- http://youtube.com/watch?v=G3RtYsmE_Jw
12.4 Приложения термодинамики: тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники
Тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники
В этом разделе мы исследуем, как работают тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники с точки зрения законов термодинамики.
Одна из самых важных вещей, которые мы можем сделать с теплом, — это использовать его для работы за нас. Тепловой двигатель делает именно это — он использует свойства термодинамики для преобразования тепла в работу. Бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины, вырабатывающие электричество, — все это примеры тепловых двигателей.
На рис. 12.13 показан один из способов, которыми тепло передает энергию для выполнения работы. Сгорание топлива высвобождает химическую энергию, которая передает тепло по газу в цилиндре. Это увеличивает температуру газа, что, в свою очередь, увеличивает давление газа и, следовательно, силу, которую он оказывает на подвижный поршень. Газ действительно воздействует на внешний мир, поскольку эта сила перемещает поршень на некоторое расстояние. Таким образом, передача энергии газу в баллоне приводит к выполнению работы.
Рис. 12.13 (a) Передача тепла газу в баллоне увеличивает внутреннюю энергию газа, создавая более высокое давление и температуру. (b) Сила, действующая на подвижный цилиндр, действительно работает, когда газ расширяется. Давление и температура газа снижаются во время расширения, указывая на то, что внутренняя энергия газа уменьшилась по мере его работы. (c) Передача энергии в окружающую среду дополнительно снижает давление в газе, так что поршень может более легко вернуться в исходное положение.
Чтобы повторить этот процесс, поршень необходимо вернуть в исходную точку. Тепло теперь передает энергию от газа к окружающей среде, так что давление газа снижается, и окружающая среда оказывает силу, толкающую поршень назад на некоторое расстояние.
Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла. Все тепловые двигатели используют циклические процессы.
Тепловые двигатели работают, используя часть энергии, передаваемую теплом от какого-либо источника.Как показано на рис. 12.14, тепло передает энергию QhQh от высокотемпературного объекта (или горячего резервуара), тогда как тепло передает неиспользованную энергию QcQc низкотемпературному объекту (или холодному резервуару), и работа, выполняемая объектом двигатель Вт . В физике резервуар определяется как бесконечно большая масса, которая может принимать или выводить неограниченное количество тепла в зависимости от потребностей системы. Температура горячего резервуара — Th, Th, а температура холодного резервуара — TcTc.
Рис. 12.14 (a) Тепло самопроизвольно передает энергию от горячего объекта к холодному, что согласуется со вторым законом термодинамики. (б) Тепловой двигатель, представленный здесь кружком, использует часть энергии, передаваемой теплом, для выполнения работы. Горячие и холодные предметы называются горячими и холодными резервуарами. Q h — это тепло, выходящее из горячего резервуара, W, — это рабочая мощность, а Q c — это неиспользованное тепло в холодный резервуар.
Как уже отмечалось, циклический процесс возвращает систему в исходное состояние в конце каждого цикла. Внутренняя энергия такой системы U одинакова в начале и в конце каждого цикла, то есть ΔU = 0ΔU = 0. Первый закон термодинамики гласит, что ΔU = Q − W, ΔU = Q − W, где Q — это чистая теплопередача , во время цикла, а Вт, — это чистая работа, , выполненная системой. Чистая теплопередача — это энергия, передаваемая теплом из горячего резервуара за вычетом количества, которое передается в холодный резервуар (Q = Qh-QcQ = Qh-Qc).Поскольку нет изменения внутренней энергии для полного цикла (ΔU = 0ΔU = 0), мы имеем
, так что
Следовательно, чистая работа, выполненная системой, равна чистому теплу, поступающему в систему, или
для циклического процесса.
Поскольку горячий резервуар нагревается снаружи, а это энергоемкий процесс, важно, чтобы работа выполнялась как можно более эффективно. Фактически, мы хотим, чтобы Вт и равнялись QhQh, и чтобы не было тепла в окружающую среду (то есть Qc = 0Qc = 0).К сожалению, это невозможно. Согласно второму закону термодинамики, тепловые двигатели не могут иметь совершенного преобразования тепла в работу. Вспомните, что энтропия — это мера беспорядка в системе, а также количество энергии, недоступной для выполнения работы. Второй закон термодинамики требует, чтобы полная энтропия системы либо увеличивалась, либо оставалась постоянной в любом процессе. Следовательно, существует минимальное количество QhQh, которое нельзя использовать для работы. Количество тепла, отводимого в холодный резервуар, Qc, Qc, зависит от эффективности теплового двигателя.Чем меньше увеличение энтропии, ΔSΔS, тем меньше значение QcQc и тем больше тепловой энергии доступно для выполнения работы.
Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют теплопередачу энергии от низких до высоких температур, что противоположно тому, что делают тепловые двигатели. Тепло передает энергию QcQc из холодного резервуара и передает энергию QhQh в горячий. Для этого требуется потребляемая мощность Вт, , при которой энергия передается за счет тепла. Таким образом, общая теплоотдача к горячему резервуару составляет
Назначение теплового насоса — передача энергии посредством тепла в теплую среду, например, в дом зимой.Большим преимуществом использования теплового насоса для поддержания тепла в вашем доме, а не просто сжигания топлива в камине или печи, является то, что тепловой насос подает Qh = Qc + WQh = Qc + W. Тепло QcQc поступает из наружного воздуха даже при температуре ниже нуля в помещение. Вы платите только за Вт и получаете дополнительную теплоотдачу QcQc извне бесплатно. Во многих случаях в отапливаемое пространство передается как минимум вдвое больше энергии, чем используется для работы теплового насоса. Когда вы сжигаете топливо, чтобы согреться, вы платите за все.Недостатком теплового насоса является то, что входная работа (требуемая вторым законом термодинамики) иногда бывает дороже, чем просто сжигание топлива, особенно если работа обеспечивается за счет электроэнергии.
Основные компоненты теплового насоса показаны на рисунке 12.15. Используется рабочая жидкость, например хладагент. В наружных змеевиках (испарителе) тепло QcQc поступает в рабочую жидкость из холодного наружного воздуха, превращая ее в газ.
Рисунок 12.15 Простой тепловой насос состоит из четырех основных компонентов: (1) испаритель, (2) компрессор, (3) конденсатор и (4) расширительный клапан.В режиме обогрева тепло передает QcQc рабочему телу в испарителе (1) от более холодного наружного воздуха, превращая его в газ. Компрессор с электрическим приводом (2) увеличивает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора (3) внутри отапливаемого пространства. Поскольку температура газа выше, чем температура в комнате, тепло передает энергию от газа к комнате, когда газ конденсируется в жидкость. Затем рабочая жидкость охлаждается, поскольку она течет обратно через расширительный клапан (4) к змеевикам испарителя наружного блока.Компрессор с электрическим приводом (рабочая мощность Вт, ) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора, которые находятся внутри отапливаемого пространства. Поскольку температура газа выше, чем температура внутри комнаты, тепло передает энергию в комнату, и газ конденсируется в жидкость. Затем жидкость течет обратно через расширительный (понижающий давление) клапан. Жидкость, охлажденная за счет расширения, возвращается к змеевикам испарителя наружного блока для возобновления цикла.
Качество теплового насоса оценивается по тому, сколько энергии передается теплом в теплое пространство (QhQh) по сравнению с тем, сколько требуется входной работы ( Вт, ).
Предупреждение о заблуждении
Помните, что холодильники и кондиционеры не создают холода. Они просто передают тепло изнутри наружу.
Пересмотрите закон идеального газа, законы термодинамики и энтропии. Используйте их, чтобы понять, как работают кондиционеры и холодильники.Это также даст вам возможность оценить свое понимание этих концепций. И в холодильниках, и в кондиционерах используются химические вещества, которые могут легко переходить из жидкой фазы в газообразную и обратно. Химическое вещество присутствует в замкнутом контуре трубопровода. Изначально он находится в газообразном состоянии. Компрессор сжимает частицы газа, являющиеся химическим веществом, ближе друг к другу, создавая высокое давление. Следуя закону идеального газа, с увеличением давления увеличивается и температура. Этот горячий плотный газ распространяется по небольшим трубкам или ребрам конденсатора, который расположен на внешней стороне кондиционера (и на задней стороне холодильника).Ребра контактируют с наружным воздухом, который холоднее, чем сжатый химикат, и, следовательно, как показывает энтропия, тепло передает энергию от горячего конденсатора к относительно более холодному воздуху. В результате газ охлаждается и конденсируется в жидкость. Затем эта жидкость попадает в испаритель через крошечное узкое отверстие. По другую сторону отверстия газ расширяется (энтропия увеличивается), а его давление падает. Следовательно, согласно закону идеального газа, его температура также понижается.Вентилятор обдувает этот уже остывший испаритель в комнату или в холодильник (рис. 12.16).
Рисунок 12.16 Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники — это тепловые двигатели, работающие в обратном направлении. Практически в каждом доме есть холодильник. Большинство людей не осознают, что они тоже делят свои дома с тепловым насосом.
Кондиционеры и холодильники предназначены для охлаждения веществ путем передачи энергии посредством тепла QcQc из прохладной среды в более теплую, где тепло QhQh отдается.В случае холодильника тепло отводится из внутренней части холодильника в окружающую комнату. Для кондиционера тепло передается на улицу из дома. Тепловые насосы также часто используются в реверсивном режиме для охлаждения помещений летом.
Как и в случае с тепловыми насосами, для передачи тепла от холода к теплу требуется вводимая работа. О качестве кондиционеров и холодильников судят по тому, сколько энергии отводится теплом QcQc из холодной окружающей среды, по сравнению с тем, сколько требуется работы, Вт, .Таким образом, то, что считается преимуществом энергии в тепловом насосе, в холодильнике считается отработанным теплом.
Тепловые двигатели
Далее: Холодильники Up: Классическая термодинамика Предыдущая: Адиабатическая атмосфера Термодинамика была изобретена почти случайно в 1825 году молодым французским инженером. позвонил Сади Карно, который исследовал теоретические ограничения эффективности Паровые двигатели. Хотя нас не особо интересуют паровые машины, в настоящее время это все еще очень поучительно рассмотреть некоторые аргументы Карно.По наблюдениям мы знаем, что можно выполнять механическую работу. на устройстве, а затем для извлечения эквивалентного количества тепла, которое идет на увеличение внутренней энергии некоторого теплового резервуара. (Здесь мы используем маленькие буквы и для обозначения по сути положительных объемов работы и тепла соответственно.) Примером этого является классический эксперимент Джоуля, с помощью которого он подтвердил первый закон термодинамики: лопаточное колесо вращается в жидкости при падении вес, и работа, выполняемая весом на колесе преобразуется в тепло и поглощается жидкостью.Вопрос Карно был это оно можно обратить этот процесс и построить устройство, называемое тепловым двигателем , которое извлекает тепловую энергию из резервуара и преобразует ее в полезную макроскопическую работу? Например, можно ли извлечь тепло из океана и использовать его для работы? электрогенератор?
Есть несколько предостережений по поводу вопроса Карно. Прежде всего, работа не должна выполняться за счет самого теплового двигателя, иначе преобразование тепла в работа не могла продолжаться бесконечно.Мы можем гарантировать, что это случай, если тепловая машина выполняет какой-то цикл, при котором он периодически возвращается в то же макросостояние, но в то же время извлекли тепло из резервуара и выполнили эквивалентный объем полезной работы. Более того, циклический процесс кажется разумным, потому что мы знаем, что оба паровые машины и внутренние горение двигатели выполняют непрерывные циклы. Второй нюанс заключается в том, что работа, проделанная тепловой двигатель должен быть таким, чтобы изменять один параметр какое-то внешнее устройство ( e.грамм. , подняв груз), не выполняя этого за счет влияния на другие степени свободы или энтропию этого устройства. Например, если мы извлекаем тепло из океана в генерировать электричество, мы хотим вращать вал электрогенератора без увеличения мощности генератора энтропия; то есть , в результате чего генератор нагреться или развалиться на куски.
Рассмотрим возможность создания тепловой машины, используя законы
термодинамика. Предположим, что тепловая машина выполняет один цикл.С
вернулся в исходное макросостояние, его внутренняя энергия
без изменений, и первый закон термодинамики говорит нам, что проделанная работа
двигателем должно быть равно количеству тепла, отбираемого из резервуара, поэтому
| (341) |
Вышеупомянутое условие обязательно необходимо условие для возможного теплового двигателя, но достаточно ли условие ? Другими словами, делает каждое устройство, которое удовлетворяет этому условию действительно работает? Давайте подумаем немного внимательнее о том, что мы на самом деле ожидаем от теплового двигателя.Мы хотим построить устройство, которое будет извлекать энергию из теплового резервуара, где она случайным образом распределяется по очень многим степеням свободы, и превращает это в энергию распределены по одной степени свободы, связанной с некоторым параметром внешнего устройство. После того, как мы выразили проблему таким образом, становится достаточно очевидно, что Какие мы действительно просим — это спонтанный переход от вероятного к невероятному состояние, которое, как мы знаем, запрещено вторым законом термодинамики.Так, к сожалению, мы не можем запустить электрогенератор за счет тепла, извлеченного из океан, потому что это все равно, что просить все молекулы в океане, которые покачиваются во все стороны, чтобы все вдруг повернулись в одном направлении, чтобы приложить силу к некоторому рычагу, скажем, которая затем может быть преобразована в крутящий момент на вал генератора. Из нашего исследования статистической термодинамики мы знаем, что такой процесс в принципе возможен, но фантастически маловероятен .
Невероятность описанного сценария резюмируется во втором законе.
термодинамики. Это говорит о том, что полная энтропия изолированной системы
никогда не может уменьшиться самопроизвольно, поэтому
| (342) |
В случае теплового двигателя изолированная система состоит из двигателя, резервуар, из которого он извлекает тепло, и внешнее устройство, на котором он работает. Сам двигатель периодически возвращается в то же состояние, так что его энтропия явно не меняется после каждого цикла.Мы уже указали, что там нет изменения энтропии внешнего устройства, на котором выполняется работа. На с другой стороны, изменение энтропии за цикл теплового резервуара, который находится при абсолютной температуре , скажем, задается
| (343) |
куда — бесконечно малая теплота, поглощаемая резервуаром, а интеграл берется за весь цикл теплового двигателя. Интеграл можно преобразовать в выражение, потому что количество тепла, извлекаемого двигателем, равно считается слишком малым, чтобы изменять температуру резервуара (это определение теплового резервуара), так что это постоянное значение в течение цикла.Второй закон термодинамики явно сводится к
| (344) |
или, используя первый закон термодинамики,
| (345) |
Поскольку мы хотим, чтобы работа двигателя была положительной, указанное выше соотношение четко не могут быть выполнены, что доказывает, что двигатель, преобразующий тепло непосредственно в работу термодинамически невозможно.
вечный двигатель, который непрерывно выполняет цикл без отвода тепла от, или работает над его окрестностями, почти возможно в соответствии с формулой. (345). На самом деле такое устройство соответствует знаку равенства в формуле. (342), что означает, что он должен быть полностью двусторонний . На самом деле полностью реверсивного двигателя не существует. Все двигатели, даже самые эффективные, имеют потери на трение, из-за которых они, по меньшей мере, слегка необратимый.Таким образом, знак равенства в формуле. (342) соответствует асимптотический предел, к которому реальность может близко приблизиться, но никогда полностью не достичь. Отсюда следует, что вечный двигатель термодинамически невозможен. Тем не менее, патентное ведомство США получает около 100 патентов. приложений в год по устройствам с вечным двигателем. Британское патентное ведомство, будучи немного менее непредубежденным, чем его американский коллега, отказывается развлекать такие приложения на том основании, что вечные двигатели запрещены второй закон термодинамики.
Согласно формуле. (345) нет никаких термодинамических возражений против тепловой двигатель, который вращается в обратном направлении и преобразует работу непосредственно в тепло. Этот это не удивительно, поскольку мы знаем, что именно в этом и заключаются силы трения. делать. Ясно, что здесь мы имеем еще один пример естественного процесса, который принципиально необратимый согласно второму закону термодинамики. Фактически, заявление
Невозможно построить идеальный тепловой двигатель, который преобразует тепло прямо в работуназывается формулировкой второго закона Кельвина.
Мы продемонстрировали, что идеальный тепловой двигатель , который преобразует
нагреть прямо в работу, невозможно. Но должен быть какой-то способ
получение полезной работы за счет тепловой энергии, иначе паровые машины не работали бы.
Что ж, причина в том, что наши
предыдущая схема не работала из-за того, что она уменьшала энтропию теплового резервуара,
при некоторой температуре,
за счет отбора количества тепла за цикл,
без какого-либо компенсирующего увеличения энтропии чего-либо еще, поэтому
Второй закон термодинамики был нарушен.Как мы можем исправить эту ситуацию?
Мы все еще хотим
сам тепловой двигатель для выполнения периодических циклов (так,
по определению, его энтропия не может увеличиваться за
цикл), и мы тоже не
хотите увеличить энтропию внешнего устройства, на котором
работа сделана. Наш единственный другой вариант — увеличить энтропию какого-нибудь другого
тело. Согласно анализу Карно, это другое тело
второй резервуар тепла при температуре. Мы можем увеличить энтропию
второго резервуара, сбрасывая часть тепла, которое мы извлекали из
первый резервуар в него.Предположим, что количество тепла за цикл, которое мы извлекаем из первого
резервуар
есть, а тепло за цикл мы отбрасываем во второй резервуар
является . Пусть
работа на внешнем устройстве должна производиться за цикл. Первый закон термодинамики
говорит нам, что
| (346) |
Обратите внимание, что если положительный результат ( т. Е. , полезный) выполняется на внешнее устройство. Общее изменение энтропии за цикл происходит из-за тепла, отбираемого из первого резервуар и тепло, сбрасываемое во второй, и должно быть положительным (или нулевым) согласно второму закону термодинамики.Так,
| (347) |
Мы можем объединить два предыдущих уравнения, чтобы получить
| (348) |
или же
| (349) |
Понятно, что двигатель будет выполнять только полезную работу (, т.е. , есть будет только положительным) если. Значит, второй резервуар должен быть на холоднее, чем на первое, если тепло, попадающее в первый, — это увеличить энтропия Вселенной более тепло, отводимое от последнего, уменьшает его.Полезно определить КПД теплового двигателя. Это соотношение работы, выполненной за цикл. на внешнем устройстве в тепловая энергия, поглощаемая за цикл из первого резервуара. Эффективность идеальный тепловой двигатель — это единство, но мы уже показали, что такой двигатель невозможно. Каков КПД реализуемого двигателя? Это понятно из предыдущего уравнения, что
| (350) |
Обратите внимание, что эффективность всегда меньше единицы.Настоящий двигатель всегда должен отклонить часть энергии во второй резервуар тепла, чтобы удовлетворить второй закон термодинамики, поэтому меньше энергии доступно для внешних работа и эффективность двигателя уменьшено. Знак равенства в приведенном выше выражении соответствует к полностью обратимому тепловому двигателю (, то есть , который является квазистатическим). Это является Понятно, что настоящие двигатели, которые всегда в какой-то степени необратимы, менее эффективен, чем реверсивные двигатели. Кроме того, все реверсивные двигатели которые работают между двумя температурами и должны иметь такой же КПД ,
| (351) |
независимо от того, как они действуют.
Давайте рассмотрим, как мы могли бы построить одну из этих обратимых тепловых машин. Предположим, что у нас есть газ в цилиндре с поршнем без трения. Газ не обязательно является идеальным газом. Предположим, что у нас также есть две теплоты резервуаров при температурах и (где). Эти водоемы могут иметь форму больших водяных бань. Начнем с газ в тепловом контакте с первым резервуаром. Теперь вытаскиваем поршень очень медленно, так что тепловая энергия обратимо перетекает в газ из резервуар.Давайте теперь термически изолируем газ и медленно вытащим поршень еще немного. Во время этого адиабатического процесса температура газ падает (так как в него больше не поступает тепло, чтобы компенсировать работу, которую он выполняет с поршнем). Давайте продолжим этот процесс пока температура газа не упадет до. Теперь разместим газ в тепловом контакте со вторым резервуаром и медленно надавите на поршень дюйм. Во время этого изотермического технологическое тепло выходит из газа в резервуар. Мы следующие термически изолируйте газ второй раз и медленно сожмите его еще немного.В этом В процессе температура газа увеличивается. Останавливаем сжатие, когда температура достигает. Если мы выполним каждый шаг правильно, мы сможем вернуть газ в его начальное состояние, а затем повторить цикл до бесконечности . Теперь у нас есть набор обратимых процессов, с помощью которых величина тепла извлекается из первый резервуар и некоторое количество тепла сбрасывается во второй. Мы можем лучше оценивать работа, выполняемая системой в течение каждого цикла вычерчивая геометрическое место газа в — диаграмма.Географическое место принимает форму замкнутой кривой — см. Рис.1. Чистая работа, выполненная за цикл, — это « площадь », содержащаяся внутри этой кривой, поскольку [если строится по вертикали и горизонтали, тогда очевидно, что это элемент площади под кривой]. Двигатель у нас Только что описанный двигатель Carnot является самым простым из возможных устройство, способное преобразовывать тепловую энергию в полезную работу.
Для конкретного случая идеального газа мы можем фактически
рассчитать работу, выполненную за цикл, и, таким образом, проверить уравнение.(351).
Рассмотрим фазу изотермического расширения газа. Для идеального газа внутренний
энергия зависит только от температуры. Температура не
изменение при изотермическом расширении,
поэтому внутренняя энергия остается постоянной, а чистое тепло, поглощаемое
газ должен равняться работе, которую он совершает на поршне. Таким образом,
| (352) |
где расширение переводит газ из состояния в состояние. С , для идеального газа имеем
| (353) |
Точно так же во время фазы изотермического сжатия, когда газ идет из состояния в состояние, чистое тепло отводится во второй резервуар является
| (354) |
Теперь при адиабатическом расширении или сжатии
| (355) |
Отсюда следует, что во время фазы адиабатического расширения, выводящего газ из состояния заявить,
| (356) |
Аналогичным образом, во время фазы адиабатического сжатия, когда газ забирается из от состояния к заявлению,
| (357) |
Если мы возьмем отношение двух предыдущих уравнений, мы получим
| (358) |
Следовательно, работа, проделанная движком, которую мы можем рассчитать, используя первую закон термодинамики,
| (359) |
является
| (360) |
Таким образом, КПД двигателя является
| (361) |
что, что неудивительно, в точности совпадает с формулой.(351).
Описанный выше двигатель очень идеализирован. Конечно,
настоящие двигатели далеко
сложнее, чем это. Тем не менее максимальная эффективность идеального
тепловой двигатель накладывает серьезные ограничения на реальные двигатели.
Обычные электростанции имеют много разных « входов »
(, например, , угольные печи, мазутные печи, ядерные реакторы), но их
« задние части » — это все
очень похожи и состоят из паровой турбины, соединенной с
электрогенератор.« Передняя часть » нагревает забираемую воду
из местной реки и превращает его в пар, который затем используется для
приводить в движение турбину и, следовательно, вырабатывать электроэнергию. Ну наконец то,
пар проходит через
теплообменник, чтобы он мог нагревать поступающую речную воду,
это означает, что поступающую воду не нужно так сильно нагревать
« передняя часть ».
На этом этапе некоторое количество тепла отводится в окружающую среду, обычно в виде облаков.
пара, выходящего из верхней части градирен. Мы видим, что электростанция
обладает многими из тех же характеристик, что и наша идеализированная тепловая машина.Существует
цикл, который работает между двумя температурами. Верхняя температура — это
температура, до которой
пар нагревается « передним концом », а нижняя температура
это температура окружающей среды, в которую отводится тепло. Предполагать
что пар нагревается только до C (или K), а
температура окружающей среды C (или K). Это следует из
Уравнение (350) что максимум возможный КПД парового цикла равен
| (362) |
Итак, не менее 77% тепловой энергии, вырабатываемой « начальным концом » идет прямо по градирням! Неудивительно, что коммерческий электростанции не работают с паром C.Единственный способ, которым термодинамический КПД парового цикла можно поднять до приемлемого уровня заключается в использовании очень горячего пара (очевидно, мы не можем охлаждать окружающую среду). Использование пара C, что не редкость, позволяет достичь максимальной эффективности.
| (363) |
что более разумно. На самом деле паровые циклы современных электростанций настолько хорошо спроектированы, что они на удивление близки к своим максимальная термодинамика эффективность.
Далее: Холодильники Up: Классическая термодинамика Предыдущая: Адиабатическая атмосфера Ричард Фицпатрик 2006-02-02
Тепловой двигатель. Факты для детей
В технике и термодинамике тепловой двигатель преобразует тепловую энергию в механическую работу, используя разницу температур между горячим «источником» и холодным «стоком». Тепло передается от источника через «рабочее тело» двигателя к «поглотителю», и в этом процессе часть тепла превращается в работу за счет использования свойств газа или жидкости внутри двигателя.
Есть много видов тепловых машин. У каждого есть термодинамический цикл. Тепловые двигатели часто называют в честь термодинамического цикла, который они используют, например, цикла Карно. Они часто выбирают повседневные названия, такие как бензин / бензин, турбина или паровые двигатели.
Двигатели внутреннего сгорания выделяют тепло внутри самого двигателя. Другие тепловые двигатели могут поглощать тепло от внешнего источника. Тепловые двигатели могут быть открытыми для воздуха или закрытыми и закрытыми снаружи (это называется открытым или закрытым циклом).
Рисунок 1: Схема теплового двигателя . T H является источником тепла, а T C — холодным отводом. Q H — это тепло, поступающее в двигатель. Q C — это отработанное тепло, попадающее в холодный сток. W — полезная работа двигателя.Обзор
Когда ученые изучают тепловые двигатели, они придумывают идеи для двигателей, которые на самом деле невозможно построить. Их называют идеальными двигателями или циклами. Настоящие тепловые двигатели часто путают с идеальными двигателями или циклами, которые они пытаются имитировать.
Обычно при описании физического устройства используется термин «двигатель». При описании идеала используется термин «цикл».
Можно сказать, что термодинамический цикл — идеальный случай механического двигателя. В равной степени можно сказать, что модель не совсем идеально соответствует механическому двигателю. Однако большую пользу можно получить от упрощенных моделей и идеальных случаев, которые они могут представлять.
В целом, чем больше разница в температуре между горячим источником и холодным стоком, тем эффективнее цикл или двигатель.На Земле холодная сторона любого теплового двигателя ограничена температурой воздуха в том месте, где находится двигатель.
Большинство усилий по повышению эффективности тепловых двигателей направлено на повышение температуры источника тепла, но при очень высоких температурах металл двигателя начинает размягчаться.
Эффективность различных тепловых двигателей, предлагаемых или используемых сегодня, колеблется от 3 процентов (97 процентов отработанного тепла) для предложения OTEC по производству энергии для океана, до 25 процентов для большинства автомобильных двигателей, до 45 процентов для сверхкритических угольных электростанций и примерно до 60 процентов для электростанций. газовая турбина комбинированного цикла с паровым охлаждением.Все эти процессы получают свою эффективность (или ее отсутствие) из-за перепада температуры на них.
Наименее эффективный, OTEC, использует разницу температур океанской воды на поверхности и океанской воды с глубины, небольшую разницу, возможно, в 25 градусов Цельсия, поэтому эффективность должна быть низкой.
Самая эффективная газовая турбина с комбинированным циклом сжигает природный газ для нагрева воздуха почти до 1530 градусов Цельсия, большая разница температур составляет 1500 градусов Цельсия, поэтому эффективность может быть очень большой при добавлении цикла парового охлаждения.
Примеры на каждый день
Люди в основном используют тепловые двигатели, где тепло исходит от огня, который расширяет рабочую жидкость (обычно воду или воздух), а теплоотвод — это либо водоем, либо атмосфера, как в градирне.
К знакомым моделям, использующим расширение нагретых газов, относятся: паровой двигатель, дизельный двигатель и бензиновый (бензиновый) двигатель в автомобиле.
Двигатель Стирлинга встречается гораздо реже, но он встречается в небольших моделях, которые могут работать от тепла руки.
Один из видов игрушечного теплового двигателя — это пьющая птица.
Биметаллическая полоса — это устройство, которое преобразует температуру в механическое движение и используется в термостатах для контроля температуры. Это тепловой двигатель, в котором не используются ни жидкость, ни газ.
Связанные страницы
Картинки для детей
-
Рисунок 1: Схема теплового двигателя
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 для всех видов приложений.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 переданной работы, независимо от того, кто передает или принимает. Подача тепла в систему или выход из нее, работа с системой или с ее помощью указывается 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 W , а затем сбрасывает 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 тела через цикл. В паровой электростанции рабочим веществом является вода, которая начинается в виде жидкости, 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 W 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
- средняя работа и
- минимальный отвод тепла в воздух газонокосилкой за одну минуту использования?
Стратегия
По 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} \]
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).
Миниатюрные «тепловые двигатели» могут привести в действие наноразмерные машины будущего
Исследования Манчестерского университета пролили новый свет на использование миниатюрных «тепловых двигателей», которые однажды могут помочь в приведении в действие наноразмерных машин, таких как квантовые компьютеры.
Тепловые двигатели — это устройства, которые превращают тепловую энергию в полезную форму, известную как «работа», которая может обеспечивать мощность, как и любой другой двигатель.
Доктор Ахсан Назир, старший преподаватель и научный сотрудник EPSRC из Манчестерского фотонного института и Школы физики и астрономии, хотел увидеть, как тепловые двигатели работают на квантовом уровне, в субатомной среде, в которой классические законы физики не работают. всегда применяются.
Тепловые двигатели такого масштаба могут помочь привести в действие миниатюрные наноразмерные машины будущего, такие как компоненты квантовых компьютеров.
Исследование доктора Назира, опубликованное в журнале Physical Review E , показало, что тепловые двигатели были склонны терять производительность в квантовом масштабе из-за того, как такие устройства обмениваются энергией с внешними тепловыми резервуарами — и потребуются дополнительные исследования, чтобы исправить это. испытание.
«Тепловые двигатели — это устройства, которые превращают тепловую энергию в полезную форму, известную как« работа », — пояснил д-р Назир.
«Помимо огромного практического значения, теоретическое понимание факторов, определяющих их эффективность преобразования энергии, позволило глубоко понять классические законы термодинамики.
«В последнее время большой интерес сосредоточился на квантовых реализациях двигателей, чтобы определить, применимы ли законы термодинамики также к квантовым системам.
«В большинстве случаев эти двигатели упрощаются, исходя из предположения, что взаимодействие между рабочей системой и тепловыми резервуарами исчезающе мало.В классическом макроскопическом масштабе это предположение обычно верно, но мы осознали, что это может быть не так, поскольку размер системы уменьшается до квантового масштаба.
«Консенсус о том, как подойти к термодинамике в этом так называемом режиме сильной связи, еще не достигнут. Поэтому мы предложили формализм, подходящий для исследования квантовой тепловой машины в режиме ненулевой силы взаимодействия, и применили его к корпус четырехтактного цикла Отто.
«Этот подход позволил нам провести полный термодинамический анализ обмена энергией вокруг цикла для всех значений силы связи.Мы обнаружили, что характеристики двигателя снижаются по мере того, как сила взаимодействия становится более заметной, и, таким образом, ненулевые силы взаимодействия системы и резервуара представляют собой важное соображение при работе квантово-механических тепловых двигателей ».
Что такое квант в квантовой термодинамике?
Дополнительная информация: Дэвид Ньюман и др.Характеристики квантового теплового двигателя при сильном взаимодействии с резервуаром, Physical Review E (2017). DOI: 10.1103 / PhysRevE.95.032139 Предоставлено Манчестерский университет
Ссылка : Миниатюрные «тепловые двигатели» могут привести в действие наноразмерные машины будущего (2017, 15 мая) получено 19 марта 2021 г. с https: // физ.org / news / 2017-05-miniaturized-power-nanoscale-machines-future.html
Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.
15.3 Введение во второй закон термодинамики: тепловые двигатели и их эффективность — College Physics
Рис. 15.15 Эти льдины тают во время арктического лета. Некоторые из них повторно замерзают зимой, но второй закон термодинамики предсказывает, что крайне маловероятно, что молекулы воды, содержащиеся в этих льдинах, изменят характерную форму аллигатора, которую они сформировали, когда фотография была сделана летом 2009 года. (Источник: Патрик Келли, U.С. Береговая охрана, Геологическая служба США)
Второй закон термодинамики касается направления, принимаемого спонтанными процессами. Многие процессы происходят спонтанно только в одном направлении, то есть они необратимы при заданном наборе условий. Хотя необратимость наблюдается в повседневной жизни — например, разбитое стекло не возвращается в исходное состояние — полная необратимость — это статистическое утверждение, которое нельзя увидеть в течение всей жизни Вселенной. Точнее, необратимый процесс — это процесс, зависящий от пути.Если процесс может идти только в одном направлении, то обратный путь принципиально отличается, и процесс не может быть обратимым. Например, как отмечалось в предыдущем разделе, тепло включает в себя передачу энергии от более высокой температуры к более низкой. Холодный объект, соприкасающийся с горячим, никогда не становится холоднее, передавая тепло горячему объекту и делая его более горячим. Кроме того, механическая энергия, такая как кинетическая энергия, может быть полностью преобразована в тепловую за счет трения, но обратное невозможно.Горячий неподвижный объект никогда самопроизвольно не остывает и не начинает двигаться. Еще один пример — расширение потока газа, введенного в один из углов вакуумной камеры. Газ расширяется, заполняя камеру, но никогда не собирается в углу. Случайное движение молекул газа могло бы вернуть их всех в угол, но этого никогда не происходит. (См. Рисунок 15.16.)
Рисунок 15.16 Примеры односторонних процессов в природе. (а) Теплообмен происходит самопроизвольно от горячего к холодному, а не от холодного к горячему.(б) Тормоза этого автомобиля преобразуют кинетическую энергию в теплоотдачу в окружающую среду. Обратный процесс невозможен. (c) Выброс газа, попадающего в эту вакуумную камеру, быстро расширяется, чтобы равномерно заполнить каждую часть камеры. Случайные движения молекул газа никогда не вернут их в угол.
Тот факт, что определенные процессы никогда не происходят, предполагает, что существует закон, запрещающий их возникновение. Первый закон термодинамики позволяет им происходить — ни один из этих процессов не нарушает закон сохранения энергии.Закон, запрещающий эти процессы, называется вторым законом термодинамики. Мы увидим, что второй закон может быть сформулирован разными способами, которые могут показаться разными, но на самом деле эквивалентными. Как и все законы природы, второй закон термодинамики дает представление о природе, и несколько его утверждений подразумевают, что он широко применим, фундаментально влияя на многие очевидно несопоставимые процессы.
Уже знакомое направление теплопередачи от горячего к холодному лежит в основе нашей первой версии второго закона термодинамики.
Второй закон термодинамики (первое выражение)
Теплообмен происходит самопроизвольно от тел с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, но никогда самопроизвольно в обратном направлении.
Другой способ сформулировать это: ни один процесс не может иметь своим единственным результатом теплопередачу от более холодного объекта к более горячему.
Тепловые двигатели
Теперь давайте рассмотрим устройство, которое для работы использует теплопередачу. Как отмечалось в предыдущем разделе, такое устройство называется тепловой машиной и схематично показано на рисунке 15.17 (б). Бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины — все это тепловые двигатели, которые работают, используя часть теплопередачи от какого-либо источника. Теплоотдача от горячего объекта (или горячего резервуара) обозначается как QhQh размером 12 {Q rSub {размер 8 {h}}} {}, а теплопередача в холодный объект (или холодный резервуар) составляет QcQc размером 12 {Q rSub {размер 8 {c}}} {}, а работа, выполняемая двигателем, соответствует размеру WW 12 {W} {}. Температуры горячего и холодного резервуаров составляют ThTh размер 12 {T rSub {размер 8 {h}}} {} и TcTc размер 12 {T rSub {size 8 {c}}} {} соответственно.
Рис. 15.17 (a) Передача тепла происходит самопроизвольно от горячего объекта к холодному, что соответствует второму закону термодинамики. (б) Тепловой двигатель, представленный здесь кружком, использует часть теплопередачи для выполнения работы. Горячие и холодные предметы называются горячими и холодными резервуарами. QhQh размер 12 {Q rSub {размер 8 {h}}} {} — это теплоотдача из горячего резервуара, размер WW 12 {W} {} — рабочая мощность, а QcQc размер 12 {Q rSub {размер 8 { c}}} {} — теплоотдача в холодный резервуар.Поскольку горячий резервуар нагревается снаружи, что требует больших затрат энергии, важно, чтобы работа выполнялась как можно более эффективно. Фактически, мы бы хотели, чтобы размер WW 12 {W} {} равнялся QhQh размеру 12 {Q rSub {size 8 {h}}} {}, и чтобы не было передачи тепла в окружающую среду (Qc = 0Qc = 0 размер 12 {Q rSub {размер 8 {c}} = 0} {}). К сожалению, это невозможно. Второй закон термодинамики также гласит относительно использования теплопередачи для выполнения работы (второе выражение второго закона):
Второй закон термодинамики (второе выражение)
Ни в какой системе теплопередачи от резервуара невозможно полностью преобразовать работу в циклический процесс, в котором система возвращается в свое исходное состояние.
Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла. В большинстве тепловых двигателей, таких как поршневые двигатели и вращающиеся турбины, используются циклические процессы. Второй закон, только что сформулированный в его второй форме, четко гласит, что такие двигатели не могут иметь идеального преобразования теплопередачи в выполненную работу. Прежде чем углубляться в основные причины ограничений на преобразование теплопередачи в работу, нам необходимо изучить взаимосвязь между WW размером 12 {W} {}, QhQh размером 12 {Q rSub {size 8 {h}}} {} и QcQc размер 12 {Q rSub {размер 8 {c}}} {}, и для определения эффективности циклической тепловой машины.Как уже отмечалось, циклический процесс возвращает систему в исходное состояние в конце каждого цикла. Внутренняя энергия такой системы UU одинакова в начале и в конце каждого цикла, то есть ΔU = 0ΔU = 0 размер 12 {ΔU = 0} {}. Первый закон термодинамики гласит, что
ΔU = Q − W, ΔU = Q − W, размер 12 {ΔU = Q — W} {}15,22
, где QQ размер 12 {Q} {} — это чистая передача тепла во время цикла (Q = Qh-QcQ = Qh-Qc размер 12 {Q = Q rSub {размер 8 {h}} — Q rSub {размер 8 {c}}} {}), а размер WW 12 {W} {} — это чистая работа, выполняемая системой.Поскольку ΔU = 0ΔU = 0 размер 12 {ΔU = 0} {} для полного цикла, мы имеем
0 = Q − W, 0 = Q − W, размер 12 {0 = Q — W} {}15,23
, так что
W = Q. W = Q. размер 12 {W = Q} {}15,24
Таким образом, чистая работа, выполненная системой, равна чистой теплопередаче в систему, или
W = Qh − Qc (циклический процесс), W = Qh − Qc (циклический процесс), размер 12 {W = Q rSub {размер 8 {h}} — Q rSub {размер 8 {c}}} {}15,25
, как это схематично показано на Рисунке 15.17 (b). Проблема в том, что во всех процессах существует некоторая передача тепла QcQc размером 12 {Q rSub {размер 8 {c}}} {} в окружающую среду — и при этом обычно очень значительная величина.
При преобразовании энергии в работу мы всегда сталкиваемся с проблемой получения меньшего количества энергии, чем мы вкладываем. Мы определяем эффективность преобразования , размер EffEff, размер 12 {ital «Eff»} {} как отношение полезной работы отдача к затратам энергии (или, другими словами, отношение того, что мы получаем, к тому, что мы тратим). В этом духе мы определяем эффективность теплового двигателя как его полезную мощность WW размером 12 {W} {}, деленную на теплоотдачу двигателя QhQh размер 12 {Q rSub {размер 8 {h}}} {}; то есть
Эфф = WQh.Эфф = WQh. размер 12 {ital «Eff» = {{W} больше {Q rSub {size 8 {h}}}}} {}15,26
Поскольку W = Qh − QcW = Qh − Qc размер 12 {W = Q rSub {размер 8 {h}} -Q rSub {размер 8 {c}}} {} в циклическом процессе, мы также можем выразить это как
Eff = Qh − QcQh = 1 − QcQh (циклический процесс), Eff = Qh − QcQh = 1 − QcQh (циклический процесс), размер 12 {ital «Eff» = {{Q rSub {size 8 {h}} — Q rSub {размер 8 {c}}} больше {Q rSub {размер 8 {h}}}} = 1 — {{Q rSub {размер 8 {c}}} больше {Q rSub {размер 8 {h}}}}} {}15.27
разъясняет, что эффективность 1, или 100%, возможна только при отсутствии передачи тепла в окружающую среду (Qc = 0Qc = 0 размер 12 {Q rSub {size 8 {c}} = 0} { }). Обратите внимание, что все QQ размера 12 {Q} {} положительны. Направление теплопередачи обозначается знаком плюс или минус. Например, QcQc размером 12 {Q rSub {size 8 {c}}} {} находится вне системы, поэтому ему предшествует знак минус.
Пример 15.3
Ежедневная работа угольной электростанции, ее эффективность и выбросы углекислого газа
Угольная электростанция — это огромная тепловая машина.Он использует теплопередачу от сжигания угля для работы по включению турбин, которые используются для выработки электроэнергии. За один день большая угольная электростанция имеет 2,50 × 1014J2,50 × 1014J размером 12 {2 «.» «50» умножить на «10» rSup {размер 8 {«14»}} J} {} теплопередачи от угля и 1,48 × 1014J1,48 × 1014J размером 12 {1 «.» «48» умножить на «10» rSup {размер 8 {«14»}} J} {} теплопередачи в окружающую среду. а) Какую работу выполняет электростанция? (б) Каков КПД электростанции? (c) В процессе сгорания происходит следующая химическая реакция: C + O2 → CO2C + O2 → CO2 размер 12 {C + O rSub {размер 8 {2}} стрелка вправо «CO» rSub {размер 8 {2}} } {} .Это означает, что каждые 12 кг угля выбрасывают в атмосферу 12 кг + 16 кг + 16 кг = 44 кг углекислого газа. Предполагая, что 1 кг угля может обеспечить 2,5 × 106J2,5 × 106J размером 12 {2 «.» 5 раз «10» rSup {размер 8 {6}} J} {} теплопередачи при сгорании, сколько CO2CO2 размера 12 {«CO» rSub {размер 8 {2}}} {} выбрасывается в день эта электростанция?
Стратегия для (a)
Мы можем использовать W = Qh − QcW = Qh − Qc size 12 {W = Q rSub {size 8 {h}} — Q rSub {size 8 {c}}} {}, чтобы найти рабочая мощность WW размером 12 {W} {} при условии, что на электростанции используется циклический процесс.В этом процессе вода кипятится под давлением с образованием высокотемпературного пара, который используется для запуска паровых турбин-генераторов, а затем конденсируется обратно в воду, чтобы снова запустить цикл.
Решение для (a)
Объем работы определяется как:
W = Qh − Qc. W = Qh − Qc. размер 12 {W = Q rSub {размер 8 {h}} — Q rSub {размер 8 {c}}} {}15,28
Подставляя указанные значения:
W = 2,50 × 1014J – 1,48 × 1014J = 1,02 × 1014J.W = 2,50 × 1014J – 1,48 × 1014J = 1,02 × 1014J.alignl {stack { размер 12 {W = 2 «.»» 50 «´» 10 «rSup {размер 8 {» 14 «}}» J «+ — 1». «» «48» ´ «10» rSup {размер 8 {«14»}} «J»} {} # = 1 «.» «02» ´ «10» rSup {размер 8 {«14»}} «J» «.» {} }} {}15,29
Стратегия для (b)
Эффективность можно рассчитать с помощью Eff = WQhEff = WQh размер 12 {ital «Eff» = {{W} больше {Q rSub {size 8 {h}}} }} {} поскольку указан размер QhQh 12 {Q rSub {размер 8 {h}}} {}, а рабочий размер WW 12 {W} {} был найден в первой части этого примера.
Решение для (b)
Эффективность определяется по формуле: Eff = WQhEff = WQh размер 12 {ital «Eff» = {{W} over {Q rSub {size 8 {h}}}}}} {}.Было обнаружено, что работа WW имеет размер 1,02 × 1014J1,02 × 1014J, а размер QhQh равен 12 {Q rSub {size 8 {h}}} {}, поэтому эффективность составляет
Eff = 1,02 × 1014J2,50 × 1014J. = 0,408, или 40,8% Eff = 1,02 × 1014J2,50 × 1014J = 0,408, или 40,8% alignl {stack { размер 12 {ital «Eff» = {{1 «.» «02» умножить на «10» rSup {размер 8 {«14»}} J} больше {2 «.» «50» умножить на «10» rSup {размер 8 {«14»}} J}}} {} # = 0 «.» «408» »или« «40» ». 8% {} }} {}15.30
Стратегия для (c)
Ежедневное потребление угля рассчитывается с использованием информации, что каждый день 2.50 × 1014 J2,50 × 1014 J размер 12 {2 «.» «50» ´ «10» rSup {размер 8 {«14»}} «J»} {} теплопередачи от угля. В процессе сгорания мы имеем C + O2 → CO2C + O2 → CO2 размер 12 {C + O rSub {размер 8 {2}} стрелка вправо «CO» rSub {размер 8 {2}}} {} . Таким образом, каждые 12 кг угля выбрасывают в атмосферу 12 кг + 16 кг + 16 кг = 44 кг CO2CO2 размером 12 {«CO» rSub {size 8 {2}}} {} .
Решение для (c)
Суточное потребление угля составляет
2,50 × 1014J2,50 × 106Дж / кг = 1,0 × 108 кг2,50 × 1014J2.50 × 106 Дж / кг = 1,0 × 108 кг. размер 12 {{{2 «.» «50» ´ «10» rSup {размер 8 {«14»}} «J»} больше {2 «.» «50» ´ «10» rSup {размер 8 {6}} «Дж / кг»}} = 1 «.» 0´ «10» rSup {size 8 {7}} «Дж / кг»} {}15.31
Предполагая, что уголь чистый и весь уголь идет на производство диоксида углерода, количество диоксида углерода, производимого в день, составит
1,0 × 108 кг угля × 44 кг CO2 12 кг угля = 3,7 × 108 кг CO2 1,0 × 108 кг угля × 44 кг CO2 12 кг угля = 3,7 × 108 кг CO2. размер 12 {1 «.» 0´ «10» rSup {размер 8 {7}} «кг угля» ´ {{«44 кг CO» rSub {размер 8 {2}}} больше {«12 кг угля»}} = 3 «.»7´» 10 «rSup {размер 8 {7}}» кг CO «rSub {размер 8 {2}}} {}15,32
Это 370 000 метрических тонн CO2CO2, размер 12 {» CO «rSub {size Ежедневно производится 8 {2}}} {} .
Обсуждение
Если вся производимая работа преобразуется в электричество в течение одного дня, средняя выходная мощность составит 1180 МВт (это остается вам как проблема в конце главы). Это значение примерно соответствует размеру крупномасштабной традиционной электростанции. Обнаруженный КПД достаточно близок к значению 42%, указанному для угольных электростанций.Это означает, что 59,2% энергии приходится на передачу тепла в окружающую среду, что обычно приводит к потеплению озер, рек или океана вблизи электростанции и в целом способствует потеплению планеты. Хотя законы термодинамики ограничивают эффективность таких установок, в том числе установок, работающих на ядерном топливе, нефти и природном газе, передача тепла в окружающую среду может использоваться, а иногда и используется для отопления домов или промышленных процессов. В целом низкая стоимость энергии не сделала экономичным более эффективное использование отходящего тепла от большинства тепловых двигателей.Угольные электростанции производят наибольшее количество CO2CO2 размером 12 {«CO» rSub {size 8 {2}}} {} на единицу выработанной энергии (по сравнению с природным газом или нефтью), что делает уголь наименее эффективным ископаемым топливом .
Обладая информацией, приведенной в примере 15.3, мы можем найти такие характеристики, как эффективность теплового двигателя, не зная, как он работает, но более глубокое изучение механизма двигателя даст нам более глубокое понимание. На рисунке 15.18 показана работа обычного четырехтактного бензинового двигателя.Показанные четыре этапа завершают цикл этого теплового двигателя, возвращая бензиново-воздушную смесь в исходное состояние.
Цикл Отто, показанный на рисунке 15.19 (a), используется в четырехтактных двигателях внутреннего сгорания, хотя на самом деле истинные траектории цикла Отто не соответствуют точно тактам двигателя.
Адиабатический процесс AB соответствует почти адиабатическому такту сжатия бензинового двигателя. В обоих случаях производится работа с системой (газовой смесью в баллоне), повышая ее температуру и давление.На пути BC цикла Отто теплопередача QhQh размером 12 {Q rSub {размер 8 {h}}} {} в газ происходит при постоянном объеме, вызывая дальнейшее повышение давления и температуры. Этот процесс соответствует сжиганию топлива в двигателе внутреннего сгорания и происходит так быстро, что объем почти постоянный. Путь CD в цикле Отто — это адиабатическое расширение, которое действительно работает во внешнем мире, точно так же, как рабочий такт двигателя внутреннего сгорания при его почти адиабатическом расширении.Работа, выполняемая системой по пути CD, больше, чем работа, выполняемая системой по пути AB, потому что давление больше, и, следовательно, имеется чистый выход работы. По пути DA в цикле Отто передача тепла QcQc размером 12 {Q rSub {размер 8 {c}}} {} от газа при постоянном объеме снижает его температуру и давление, возвращая его в исходное состояние. В двигателе внутреннего сгорания этот процесс соответствует выхлопу горячих газов и всасыванию воздушно-бензиновой смеси при значительно более низкой температуре.В обоих случаях на этом конечном пути происходит передача тепла в окружающую среду.
Чистая работа, выполняемая циклическим процессом, — это область внутри замкнутого пути на диаграмме PVPV размера 12 {курсив «PV»} {}, например, внутри пути ABCDA на рис. 15.19. Обратите внимание, что во всех мыслимых циклических процессах абсолютно необходима передача тепла от системы для получения чистой выходной мощности. В цикле Отто теплообмен происходит по пути DA. Если теплопередачи не происходит, то обратный путь тот же, а полезная мощность равна нулю.Чем ниже температура на пути AB, тем меньше работы требуется для сжатия газа. Тогда площадь внутри замкнутого пути больше, поэтому двигатель выполняет больше работы и, следовательно, более эффективен. Точно так же, чем выше температура на пути CD, тем больше будет выходная мощность. (См. Рис. 15.20.) Таким образом, эффективность связана с температурами горячего и холодного резервуаров. В следующем разделе мы увидим, каков абсолютный предел эффективности теплового двигателя и как он связан с температурой.
Рисунок 15.18 В четырехтактном бензиновом двигателе внутреннего сгорания передача тепла в работу происходит в циклическом процессе, показанном здесь. Поршень соединен с вращающимся коленчатым валом, который одновременно работает с газом в цилиндре. (а) Во время такта впуска воздух смешивается с топливом. (b) Во время такта сжатия топливовоздушная смесь быстро сжимается, что является почти адиабатическим процессом, когда поршень поднимается при закрытых клапанах. Работа сделана на газе.(c) Рабочий ход состоит из двух отдельных частей. Сначала воспламеняется топливно-воздушная смесь, которая почти мгновенно преобразует химическую потенциальную энергию в тепловую, что приводит к значительному увеличению давления. Затем поршень опускается, и газ действует, передавая силу на расстоянии, что является почти адиабатическим процессом. (d) Такт выпуска вытесняет горячий газ, чтобы подготовить двигатель к следующему циклу, начиная с такта впуска.
Рис. 15.19. Схема PVPV размера 12 {итал. «PV»} {} для упрощенного цикла Отто, аналогичного тому, который используется в двигателе внутреннего сгорания.Точка А соответствует началу такта сжатия двигателя внутреннего сгорания. Пути AB и CD являются адиабатическими и соответствуют тактам сжатия и мощности двигателя внутреннего сгорания соответственно. Пути BC и DA изохоричны и дают аналогичные результаты для участков зажигания и выхлопа-впуска, соответственно, цикла двигателя внутреннего сгорания. Работа выполняется с газом по пути AB, но больше работы выполняется с газом по пути CD, так что имеется чистый выход работы.Рис. 15.20. Этот цикл Отто производит большую работу, чем цикл на рис. 15.19, потому что начальная температура пути CD выше, а начальная температура пути AB ниже. Площадь внутри петли больше, что соответствует большему выходу чистой работы.Второй закон термодинамики (обновлено 05.07.2014)
Глава 5: Второй закон термодинамики
В этой главе мы рассматриваем более абстрактный подход. для нагрева двигателя, холодильника и теплового насоса, в попытке определить, возможны ли они, и получить предельный максимум производительность, доступная для этих циклов.Понятие механического и термическая обратимость является центральным элементом анализа, что приводит к идеальные циклы Карно. (См. Википедию: Sadi Карно французский физик, математик. и инженер, впервые успешно описавший тепловые двигатели, цикла Карно и заложил основы второго закона термодинамика). Для получения дополнительной информации об этом предмет, см. статью: A Встреча Роберта Стирлинга и Сади Карно в 1824 году представлен на 2014 ISEC .
Мы представляем тепловой двигатель и цикл теплового насоса в минималистский абстрактный формат, как на следующих схемах. В обоих корпуса есть два резервуара температуры T H и T L , с T H > Т Л .
В случае теплового двигателя тепло Q H отбирается из высокотемпературного источника T H , часть этого тепла преобразуется в работу W, совершаемую с окружающей средой, а остальное отклоняется в низкотемпературный сток T L .Обратное происходит с тепловым насосом, в котором работа W выполняется на системы для отвода тепла Q L из низкотемпературный источник T L и «накачать» его в высокотемпературный сток T H . Обратите внимание, что толщина линии представляет количество тепла. или переданная рабочая энергия.
Теперь мы представляем два утверждения Второго закона Термодинамика, первая касается теплового двигателя, а вторая относительно теплового насоса. Ни одно из этих утверждений не может быть доказано, однако никогда не наблюдались нарушения.
Утверждение Кельвина-Планка: It невозможно сконструировать устройство, работающее по циклу и не производит никакого другого эффекта, кроме передачи тепла от одного тела для того, чтобы производить работу.
Мы предпочитаем менее формальное описание этого утверждения. в терминах лодки, извлекающей тепло из океана, чтобы производить требуемая тяговая работа:
Заявление Клаузиуса: Оно невозможно сконструировать устройство, работающее по циклу и не производит никакого другого эффекта, кроме передачи тепла от более холодного тела к более горячему телу.
Эквивалентность Клаузиуса и Кельвина-Планка Выписки
Примечательно, что два приведенных выше утверждения Второй закон на самом деле эквивалентен. Чтобы продемонстрировать свои эквивалентность рассмотрим следующую диаграмму. Слева видим жару насос, который нарушает утверждение Клаузиуса, перекачивая тепло Q L из низкотемпературного резервуара в высокотемпературный температурный резервуар без каких-либо затрат на работу. Справа мы видим тепловой двигатель, отводящий тепло Q L к низкотемпературный резервуар.
Если мы теперь подключим два устройства, как показано ниже, то что тепло, отводимое тепловым двигателем Q L , равно просто перекачивается обратно в высокотемпературный резервуар, тогда будет нет необходимости в резервуаре с низкой температурой, что приводит к высокой температуре двигатель, который нарушает утверждение Кельвина-Планка, выделяя тепло от единого источника тепла и превращая его непосредственно в работу.
Механическая и термическая обратимость
Обратите внимание, что утверждения о втором законе отрицательные утверждения в том смысле, что они описывают только то, что невозможно достигать.Чтобы определить максимальную производительность, доступную от тепловой двигатель или тепловой насос, нам нужно ввести понятие Реверсивность , включая механическую и термическую обратимость. Мы постараемся чтобы прояснить эти концепции с помощью следующего примера реверсивный поршневой цилиндр, находящийся в тепловом равновесии с окружающая среда при температуре Т 0 , и подвергаются циклическому процессу сжатия / расширения.
Для механической обратимости мы предполагаем, что процесс без трения, однако мы также требуем, чтобы процесс квазиравновесный.На диаграмме мы замечаем, что во время сжатие частицы газа, ближайшие к поршню, будут более высокое давление, чем те, которые находятся дальше, поэтому поршень будет выполняет больше работы по сжатию, чем если бы мы ждали условия равновесия, возникающие после каждого шага приращения. Точно так же тепловая обратимость требует, чтобы вся теплопередача изотермический. Таким образом, если есть постепенное повышение температуры из-за сжатию, то нам нужно дождаться, пока не установится тепловое равновесие. учредил.Во время расширения происходит постепенное снижение температуры приведет к передаче тепла от к окружающей среде на система до тех пор, пока не установится равновесие.
Таким образом, для обратимый режим:
-
Все механические процессы без трения.
-
С каждым приращением шаг в технологическом процессе условия теплового и давления равновесия учредил.
-
Все процессы теплообмена изотермические.
Теорема Карно
Теорема Карно, также известная как правило Карно, или Принцип Карно можно сформулировать следующим образом:
Тепловой двигатель не работает между двумя нагревателями. резервуары могут быть более эффективными, чем реверсивный тепловой двигатель работает между двумя одинаковыми резервуарами.
Самый простой способ доказать эту теорему — рассмотреть сценарий, показанный ниже, в котором у нас есть необратимый двигатель как а также реверсивный двигатель, работающий между резервуарами T H и T L , однако необратимый тепловой двигатель имеет более высокий КПД, чем обратимый один.Оба они потребляют одинаковое количество тепла Q H от резервуар высокой температуры, однако необратимый двигатель производит больше работы W I , чем у реверсивный двигатель W R .
Обратите внимание, что реверсивный двигатель по своей природе может работают в обратном направлении, т. е. если мы используем часть выходной мощности (W R ) от необратимого двигателя, чтобы управлять реверсивным двигателем тогда он будет работать как тепловой насос, передавая тепло Q H высокотемпературному резервуару, как показано на следующая диаграмма:
Обратите внимание, что высокотемпературный резервуар становится избыточный, и мы в конечном итоге получаем чистое количество тепла (Q LR — Q LI ) от нижнего резервуар температуры для производства чистого объема работы (W I — W R ) — Кельвина-Планка нарушитель — тем самым доказывая теорему Карно.
Следствие 1 теоремы Карно:
Первое следствие теоремы Карно можно сформулировать. следующим образом:
Все реверсивные тепловые двигатели работают между двумя одинаковыми тепловыми резервуарами должен быть одинаковый КПД.
Таким образом, независимо от типа тепловой машины, рабочая жидкость или любой другой фактор, если тепловой двигатель обратимый, тогда он должен иметь такую же максимальную эффективность. Если это не случае тогда мы можем управлять реверсивным двигателем с нижним эффективности теплового насоса и производить нарушение Кельвина-Планка как над.
Следствие 2 теоремы Карно:
Второе следствие теоремы Карно может быть указано следующее:
КПД обратимого тепла двигатель является функцией только соответствующих температур горячих и холодные водоемы. Его можно оценить, заменив соотношение теплопередачи Q L и Q H по соотношению температур T L и T H из соответствующие тепловые резервуары.
Таким образом, используя это следствие, мы можем оценить тепловую КПД реверсивной тепловой машины составляет:
Обратите внимание, что мы всегда переходим в «режим медитации» перед заменой соотношения плавок на соотношение абсолютных температуры, что действительно только для реверсивных машин. В Простейшим концептуальным примером реверсивного теплового двигателя является двигатель Карно. цикл двигателя, как показано на следующей диаграмме:
Совершенно непрактичный двигатель, который не может реализуется на практике, поскольку для каждого из четырех процессов в цикл окружающей среды необходимо изменить с изотермической к адиабатическому.Более практичный пример — идеальный цикл Стирлинга. двигатель, как показано на следующей схеме:
Этот двигатель имеет поршень для сжатия и расширительные работы, а также вытеснитель для перемещения рабочего газ между горячим и холодным пространством, и был описан ранее в Глава 3b . Обратите внимание, что при одинаковых условиях температуры и сжатия Передаточное отношение идеальный двигатель Карно имеет такой же КПД, однако значительно более низкая чистая производительность за цикл, чем у Ideal Stirling тактный двигатель, как это легко увидеть на следующей диаграмме:
При работе реверсивного двигателя задним ходом становится тепловым насосом или холодильником.Коэффициент производительности из этих машин разрабатывается следующим образом:
________________________________________________________________________
Решено
Проблема 5.1 — Реверсивный домашний воздух
Кондиционер и горячая вода
Нагреватель
________________________________________________________________________
Задача 5.2 — Тепловой насос используется для удовлетворения потребностей дома в отоплении и ухода за ним при 20 ° С.В день, когда температура наружного воздуха опускается до -10 ° C По оценкам, дом теряет около 10 кВт тепла. В этих условиях фактический коэффициент полезного действия (COP HP ) теплового насоса 2,5.
-
а) Нарисуйте схему представляющий систему теплового насоса, показывающий поток энергии и температуры, и определить:
-
б) фактическая мощность потребляется тепловым насосом [4 кВт]
-
в) мощность, которая будет потребляться обратимым тепловой насос в этих условиях [1.02 кВт]
-
г) сила, которая будет потребляться электрическим резистивным нагревателем под этими условия [10 кВт]
-
e) Сравнение фактического теплового насоса с реверсивный тепловой насос определяет, если производительность фактического тепла насос возможен,
Выведите все используемые уравнения, начиная с основного
значение
КС л.с. .
________________________________________________________________________
Задача 5.3 — Во время
эксперимент, проведенный в старшей лаборатории при 25 ° C, студент измерил, что
холодильник цикла Стирлинга, потребляющий 250 Вт энергии, удалил
1000 кДж тепла из охлаждаемого помещения при температуре -30 ° C. В
Время работы холодильника во время эксперимента составляло 20мин.
Нарисуйте схему холодильной системы, показывающую поток
энергии и температуры, и определите,
разумны [COPR
= 3,33, COPR, об.
= 4,42, отношение COPR / COPR, об.
= 75%> 60% — нет
достижимый].Укажите причины вашего
выводы. Вывести все
уравнения, используемые, начиная с основного определения коэффициента
Производительности холодильника
(COP R ).
________________________________________________________________________
К главе 6: Энтропия — новая недвижимость
______________________________________________________________________________________
Инженерная термодинамика, Израиль
Уриэли под лицензией Creative
Общедоступное авторское право — Некоммерческое использование — Совместное использование 3.0 Соединенные Штаты
Лицензия