Основные части теплового двигателя: Принцип действия теплового двигателя — termodinamikaVM.ru

Принцип действия теплового двигателя — termodinamikaVM.ru

Тепловой двигатель – устройство преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. Основные части теплового двигателя: нагреватель, рабочее тело и холодильник. Чтобы получить полезную работу, необходимо сделать работу сжатия газа меньше работы расширения. Для этого нужно, чтобы каждому объёму при сжатии соответствовало меньшее давление, чем при расширении. Поэтому газ перед сжатием должен быть охлажден.
Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.
Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T1. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру T1 температурой нагревателя.’

Рассмотрим это на примере идеальной тепловой машины.

Любая тепловая машина состоит из трех частей: теплоотдатчика, рабочего тела и теплоприемника. Теплоотдатчик имеет температуру Т1 и отдает некоторое количество теплоты Q1 рабочему телу. Рабочее тело (газ, пар, нагретая жидкость) совершает работу. Причем, не вся теплота Q1 превращается в работу, а только некоторая ее часть

А = Q1 – Q2 (4.8)

Другая часть теплоты Q2 передается телу с более низкой температурой (Т2) – теплоприемнику. Таким образом, сущность работы тепловой машины заключается не только в получении теплоты Q1 от теплоотдатчика и совершении работы А, но и передаче некоторого количества теплоты Q2теплоприемнику, температура которого ниже чем температура теплоотдатчика (Т1 > Т2).

Вечный двигатель второго рода состоит из первых двух частей, то есть, теплота Q1 полностью переходит в работу А, а это невозможно. Там, где нет перепада температур (Т1 = Т2), невозможно превратить теплоту в работу.

Чтобы получить математическое выражение второго начала термодинамики, рассматривают действие идеальной тепловой машины. Идеальной называют машину, которая работает без трения и потерь тепла. В ней рабочим телом является идеальный газ. Работа машины основана на принципе обратимого термодинамического цикла, называемого циклом Карно.

Цикл Карно состоит из четырех последовательно совершаемых процессов: изотермического расширения, адиабатического расширения, изотермического сжатия, адиабатического сжатия газа. Все процессы проводят обратимо, в результате чего газ возвращается в исходное положение.

В результате математических преобразований получают

(Q1 – Q2)/Q1 = (Т1 – Т2)/Т1 (4.9)

или h = А/Q1; h = (Т1 – Т2)/Т1 (4.10)

где h – коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины.

Роторно-поршневого двигателя.

Установленный на валу ротор жестко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестерней. Ротор с зубчатым колесом как бы обкатывается вокруг шестерни. Его грани при этом скользят по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре.

Такая конструкция позволяет осуществить 4-тактный цикл без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами.

Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Практическое применение получили двигатели с трёхгранными роторами, с отношением радиусов шестерни и зубчатого колеса: r: R = 2: 3, которые устанавливают на автомобилях, лодках и т.п. Масса и габариты двигателя Ванкеля в 2-3 раза меньше соответствующих им по мощности двигателей внутреннего сгорания обычной схемы.

Дизельного двигателя.

Воздух сначала поступает в цилиндр, сжимается и нагревается до высокой температуры. В раскаленный воздух с помощью форсунки впрыскивается самовоспламеняющееся и быстро сгорающее топливо, за счет чего мотор и начинает работать. Для таких двигателей необходимо специальное дизельное топливо. Из уроков физики все мы знаем, что тепловая энергия может преобразовываться в механическую. Именно это и происходит, когда в цилиндре двигателя сгорает топливо. Тепло, превращаясь в механическую работу, начинает двигать поршень, который в цилиндре двигается возвратно-поступательно. Коленчатый вал, связанный с поршнем при помощи шатуна, вращается.

Во время работы, поршень то приближается, то удаляется от коленчатого вала. Когда эти две детали сближаются, то в цилиндр поступает горючая смесь. При движении цилиндра в обратную сторону, в нем увеличивается давление. Сжатая горючая смесь в этот момент готова к сгоранию, едва стоит вспыхнуть искре, как смесь легко воспламеняется и выделяет газы, которые нужны для того, чтобы привести мотор в движение. Цилиндр соединен с трубопроводом, через который из двигателя выбрасываются отработанные газы.

Одно движение поршня к коленчатому валу или обратно называется ходом. Если за четыре хода поршня вал сделает два оборота вокруг своей оси, значит, закончился так называемый рабочий цикл. Двигатель, рабочий цикл которого совершается за два оборота коленчатого вала, называется четырехкратным. Существуют также и двукратные двигатели. Рабочий цикл у них совершается за два хода поршня и за один оборот коленчатого вала. В автомобильных моторах такие двигатели практически не применяются, зато их широко используют для мотоциклов.

Чем сильнее будет давление на поршень при сгорании горючей смеси, тем больше мощность двигателя. Поэтому выгодно увеличивать степень сжатия в двигателе. В этом случае из той же порции топлива получается больше полезной работы. Многие автолюбители пытаются самостоятельно отрегулировать двигатель так, чтобы расходовать меньше топлива, но при этом не терять мощности. Но увлекаться этим не следует, поскольку при сильном увеличении степени сжатия горючая смесь сгорает слишком быстро (этот процесс называется детонация), что вызывает неустойчивую работу двигателя. При этом в работающем двигателе слышен стук, мощность значительно снижается, а из глушителя идет черный дым.

Тепловой двигатель на новом термодинамическом принципе — Энергетика и промышленность России — № 06 (242) март 2014 года — EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 06 (242) март 2014 года

Согласно теории Карно, мы обязаны передать часть подведенной в цикл тепловой энергии окружающей среде, и эта часть зависит от перепада температур между горячим и холодным источниками тепла.

Секрет черепахи

Особенностью всех тепловых двигателей, подчиняющихся теории Карно, является использование процесса расширения рабочего тела, позволяющего в цилиндрах поршневых двигателей и в роторах турбин получать механическую работу. Вершиной сегодняшней теплоэнергетики по эффективности преобразования тепла в работу являются парогазовые установки. В них КПД превышает 60 %, при перепадах температур свыше 1000 ºС.

В экспериментальной биологии еще более 50 лет назад установлены удивительные факты, противоречащие устоявшимся представлениям классической термодинамики. Так, КПД мышечной деятельности черепахи достигает эффективности в 75‑80 %. При этом перепад температур в клетке не превышает долей градуса. Причем и в тепловой машине, и в клетке энергия химических связей сначала в реакциях окисления превращается в тепло, а затем тепло превращается в механическую работу. Термодинамика по этому поводу предпочитает молчать. По ее канонам для такого КПД нужны перепады температур, несовместимые с жизнью. В чем же секрет черепахи?

Традиционные процессы

Со времен паровой машины Уатта, первого массового теплового двигателя, до сегодняшнего дня теория тепловых машин и технические решения по их реализации прошли длительный путь эволюции. Это направление породило огромное количество конструктивных разработок и связанных с ними физических процессов, общей задачей которых было преобразование тепловой энергии в механическую работу. Неизменным для всего многообразия тепловых машин было понятие «компенсации за преобразование тепла в работу». Это понятие сегодня воспринимается как абсолютное знание, каждодневно доказываемое всей известной практикой человеческой деятельности. Отметим, что факты известной практики вовсе не являются базой абсолютного знания, а лишь базой знаний данной практики. Для примера – и самолеты не всегда летали.

Общим технологическим недостатком сегодняшних тепловых машин (двигатели внутреннего сгорания, газовые и паровые турбины, ракетные двигатели) является необходимость передачи в окружающую среду большей части тепла, подведенного в цикл тепловой машины. Главным образом, поэтому они имеют низкий КПД и экономичность.

Обратим особое внимание на тот факт, что все перечисленные тепловые машины для преобразования тепла в работу используют процессы расширения рабочего тела. Именно эти процессы позволяют преобразовывать потенциальную энергию тепловой системы в кооперативную кинетическую энергию потоков рабочего тела и далее в механическую энергию движущих деталей тепловых машин (поршней и роторов).

Отметим еще один, пусть тривиальный, факт, что тепловые машины работают в воздушной атмосфере, находящейся под постоянным сжатием сил гравитации. Именно силы гравитации создают давление окружающей среды. Компенсация за преобразование тепла в работу связана с необходимостью производить работу против сил гравитации (или, то же самое, против давления окружающей среды, вызванного силами гравитации). Совокупность двух выше отмеченных фактов и приводит к «ущербности» всех современных тепловых машин, к необходимости передачи окружающей среде части подведенного в цикл тепла.

Природа компенсации

Природа компенсации за преобразование тепла в работу заключается в том, что 1 кг рабочего тела на выходе из тепловой машины имеет больший объем – под воздействием процессов расширения внутри машины, – чем объем на входе в тепловую машину.

А это означает, что, прогоняя через тепловую машину 1 кг рабочего тела, мы расширяем атмосферу на величину, для чего необходимо произвести работу против сил гравитации – работу проталкивания.

На это затрачивается часть механической энергии, полученной в машине. Однако работа по проталкиванию – это только одна часть затрат энергии на компенсацию. Вторая часть затрат связана с тем, что на выхлопе из тепловой машины в атмосферу 1 кг рабочего тела должен иметь то же атмосферное давление, что и на входе в машину, но при большем объеме. А для этого, в соответствии с уравнением газового состояния, он должен иметь и большую температуру, т. е. мы вынуждены передать в тепловой машине килограмму рабочего тела дополнительную внутреннюю энергию. Это вторая составляющая компенсации за преобразование тепла в работу.

Из этих двух составляющих и складывается природа компенсации. Обратим внимание на взаимозависимость двух составляющих компенсации. Чем больше объем рабочего тела на выхлопе из тепловой машины по сравнению с объемом на входе, тем больше не только работа по расширению атмосферы, но и необходимая прибавка внутренней энергии, т. е. нагрев рабочего тела на выхлопе. И наоборот, если за счет регенерации снижать температуру рабочего тела на выхлопе, то в соответствии с уравнением газового состояния будет снижаться и объем рабочего тела, а значит, и работа проталкивания. Если провести глубокую регенерацию и снизить температуру рабочего тела на выхлопе до температуры на входе и тем самым одновременно сравнять объем килограмма рабочего тела на выхлопе до объема на входе, то компенсация за преобразование тепла в работу будет равна нулю.

Но есть принципиально иной способ преобразования тепла в работу, без использования процесса расширения рабочего тела. При этом способе в качестве рабочего тела используется несжимаемая жидкость. Удельный объем рабочего тела в циклическом процессе преобразования тепла в работу остается постоянным. По этой причине не происходит расширения атмосферы и, соответственно, затрат энергии, свойственных тепловым машинам, использующим процессы расширения. Необходимость в компенсации за преобразование тепла в работу отпадает. Это возможно в сильфоне. Подвод тепла к постоянному объему несжимаемой жидкости приводит к резкому увеличению давления. Так, нагрев воды при постоянном объеме на 1 ºС приводит к увеличению давления на пять атмосфер. Этот эффект и используется для изменения формы (у нас сжатия) сильфона и совершения работы.

Сильфонно-поршневой двигатель

Предлагаемый к рассмотрению тепловой двигатель реализует отмеченный выше принципиально иной способ преобразования тепла в работу. Данная установка, исключая передачу большей части подведенного тепла окружающей среде, не нуждается в компенсации за преобразование тепла в работу.

Для реализации этих возможностей предлагается тепловой двигатель, содержащий рабочие цилиндры, внутренняя полость которых объединена с помощью перепускного трубопровода, имеющего регулирующую арматуру. Она заполнена в качестве рабочего тела кипящей водой (влажным паром со степенью сухости порядка 0,05‑0,1). Внутри рабочих цилиндров расположены сильфонные поршни, внутренняя полость которых объединена с помощью перепускного трубопровода в единый объем. Внутренняя полость сильфонных поршней соединена с атмосферой, что обеспечивает внутри объема сильфонов постоянное атмосферное давление.

Сильфонные поршни соединены ползуном с кривошипно-шатунным механизмом, преобразующим тяговое усилие сильфонных поршней во вращательное движение коленчатого вала.

Рабочие цилиндры расположены в объеме сосуда, заполненного кипящим трансформаторным или турбинным маслом. Кипение масла в сосуде обеспечивается подводом тепла от внешнего источника. Каждый рабочий цилиндр имеет съемный теплоизоляционный кожух, который в нужный момент или охватывает цилиндр, прекращая процесс теплопередачи между кипящим маслом и цилиндром, или освобождает поверхность рабочего цилиндра и при этом обеспечивается передача тепла от кипящего масла к рабочему телу цилиндра.

Кожуха по длине делятся на отдельные цилиндрические секции, состоящие из двух половинок, скорлуп, при сближении охватывающих цилиндр. Особенностью конструкции является расположение рабочих цилиндров по одной оси. Шток обеспечивает механическое взаимодействие сильфонных поршней разных цилиндров.

Сильфонный поршень, выполненный в форме сильфона, одной стороной неподвижно закреплен с трубопроводом, соединяющим внутренние полости сильфонных поршней с разделительной стенкой корпуса рабочих цилиндров. Другая сторона, прикрепленная к ползуну, подвижна и перемещается (сжимается) во внутренней полости рабочего цилиндра под воздействием повышенного давления рабочего тела цилиндра.

Сильфон – тонкостенная гофрированная трубка или камера из стали, латуни, бронзы, растягивающаяся или сжимающаяся (как пружина) в зависимости от разности давлений внутри и снаружи или от внешнего силового воздействия.

Сильфонный поршень, напротив, выполнен из нетеплопроводящего материала. Возможно изготовление поршня и из названных выше материалов, но покрытых нетеплопроводным слоем. Поршень не обладает и пружинными свойствами. Его сжатие происходит только под воздействием перепада давлений по сторонам сильфона, а растяжение – под воздействием штока.

Работа двигателя

Тепловой двигатель работает следующим образом.

Описание рабочего цикла теплового двигателя начнем с ситуации, изображенной на рисунке. Сильфонный поршень первого цилиндра полностью растянут, а сильфонный поршень второго цилиндра полностью сжат. Теплоизоляционные кожуха на цилиндрах плотно прижаты к ним. Арматура на трубопроводе, соединяющем внутренние полости рабочих цилиндров, закрыта. Температура масла в сосуде с маслом, в котором расположены цилиндры, доводится до кипения. Давление кипящего масла в полости сосуда, рабочего тела внутри полостей рабочих цилиндров, равно атмосферному. Давление внутри полостей сильфонных поршней всегда равно атмосферному – так как они соединены с атмосферой.

Состояние рабочего тела цилиндров соответствует точке 1. В этот момент арматура и теплоизоляционный кожух на первом цилиндре открываются. Скорлупы теплоизоляционного кожуха отодвигаются от поверхности обечайки цилиндра 1. В этом состоянии обеспечена теплопередача от кипящего масла в сосуде, в котором расположены цилиндры, к рабочему телу первого цилиндра. Теплоизоляционный кожух на втором цилиндре, напротив, плотно облегает поверхность обечайки цилиндра. Скорлупы теплоизоляционного кожуха прижаты к поверхности обечайки цилиндра 2. Тем самым передача тепла от кипящего масла к рабочему телу цилиндра 2 невозможна. Так как температура кипящего при атмосферном давлении масла (примерно 350 ºС) в полости сосуда, содержащего цилиндры, выше температуры кипящей при атмосферном давлении воды (влажного пара со степенью сухости 0,05‑0,1), находящейся в полости первого цилиндра, то происходит интенсивная передача тепловой энергии от кипящего масла к рабочему телу (кипящей воде) первого цилиндра.

Как осуществляется работа

При работе сильфонно-поршневого двигателя проявляется существенно вредный момент.

Происходит передача тепла из рабочей зоны сильфонной гармошки, где осуществляется преобразование тепла в механическую работу, в нерабочую зону при циклическом перемещении рабочего тела. Это недопустимо, так как подогрев рабочего тела вне рабочей зоны приводит к возникновению перепада давлений и на неработающий сильфон. Тем самым будет возникать вредная сила против производства полезной работы.

Потери от охлаждения рабочего тела в сильфонно-поршневом двигателе не носят столь принципиально неизбежного характера, как потери тепла в теории Карно для циклов с процессами расширения. Потери от охлаждения в сильфонно-поршневом двигателе могут быть снижены до сколь угодно малой величины. Отметим, что в данной работе речь идет о термическом КПД. Внутренний относительный КПД, связанный с трением и другими техническими потерями, остается на уровне сегодняшних двигателей.

Парных рабочих цилиндров в описываемом тепловом двигателе может быть сколько угодно – в зависимости от требуемой мощности и прочих конструктивных условий.

На малых перепадах температур

В окружающей нас природе постоянно существуют различные перепады температур.

Например, перепады температур между различными по высоте слоями воды в морях и океанах, между массами воды и воздуха, перепады температур у термальных источников и т. п. Покажем возможность работы сильфонно-поршневого двигателя на естественных перепадах температур, на возобновляемых источниках энергии. Проведем оценки для климатических условий Арктики.

Холодный слой воды начинается от нижней кромки льда, где его температура равна 0 °С и до температуры плюс 4‑5 °С. В эту область будем отводить то небольшое количество тепла, которое отбирается из перепускного трубопровода, для поддержания постоянного уровня температур рабочего тела в нерабочих зонах цилиндров. Для контура (теплопровода), отводящего тепло, выбираем в качестве теплоносителя бутилен цис-2‑Б (температура кипения – конденсации при атмосферном давлении составляет +3,7 °С) или бутин 1‑Б (температура кипения +8,1 °С). Теплый слой воды в глубине определяем в диапазоне температур 10‑15°С. Сюда опускаем сильфонно-поршневой двигатель. Рабочие цилиндры непосредственно контактируют с морской водой. В качестве рабочего тела цилиндров выбираем вещества, которые имеют температуру кипения при атмосферном давлении ниже температуры теплого слоя. Это необходимо для обеспечения теплопередачи от морской воды к рабочему телу двигателя. В качестве рабочего тела цилиндров можно предложить хлорид бора (температура кипения +12,5 °С), бутадиен 1,2‑Б (температура кипения +10,85 °С), виниловый эфир (температура кипения +12 °С).

Имеется большое количество неорганических и органических веществ, отвечающих этим условиям. Тепловые контура с таким образом подобранными теплоносителями будут работать в режиме тепловой трубы (в режиме кипения), что обеспечит передачу больших тепловых мощностей при малых перепадах температуры. Перепад давления между внешней стороной и внутренней полостью сильфона, помноженный на площадь гармошки сильфона, создает усилие на ползун и порождает мощность двигателя, пропорциональную мощности подведенного тепла к цилиндру.

Если температуру нагрева рабочего тела снизить в десять раз (на 0,1 °С), то перепад давления по сторонам сильфона тоже снизится примерно в десять раз, до 0,5 атмосфер. Если при этом площадь гармошки сильфона также увеличить в десять раз (увеличивая число секций гармошек), то усилие на ползун и развиваемая мощность останутся неизменными при неизменном подводе тепла к цилиндру. Это позволит, во‑первых, использовать очень малые естественные перепады температур и, во вторых, резко снизить вредный разогрев рабочего тела и отвод тепла в окружающую среду, что позволит получить высокий КПД. Хотя здесь стремление к высокому. Оценки показывают, что мощность двигателя на естественных перепадах температур может составить до нескольких десятков киловатт на квадратный метр теплопроводящей поверхности рабочего цилиндра. В рассмотренном цикле нет высоких температур и давлений, что значительно удешевляет установку. Двигатель при работе на естественных перепадах температур не дает вредных выбросов в окружающую среду.

В качестве заключения автор хотел бы сказать следующее. Постулат о «компенсации за преобразование тепла в работу» и непримиримая, далеко выходящая за рамки полемического приличия позиция носителей этих заблуждений связали творческую инженерную мысль, породили туго затянутый узел проблем. Следует отметить, что инженерами уже давно изобретен сильфон и его широко используют в автоматике в качестве силового элемента, преобразующего тепло в работу. Но сложившаяся в термодинамике ситуация не позволяет провести объективное теоретическое и экспериментальное исследование его работы.

Вскрытие природы технологических недостатков современных тепловых машин показало, что «компенсация за преобразование тепла в работу» в ее устоявшемся толковании и те проблемы и негативные последствия, с которыми столкнулся по этой причине современный мир, есть не что иное, как компенсация за неполноту знания.

Тепловые двигатели. Второй закон термодинамики

1.

Принцип действия и основные элементы теплового двигателя

В курсе физики основной школы вы уже познакомились с различными видами тепловых двигателей и их устройством. Тепловые двигатели сыграли большую роль в истории человечества и сохраняют огромное значение сегодня. Они движут автомобили, вращают турбины тепловых электростанций, разгоняют космические корабли.

Принцип действия теплового двигателя

Тепловые двигатели названы так потому, что в них сжигают топливо (например, газ или бензин) для получения высокой температуры. Она нужна для того, чтобы увеличить давление газа, который совершает работу при расширении (например, двигая поршень, соединенный передаточным механизмом с ведущими колесами автомобиля). Этот газ называют рабочим телом.

При расширении газу передается количество теплоты Q₁. На рисунке 43.1 график зависимости p(V) при расширении газа схематически показан красной линией. Как вы уже знаете, работа Aг, совершенная при этом газом, численно равна площади фигуры под этим графиком (на рисунке она закрашена).

Действие теплового двигателя имеет циклический характер, то есть представляет собой последовательность повторяющихся одинаковых процессов. Поэтому после того, как газ расширился, совершив работу, его надо сжать до прежнего объема, чтобы он снова смог совершить работу при следующем расширении.

Сжимая газ, надо совершать работу над газом. Чтобы двигатель совершал полезную работу, работа по сжатию газа должна быть меньше работы газа при его расширении. Для этого надо сжимать газ при меньшем давлении. А чтобы уменьшить давление газа, надо понизить его температуру, Для этого при сжатии надо охлаждать газ, то есть отбирать у него некоторое количество теплоты Q₂.

График зависимости p(V) при сжатии более холодного газа изображен на графике (рис. 43.2) синей линией. Работа A_внеш внешних сил, совершаемая при этом над газом, численно равна площади фигуры под этим графиком (на рисунке она закрашена).

Полезная работа A_пол совершенная двигателем за один цикл, равна разности работы газа A_г и работы внешних сил A_внеш:

A_пол = A_г – A_внеш.     (1)

Из этого соотношения следует, что полезная работа численно равна площади, заключенной внутри цикла в координатах p, V. Она закрашена на рисунке 43.3.

? 1. Докажите, что

A_пол = Q₁ – Q₂.      (2)

Подсказка. Воспользуйтесь первым законом термодинамики и тем, что при возвращении в начальное состояние внутренняя энергия газа не изменилась.

Основные элементы теплового двигателя

Итак, тепловой двигатель состоит из следующих основных элементов (рис. 43.4).

• Нагреватель – сжигаемое топливо. Нагреватель имеет высокую температуру T₁ и при контакте с рабочим телом передает ему количество теплоты Q₁.
• Рабочее тело – обычно газ.
• Холодильник – обычно окружающий воздух или вода водоема. Температура T₂ холодильника ниже температуры нагревателя: T₂ < T₁. При контакте с рабочим телом холодильник отбирает у него количество теплоты Q₂.

2. Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя

Эффективность теплового двигателя определяется отношением полезной работы двигателя к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Коэффициентом полезного действия η теплового двигателя называют выраженное в процентах отношение полезной работы A_пол, совершенной двигателем, к количеству теплоты Q₁, полученной от нагревателя:

η = (A_пол/Q₁) * 100%.     (3)

Из соотношения A_пол = Q₁ – Q₂ следует, что

η = ((Q₁ – Q₂)/Q₁) * 100%.     (4)

Поскольку переданное холодильнику количество теплоты Q₂ > 0, коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше 100 %.

? 2. За некоторое время нагреватель передал рабочему телу количество теплоты 5 кДж, а рабочее тело отдало холодильнику количество теплоты 4 кДж. Чему равен КПД?

Максимально возможный КПД теплового двигателя

Исследуя различные циклические процессы, французский ученый С. Карно доказал, что

максимально возможный коэффициент полезного действия теплового двигателя

η_max = ((T₁ – T₂)/T₁) * 100%.     (5)

В этой формуле T₁ – температура нагревателя, а T₂ – температура холодильника.

Как увеличить КПД теплового двигателя? Из формулы (5) следует, что этого можно достичь двумя способами: повышая температуру T₁ нагревателя и понижая температуру T₂ холодильника. Какой способ более эффективен?

Чтобы ответить на этот вопрос, заметим, что температура холодильника T₂ не может быть ниже температуры окружающего воздуха, поэтому особенно сильно понизить ее невозможно. Следовательно, единственно возможный путь – повышать насколько возможно температуру T₁ нагревателя. Однако и тут есть ограничение: температура нагревателя не должна превышать температуру плавления материалов, из которых изготовлен двигатель.

Формула (5) соответствует максимально возможному КПД теплового двигателя. У реальных тепловых двигателей он существенно меньше максимально возможного. Например, КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 30–40 %.

? 3. Чему равен максимально возможный КПД теплового двигателя, если температура нагревателя 1000 ºС, а температура холодильника 20 ºC?

3. Пример расчета КПД цикла

Вычисление КПД для циклов реальных тепловых двигателей требует использования высшей математики. Мы рассмотрим упрощенный циклический процесс a – b – c – d – a, происходящий с идеальным одноатомным газом (рис. 43.5).

Прежде чем начинать расчеты, проведем качественное рассмотрение.

? 4. В следующей таблице приведены качественные характеристики некоторых этапов указанного циклического процесса. Перенесите таблицу в тетрадь и объясните содержание заполненных ячеек таблицы. Заполните остальные ячейки.

Итак, мы видим, что газ получает от нагревателя некоторое количество теплоты только на этапах a – b и b – c.

Напомним теперь, что коэффициент полезного действия равен отношению полезной работы Aпол к полученному от нагревателя количеству теплоты Q. Мы установили,что это количество теплоты газ получил в процессе a – b – c.

Согласно первому закону термодинамики:

Q = A_г + ∆U,      (6)

где A_г и ∆U – работа газа и изменение его внутренней энергии в процессе a – b – c.

? 5. Чему равна работа газа Aг в процессе a – b – c?
Подсказка. Воспользуйтесь тем, что работа газа численно равна площади фигуры под графиком зависимости p(V).

Для нахождения изменения внутренней энергии газа воспользуемся формулой (§ 42):

U = (3/2)pV.

В состоянии с произведение давления газа на его объем равно 2p₀ * 2V₀ = 4p₀V₀, а в состоянии a это произведение равно p₀V₀. Следовательно,

∆U = 3/2 (4p₀V₀ – p₀V₀) = 9/2 p₀V₀.     (7)

? 6. Чему равно количество теплоты Q, полученное газом от нагревателя за один цикл?
Подсказка. Воспользуйтесь формулой (6), результатом задания 4 и формулой (7).

Для нахождения КПД осталось найти полезную работу газа за один цикл.

? 7. Чему равна полезная работа газа за один цикл?
Подсказка. Воспользуйтесь тем, что полезная работа численно равна площади, заключенной внутри цикла в координатах (p, V).

Теперь можно найти КПД данного цикла.

? 8. Чему равен КПД данного цикла?
Подсказка. Воспользуйтесь результатами заданий 5–7.

4. Второй закон термодинамики

Обратимые и необратимые процессы и явления Среди происходящих вокруг нас явлений есть такие, которые могут протекать практически одинаково как в прямом, так и в обратном направлении во времени – как в фильме, который показывают в обратном порядке, от конца к началу. Такие явления называют обратимыми.

Явления же, которые могут протекать только в одном направлении, называют необратимыми.

Практически обратимыми являются механические явления, в которых очень мала роль трения: например, колебания груза на нити или на пружине.

Если заснять их, а затем показывать фильм в обратном порядке, зрители не заметят «обращения времени»: им будет казаться, что они наблюдают реальный процесс.

Однако те механические явления, в которых трение играет существенную роль, являются необратимыми: если показывать фильм о таких явлениях в обратном порядке, зрители сразу же это заметят.

Например, при прямом показе фильма катящийся по траве мяч замедляется и останавливается, а при обратном показе лежащий на траве мяч вдруг ни с того ни с сего начинает катиться, причем с возрастающей скоростью.

Среди тепловых явлений также есть обратимые и необратимые. Например, при адиабатном сжатии и расширении газа (то есть при отсутствии теплопередачи) газ ведет себя подобно пружине: если надавить на поршень, под которым находится газ в теплоизолированном цилиндрическом сосуде, а затем отпустить поршень, то он начнет совершать колебания – как груз на пружине.

Однако те тепловые явления, в которых существенную роль играет теплопередача, нельзя рассматривать как обратимые даже приближенно, так как теплопередача направлена всегда в одну сторону – от горячего тела к холодному.

Поскольку трение или теплопередача в той или иной степени присутствуют в любом процессе, все происходящие в природе процессы являются необратимыми. Например, колебания груза, подвешенного на нити или на пружине, могут продолжаться довольно долго, но постепенно они затухают и в конце концов прекращаются.

Второй закон термодинамики

Необратимость процессов обусловлена тем, что более упорядоченное состояние вещества со временем переходит в менее упорядоченное. (Закономерность такого перехода обосновывается с помощью теории вероятностей, но это обоснование выходит за рамки нашего курса. )

Например, вследствие трения кинетическая энергия тела, движущегося как единое целое, превращается в энергию хаотического движения молекул. При теплопередаче упорядоченность также уменьшается: у тел с разной температурой молекулы «рассортированы» по энергиям (средняя энергия молекул одного тела больше средней энергии молекул другого тела), а после выравнивания температур средние энергии молекул обоих тел становятся одинаковыми.

Утверждение о необратимости процессов в природе называют вторым законом термодинамики. Есть несколько равноценных с физической точки зрения формулировок этого закона. Например, немецкий ученый Р. Клаузиус предложил такую формулировку:
невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача некоторого количества теплоты от холодного тела к горячему.

В этой формулировке речь идет о передаче некоторого количества теплоты как единственном результате. Домашний холодильник осуществляет передачу тепла в обратном направлении – от холодных продуктов в морозильной камере к теплому окружающему воздуху, но при этом электродвигатель холодильника потребляет электроэнергию, которая вырабатывается на электростанции. Выработка же электроэнергии сопровождается необратимыми процессами. Поэтому охлаждение продуктов в морозильной камере – не единственный результат всего процесса.

5. Энергетический и экологический кризисы

Энергетический кризис понимают как недостаток энергии для развития промышленного производства. Он является сегодня одной из острых проблем цивилизации. Но как согласовать энергетический кризис с законом сохранения энергии: ведь если энергия сохраняется, то как ее может не хватать?
Дело в том, что энергетический кризис состоит прежде всего в недостатке энергии, пригодной для преобразования в механическую. Например, мы видели, что при работе тепловых двигателей происходит преобразование химической энергии топлива в механическую энергию, которая затем превращается в энергию хаотического движения частиц. Это преобразование энергии является необратимым.

Запасы топлива на нашей планете неуклонно уменьшаются: например, разведанных запасов нефти при нынешнем темпе ее использования хватит всего на несколько десятилетий. Таким образом, энергетический кризис является следствием необратимости процессов, происходящих в природе и технике.

Не менее серьезной проблемой, стоящей перед человечеством, является экологический кризис.

Огромные масштабы преобразования энергии уже начали оказывать воздействие на климат Земли и состав атмосферы.

Во всех тепловых двигателях в качестве холодильника используется окружающая среда (атмосферный воздух и вода открытых водоемов). В результате происходит повышение температуры окружающей среды, называемое тепловым загрязнением (рис. 43.6).

Оно усугубляется тем, что при сгорании огромного количества топлива повышается концентрация углекислого газа в земной атмосфере. В результате атмосфера не пропускает в космическое пространство тепловое излучение нагретой Солнцем поверхности Земли. Из-за этого возникает так называемый парниковый эффект, вследствие которого температура может повыситься еще больше.

Ученые установили, что средняя температура на Земле в течение последних десятилетий неуклонно повышается. Одной из причин этого может быть работа большого и все возрастающего количества тепловых двигателей – в основном на электростанциях и в автомобилях. Это грозит глобальным потеплением с весьма нежелательными последствиями. К их числу относятся таяние ледников и подъем уровня мирового океана.

Кроме того, при сжигании топлива в тепловых двигателях расходуется необходимый для жизни атмосферный кислород, а также образуются вредные вещества, загрязняющие атмосферу. Качество воздуха в больших городах оставляет желать лучшего.

Чтобы смягчить негативные последствия работы тепловых двигателей, стараются максимально повысить их КПД и уменьшить выбросы вредных веществ.

Неделя литовской культуры-2015

Дни литовской культуры проходят в гимназии с 2003 года, и это стало доброй традицией. За это время реализован не один образовательный проект, гимназия принимала видных деятелей культуры, искусства и литературы Литвы.

Гостями церемонии открытия Недели стали заместитель председателя ассоциации учителей литовского языка в Калининградской области Альгирдас Кормилавичус, фольклорный коллектив «Рутяле» (г. Гурьевск) под руководством Ирены Тирюбы, фольклорный коллектив (художественный руководитель Ирма Куркова) из пос. Переславское «Куполите». Ирена Тирюба рассказала о народных литовских инструментах и особенностях национального костюма.

В рамках реализации гимназического проекта «Неделя литовской культуры» состоялась открытая лекция Б.Н. Адамова для учащихся гимназии. Борис Николаевич Адамов — член правления и один из организаторов Калининградского клуба краеведов, автор книги «Кристионас Донелайтис. Время. Люди. Память». В лекции об известных литовцах Кёнигсберга он особое внимание уделил Людвигу Резе – литовскому поэту, критику, переводчику, профессору и ректору Кёнигсбергского университета.

Тренер баскетбольной команды БФУ им.И. Канта Гедиминас Мелунас провел мастер-класс для баскетбольной команды 5«А» класса. Ребятам были показаны новые техники и приемы игры в баскетбол, которые многому  их научили. Время пролетело очень быстро, но тренер обещал встретиться еще раз.

Учащиеся 10-х классов, слушатели Школы юного дипломата, совершили визит в Генеральное консульство Республики Литва. Это событие стало частью программы Дней литовской культуры в гимназии № 40. Учащихся встречали Генеральный консул господин Витаутас Умбрасас и атташе по культуре господин Романас Сенапедис, которые очень тепло и радушно отнеслись к гостям. На встрече обсуждались такие вопросы, как путь дипломата в профессию. Другой интересующей всех участников темой был вопрос молодежного международного сотрудничества. Учащиеся поделились своим впечатлениями от проектов с литовскими школами и гимназиями. Другим вопросом обсуждения стала деятельность консульства в сфере обмена культур на территории Калининградской области.  

10-я юбилейная Неделя Литовской культуры в гимназии № 40 завершилась 20 февраля 2015 г. Почетными гостями церемонии стали руководитель представительства МИД России в Калининграде Павел Анатольевич Мамонтов, Витаутас УМБРАСАС, министр-советник, исполняющий обязанности генерального консула Литовской Республики, заместитель председателя ассоциации учителей литовского языка в Калининградской области Альгирдас Кормилавичус, руководитель общественной кафедры «Образование и дипломатия» гимназии №40, главный специалист-эксперт Представительства МИД России в Калининграде Юлия Изидоровна Матюшина. Были подведены итоги Недели, награждены участники и победители различных конкурсов. В конкурсе чтецов «По следам  литовских поэтов» среди учащихся 5-11 классов победителями стали Булаев Дмитрий, ученик 6«С» класса, Балесная Мария, ученица 7«Б» класса, Даудова Деши, читавшая стихотворения на литовском языке. В фотоконкурсе «Путешествие по Литве» победителем конкурса стала творческая группа 8«О» класса (Волошина Тамара, Громазина Арина, Рубцова Лариса Владимировна). Дипломы победителям вручали руководитель представительства МИД России в Калининграде Павел Анатольевич Мамонтов и Витаутас Умбрасас, министр-советник, исполняющий обязанности генерального консула Литовской Республики. Ярким украшением Церемонии закрытия стало выступление народного коллектива лицея № 35 «Жюгелис (žiogelis)» (руководитель Альгирдас Кормилавичус) и музыкального коллектива гимназии № 40 «Канцона» (руководитель Н.В. Литвинова).

Список альбомов пуст.

Принцип действия и КПД тепловых двигателей (с видеофильмами и презентацией)

Физика. 10 класс.

Тема урока: «Принцип действия и КПД тепловых двигателей» (с видеофильмами и презентацией).

Д/З: § 82, задания А1-А2 стр.248.

Цель урока: формировать знания о тепловых машинах, их устройстве и основных видах, физических процессах при их работе.

Тип урока: усвоение новых знаний

Оборудование:

1. Модели двигателя внутреннего сгорания, паровой турбины, реактивного двигателя.
2. Действие модели двигателя внутреннего сгорания.
3. Таблица «Цикл Карно»
4. Опорный конспект по теме урока (№3).
5. Видеоролики «Принцип действия дизеля», «Принцип действия реактивного двигателч», 6. Презентация «Тепловые двигатели»

Цели:

Учебные:

— дать понятие тепловых двигателей, их принципов работы;

— вывести формулу для расчета КПД 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:

— формировать экологическую культуру и активную жизненную позицию.

— воспитывать сознательное отношение к учебе и заинтересованность в изучении физики;

Развивающие:

— развивать активность учащихся, умение анализировать полученную информацию,

сравнивать, делать выводы и обобщать;  

— развивать речь, совершенствовать интеллектуальные способности; решать

тренировочные задачи.

Ход урока

1. Организационный этап – 1 мин.

2. Актуализация опорных знаний – 5 мин.

— Сведения из истории создания тепловых двигателей.
3. Формирование темы, цели и задач урока – 2 мин.

4. Мотивация учебной деятельности – 3 мин.

5. Изучение нового материала, его восприятие и осмысление – 20 мин.

— Основные элементы теплового двигателя (рабочее тело, нагреватель, холодильник).
— Замкнутый цикл теплового двигателя, его КПД.
— Цикл Карно идеального теплового двигателя.
— Воздействие тепловых двигателей на окружающую среду.
6. Применение полученных знаний (по опорному конспекту) – 11 мин.

— Закрепление нового материала по опорному конспекту.
— Решение задач (заполнение разработанных к уроку дидактических таблиц).

7. Подведение итогов, сообщение домашнего задания – 3 мин.

Первый универсальный тепловой двигатель (паровую машину) создал в 1774 году выдающийся английский изобретатель Джеймс Уатт. Этому, правда, предшествовало изобретение паровой машины русским механиком И.И. Ползуновым, однако, его машина после нескольких месяцев работы была остановлена, а потом и вообще разобрана, в результате чего дело Ползунова на десятки лет было предано забвению. Машина Уатта получила широкое распространение и сыграла огромную роль в переходе к машинному производству. Позже, желая увековечить имя английского изобретателя, было решено назвать единицу мощности – ваттом.

Изобретение паровой машины способствовало созданию паровозов, пароходов и первых (паровых) автомобилей. Первые паровозы были созданы в Англии Р. Тревитиком (1803 г.) и Дж. Стефенсоном (1814г.). Изобретателем парохода считается американец Р. Фултон. Свои первые испытания он проводил на реке Сене в Париже. Однако, когда он в 1804 г. обратился к Наполеону Бонапарту с предложением перевести французские корабли на использование паровой тяги, то, как оно ни странно, получил отказ. А ведь какие возможности в борьбе с английским флотом открывало предложение Фултона, если бы Наполеон принял его предложение! Однако этот шанс французским императором был упущен. Через некоторое время Фултон вернулся на родину, и в 1807 г. по реке Гудзон отправился в свой первый рейс пароход «Клермонт».

По мере развития и внедрения в практику тепловых машин возникла необходимость в создании такой теории, которая объясняла бы принципы их действия. Итак: тепловыми двигателями называют устройства, совершающие механическую работу за счет использования внутренней энергии топлива. К ним относятся: паровая машина, паровая и газовая турбины, двигатель внутреннего сгорания, двигатель Дизеля, реактивный двигатель и др.

Работа любого теплового двигателя состоит из повторяющихся циклов, каждый из которых включает в себя получение рабочим телом энергии от нагревателя, расширение рабочего тела и совершение им работы, передачу неиспользованной части энергии холодильнику и возвращение рабочего тела в исходное состояние.

Работа, совершаемая рабочим телом за один полный цикл, складывается из работы, совершенной им при расширении, и работы, совершенной им при сжатии: А=А_расш+А_сж. Учитывая, что при сжатии газ совершает отрицательную работу, последнее равенство можно переписать так: А=А_расш — А_сж .

Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента:

— рабочее тело, т.е. тело, которое в тепловом двигателе совершает работу;

— нагреватель, т.е. устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет затем на совершение работы;

— холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела: холодильником могут служить окружающая среда (атмосфера) или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара (конденсаторы).

Работа любого теплового двигателя состоит из повторяющихся циклов, каждый из которых включает в себя получение рабочим телом энергии от нагревателя, расширение рабочего тела и совершение им работы, передачи неиспользованной части энергии холодильнику и возвращение рабочего тела в исходное состояние.

Далее на основе просмотра видеофильмов «Принцип действия дизеля» Приложение 1, «Принцип действия реактивного двигателя» Приложение 2, и работы с моделями паровой и газовой турбин, двигателя внутреннего сгорания разбираем следующие вопросы:

1) Замкнутый цикл паровой и газовой турбины.
2) Замкнутый цикл работы двигателя внутреннего сгорания.
3) Что является нагревателем, холодильником и рабочим телом каждой тепловой машины?

Далее вводим понятия коэффициента полезного действия теплового двигателя. В процессе действия теплового двигателя его рабочее тело периодически получает от нагревателя количество теплоты Q₁, совершает работу А и передает холодильнику количество теплоты Q₂. Отсюда: коэффициентом полезного действия теплового двигателя называется отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, получаемой от нагревателя.

Так как А=Q₁— Q₂ и КПД измеряется в процентах (%), то формула имеет вид:

После всей этой работы всем классом начинаем заполнять таблицу —

Приложение 4, используя данные, включая Приложения 3 (Приложения находятся у каждого ученика)

В усовершенствование работы тепловых двигателей большой вклад внес французский ученый С. Карно: Из его работы следует, что максимальный коэффициент полезного действия теплового двигателя определяется по температурам нагревателя и холодильника.

 отсюда η_мах ≥ η < 1 или < 100%

Цикл работы теплового двигателя по С. Карно заключается в следующем:

Охлаждение газа после его изотермического расширения 1-2, при котором газу сообщалось количество теплоты Q₁, достигается адиабатным расширением (2-3), при котором газ совершает работу за счет своей внутренней энергии, в результате его температура и давление уменьшаются соответственно до Т₂, Р₃(3-4). Затем газ изотермически сжимают, отбирая от него с помощью холодильника некоторое количество теплоты Q₂ и, наконец, возвращают в исходное состояние, сжимая по адиабате (4-1).

Для повышения КПД тепловых двигателей следует понижать температуру холодильника Т₂ и увеличивать температуру нагревателя Т₁. Но первому из этих путей мешает то, что температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха, а второму пути – то, что любой материал обладает ограниченной теплостойкостью и жаропрочностью. Поэтому на практике КПД тепловых двигателей повышают за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д.

Широкое использование тепловых двигателей в энергетике и транспорте не проходит бесследно для окружающей среды: постепенно уменьшается содержание кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, воздух загрязняется вредными для здоровья человека химическими соединениями. Возникает угроза изменения климата. Поэтому нахождение путей уменьшения загрязнения окружающей среды является сегодня одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.

Для закрепления материала идет работа с презентацией Приложение № 3.

Затем ученикам предоставляется возможность применить полученные знания на практике (решение задач – заполнение дидактических таблиц).

Учащимся выдаются дидактические таблицы (у каждого свой вариант), которые они должны заполнить. Например: Вариант 1. Строчка 1. В строке № 1 известны следующие величины (А₁,Т₂,k), неизвестны (Q₁,Q₂,Т₁). Опираясь на полученные знания, учащийся должен найти эти неизвестные и записать их в таблицу. Так заполняется все пять строчек таблицы.

Выписываем известные нам формулы:

Из этих формул выражаем наши неизвестные величины:

Q₁ из (4) Q₁ = А х 100%
                         η

Q₂ из (3) Q₂ = Q₁ – А

Т₁ из (2) Т₁ = Т_{2________}
                                    1 – η 
                                        100%

Проводим расчеты:

Q₁ = 200Дж х 100% ≈ 667Дж
                30%

Q₂ = 667 Дж – 200 Дж = 467Дж

Т₁ = 300К = 300 = 428,6К
       1- 0,3     0,7

Заносим эти значения в таблицу и заполняем следующие строчки. Когда работа закончена, рабочие тетради сдаются для проверки.

Подведение итогов урока,

сообщение домашнего задания: § 82, задания А1-А3 стр. 273

Литература:

1. Физика. 10 класс: учебник для общеобразовательных организаций/ Г.Я. Мякишев и др. — М.: Просвещение, 2014.

2. Учебно-методические комплексы (УМК) предметной линии «Архимед» по физике для 11 класса (базовый уровень) Г.Я. Мякишева и др. (под редакцией Парфентьевой Н.А.)

3. Методические рекомендации об особенностях преподавания физики в

общеобразовательных организациях Республики Крым в 2016-2017 учебном году. КРИППО г. Симферополь.

Урок по физике в 10-м классе «Тепловые двигатели»

Цель урока:

формировать понятия: тепловой двигатель, КПД теплового двигателя, КПД идеальной тепловой машины;

развивать умение решать задачи;

воспитывать бережное отношение к природе

Тип урока: изучение нового материала.

Оборудование: ноутбук, мультимедийный проектор, презентация (Приложение 1), модель ДВС, таблица.

Ожидаемый результат: усвоение понятия тепловой двигатель; принцип действия теплового двигателя; разновидность тепловых машин; практическое применение их.

Ход урока

1. Организационный момент

2. Актуализация знаний

В одно мгновенье видеть вечность,
Огромный мир — в зерне песка,
В единой горсти — бесконечность,
И небо — в чашечке цветка!
И.А.Бунин

• Фронтальный опрос

-Как определить изменение внутренней энергии согласно первого закона термодинамики.

-На что расходуется количество теплоты, переданное системе.

-Дайте формулировку первого закона термодинамики.

Заселите формулами остров «Термодинамика».

Опишите характер теплообмена газа в каждом процессе, составляющем замкнутый цикл

Решите задачи (по вариантам):

1. При изотермическом сжатии газ передал окружающим телам теплоту 800 Дж. Какую работу совершил газ? Какую работу совершили внешние силы?
2. При адиабатном процессе газом была совершена работа 150 Дж. Как и насколько изменилась его внутренняя энергия?

3. Изучение нового материала.

Развитие техники зависит от умения использовать громадные запасы внутренней энергии. Использовать эту энергию- это значит совершать за счет ее полезную работу. Рассмотрим источники, которые совершают работу за счет внутренней энергии. Учащиеся самостоятельно формулируют тему и определят основные задачи урока.

Учащиеся записывают в тетради тему урока «Тепловые двигатели»

Тепловой двигатель – устройство, превращающее внутреннею энергию топлива в механическую. Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. Работа любого теплового двигателя циклична.

Каждый цикл состоит из разных процессов:

— получение энергии от нагревателя;
— рабочего хода;
— передача неиспользуемой части энергии холодильнику.

Наличие нагревателя, рабочего тела, холодильника – принципиально

необходимое условие для непрерывной циклической работы любого теплового двигателя.

КПД замкнутого цикла

    

Q₁ – количество теплоты полученное от нагревания Q₁>Q₂

Q₂ — количество теплоты отданное холодильнику Q ₂1

A’ ⁼ Q ₁— |Q ₂| — работа совершаемая двигателем за цикл η < 1

Цикл C. Карно

T₁ – температура нагревания

Т₂ – температура холодильника

4. Закрепление материала

1. Какие машины называются тепловыми?
2. Назовите основные элементы теплового двигателя и их назначение.
3. Что называют кпд теплового двигателя?
4. Назовите какие виды тепловых машин вам известны?

Учащиеся решают задачи.

1 уровень. Чему равен КПД идеального теплового двигателя, если температура нагревателя 4550 С, а температура холодильника 2730 С?

2 уровень. Тепловой двигатель совершает работу за цикл 100 Дж. Какое количество теплоты получено при этом от нагревателя, если КПД двигателя 20%?

3 уровень. Двигатель получает от нагревателя каждую секунду 7200 Дж теплоты и отдает в холодильник 6400 Дж. Определите КПД.

На рабочем столе компьютера учащиеся открывают папку «Проверь себя»и о листок самоконтроля с тестовым заданием.

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. КПД теплового двигателя всегда :

а) больше1;
б) равен 1;
в) меньше 1.

5. При каком замкнутом процессе тепловой двигатель имеет максимальный КПД:

а) состоящий из двух изотерм и двух изобар:
б) состоящий из двух изохор и двух изобар:
в) состоящий из двух изотерм и двух адиабат.

5. Подведение итогов урока. Выставление оценок учащимся.

Домашнее задание. ξ 58, стр. 282-283 I уровень: задача 2, 3. II, III уровень: задача 4, 5

Урок-интервью «Тепловые двигатели. КПД тепловых двигатели», 8 класс

Авторский урок «Тепловые двигатели»

Авторский урок «Тепловые двигатели» Выборных Ирина Валентиновна, учитель физики. Цель урока: 1. Сформировать у обучающихся следующие понятия: тепловой двигатель, КПД теплового двигателя, КПД идеальной

Подробнее

Автор: учитель физики Харченко В.В.

Автор: учитель физики Харченко В.В. 1. Беспорядочное движение частиц, из которых состоит тело, называется 2. Энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело, называется 3. Перечислите

Подробнее

Тепловые двигатели (2 часа) ЦЕЛЬ УРОКА:

Тепловые двигатели (2 часа) ЦЕЛЬ УРОКА: 1. Раскрыть физические принципы действия тепловых двигателей, ознакомить обучающихся с различными видами тепловых двигателей, с историей их изобретения, показать

Подробнее

Изменения агрегатных состояний вещества

Материалы для сайта по физике 8 класс (8.). Учитель: Куприкова Светлана Александровна Тема Знать Уметь Знать: определение испарения и конденсации, факторы, влияющие на процесс испарения, что данные процессы

Подробнее

ТЕМА.

ТЕМА Лекция 8. Работа газа в циклическом процессе. Тепловые двигатели. Цикл Карно. Матрончик Алексей Юрьевич кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики НИЯУ МИФИ, эксперт ГИА-11 по

Подробнее

Тема 8 Второе начало термодинамики

Тема 8 Второе начало термодинамики. Тепловые машины. Цикл Карно.. Теоремы Карно. К.п.д. цикла Карно.. Различные формулировки второго начала термодинамики.. еосуществимость вечных двигателей.. Тепловые

Подробнее

Технологическая карта урока

Технологическая карта урока Предмет «физика» Класс 7 Урок 4 в теме «Действие жидкости и газа на погруженное в них тело» Тема урока Плавание тел. Цель изучения темы: познакомить учеников с причинами и условиями

Подробнее

ИТТ Вариант 1 ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

ИТТ- 10.5.1 Вариант 1 ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ 1. Тело, состоящее из атомов или молекул, обладает: 1) Кинетической энергией беспорядочного теплового движения частиц. 2) Потенциальной энергией взаимодействия

Подробнее

Осипов М. 10 «4» класс

Осипов М. 10 «4» класс Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе

Подробнее

Занятие 8. Термодинамика

Занятие 8. Термодинамика Вариант 4… Как изменяется внутренняя энергия идеального газа при повышении его температуры?. Увеличивается. Уменьшается. Не изменяется 4. Это не связанные величины 4… Давление

Подробнее

Учитель: Горшкова Л.А. МБОУ СОШ 44 г. Сургут

Учитель: Горшкова Л.А. МБОУ СОШ 44 г. Сургут Цель: повторение основных понятий, законов и формул ТЕРМОДИНАМИКИ в соответствии с кодификатором ЕГЭ 1. Тепловое равновесие и температура. 2. Внутренняя энергия.

Подробнее

Промежуточная аттестация 10 класс

МОУ СОШ 5 имени 63-го Угличского пехотного полка Промежуточная аттестация 10 класс Составитель: учитель физики Камкова А.Ю. 1.Вид и цель работы: промежуточная аттестация с целью выявления уровня усвоения

Подробнее

/ /11

Вариант 3580291 1. Задание 9 7729 Идеальный газ медленно переводят из состояния 1 в состояние 3. Процесс 1 2 3 представлен на графике зависимости давления газа p от его объёма V (см. рисунок). Считая,

Подробнее

Основные законы и формулы

2.3. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ Основные законы и формулы Термодинамика исследует тепловые свойства газов, жидкостей и твёрдых тел. Физическая система в термодинамике (её обычно называют термодинамической) представляет

Подробнее

Тема урока: «Плавления и отвердевания тел»

ФИЗИКА 8 класс Тема урока: «Плавления и отвердевания тел» Цели урока: Предметные: обеспечить закрепление основных понятий и применение знаний и способов действий по теме; организовать деятельность по самостоятельному

Подробнее

ЦИКЛИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ. ТЕПЛОВАЯ МАШИНА

Сегодня среда, 9 июля 04 г. ЦИКЛИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ. ТЕПЛОВАЯ МАШИНА Лекция 5 Содержание лекции: *Прямой цикл. Тепловая машина *Коэффициент полезного действия тепловой машины *Цикл Карно. Теоремы Карно *Обратный

Подробнее

Тема: Тепловые машины. Энтропия

Тема: Тепловые машины Энтропия Основные понятия и определения Самопроизвольным называется процесс, происходящий без воздействия внешних сил В природе существует два вида термодинамических процессов: атимые

Подробнее

Демонстрационный вариант 1

Тестовые задания на экзамене по курсу «Физика. Механика. Термодинамика» Демонстрационный вариант 1 1. Материальная точка движется вдоль оси x. Закон движения точки имеет вид x ( t ) = At, где A постоянная.

Подробнее

Задания А10 по физике

Задания А10 по физике 1. На pv диаграмме изображен циклический процесс 1 2 3 4 1, совершаемый над идеальным газом. На участке 1 2 газ обменивается с окружающими телами количеством теплоты 1245 Дж, а на

Подробнее

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА «ФИЗИКА»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа 1» Рассмотрено на заседании МО Прот. от Согласовано: Зам. директора по УВР Сапельникова Н.Н. Утверждаю Приказ от

Подробнее

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Рабочая программа по физике для 8 класса составлена в соответствии с федеральным компонентом Государственного стандарта общего образования на основе Программы для общеобразовательных

Подробнее

ПОДГОТОВКА К ЕГЭ по ФИЗИКЕ

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» ПОДГОТОВКА К ЕГЭ по ФИЗИКЕ Лекция 8. Внутренняя энергия газа. Первый закон термодинамики. Работа газа в циклическом процессе. Тепловые двигатели

Подробнее

Тематическое планирование

Пояснительная записка Рабочая программа по физике в 8 классе составлена на основе следующих нормативных документов: -приказ Минобразования России от 05.03.2004 1089 «Об утверждении федерального компонента

Подробнее

Решение задач на КПД цикла

Решение задач на КПД цикла КПД теплового двигателя, рабочий цикл которого задан графически, можно найти несколькими способами Перечислим формулы и факты, которые надо знать для решения задач этого раздела

Подробнее

Пояснительная записка

Пояснительная записка Рабочая программа по физике для учащихся 8 класса составлена на основе: федерального закона «Об образовании в Российской Федерации», федерального компонента государственного образовательного

Подробнее

Пояснительная записка

1 Пояснительная записка Рабочая программа по физике для 7 класса составлена на основе «Примерной программы основного общего образования по физике. 7-9 классы» под редакцией В. А. Орлова, О. Ф. Кабардина,

Подробнее

Какие части и компоненты теплового двигателя?

В этом разделе мы описываем различные части теплового двигателя. Тепловые двигатели бывают разных типов, но мы остановимся на дизельном и бензиновом двигателях (цикл Отто).

Несмотря на то, что двигатели разные, они имеют много общих частей, поэтому представленная схема будет служить для обозначения номенклатуры каждого элемента.

Наиболее важные элементы двигателей внутреннего сгорания, общие для дизельных двигателей и двигателей внутреннего сгорания, подразделяются на две основные группы:

1.- Скамейка.
2.- Цилиндр.
3.- Поддон, маслобак
4.- Коленвал.
5.- Шатун
6.- Штифт поршня
7.- Поршень.
8.- Компрессионные кольца
9.- Коленчатый вал
10.- Свеча зажигания.
11.- Пружина клапана
12.- Распределительный вал
13.- Коромысло
14.- Выпускной клапан
15.- Всасывающий клапан
16.- Головка клапана

Цилиндр представляет собой резервуар цилиндрической формы, в котором движется поршень. с альтернативным прямолинейным движением.Цилиндр является частью блока цилиндров или моноблока, как его раньше называли. Это, в свою очередь, является частью станины, которую мы можем рассматривать в качестве основной структуры двигателя. Во многих случаях блок цилиндров отделяется от станины, к которой он крепится болтами.

Верхняя часть цилиндра закрывается головкой блока цилиндров.

Объем цилиндра между головкой блока цилиндров и поршнем представляет собой камеру сгорания, в которой сгорает смесь воздуха и топлива, то есть активная жидкость.

Что такое неподвижные элементы теплового двигателя?

Блок двигателя

Блок — это элемент, который содержит цилиндры. Внутри блока цилиндров находятся приводные элементы (поршни, шатуны и коленчатый вал), которые служат опорой или скамьей. Обычно он изготавливается из серого чугуна (сплав железа с содержанием углерода от 2 до 4,5%) или алюминиевого сплава. Форма и размеры зависят от количества и расположения цилиндров.

Снаружи блока закреплены остальные конструктивные элементы теплового двигателя: головка блока цилиндров вверху и картер внизу.На одном конце расположены элементы управления распределительными и вспомогательными органами двигателя, такие как генератор переменного тока, компрессор кондиционера и т. Д., А на противоположном конце — коробка передач.

В блоке также есть элементы для крепления двигателя к шасси, опоры, которые имеют упругие элементы для поглощения вибраций двигателя, предотвращая их передачу на кузов.

Цилиндры двигателя

Цилиндры — самая важная часть блока.Внутри цилиндра поршень перемещается между крайними положениями (PMS верхней мертвой точки и PMI нижней мертвой точки), которые он занимает во время своего возвратно-поступательного движения.

В случае бензинового двигателя (цикл Отто) наличие свечи зажигания обязательно. В этом случае свеча зажигания будет отвечать за создание искры внутри цилиндра, чтобы начать воспламенение топлива, в данном случае бензина.

В соответствии с процедурой, используемой для получения цилиндров, мы различаем три типа блоков:

• Интегральный блок: Цилиндры обрабатываются на материале одного и того же блока.
• Блок сухой гильзы: в этом случае тонкостенный цилиндр или гильза устанавливается в каждое отверстие в блоке. Эти вкладыши запрессовываются в контакт со стенкой блока, так что их можно охлаждать.
• Блок мокрой гильзы: Гильзы имеют толстые стенки и находятся в прямом контакте с охлаждающей жидкостью, которая составляет истинный цилиндр. Они легко снимаются и снабжены уплотнительными прокладками, предотвращающими попадание жидкости к почтальону.

Двигатель Головка блока цилиндров

Головка блока цилиндров фиксируется винтами или шпильками на верхней плоскости блока.Головка блока цилиндров служит водонепроницаемой крышкой для цилиндров, поскольку в ней находится вся или часть камеры сгорания, за исключением случая, когда она образована в головке поршня.

В 4-тактном двигателе, среди прочего, установлены клапаны с механизмами их приведения в действие; элементы зажигания и впрыска, впускной и выпускной коллекторы и т. д. В головке блока цилиндров обрабатываются также камеры охлаждающей жидкости.

Головки цилиндров обычно изготавливаются из алюминиевого сплава, материала с низким удельным весом и хорошей теплопроводностью, что позволяет быстро отводить тепло.Головки блока цилиндров для 2-тактного двигателя (мотоциклы с малым цилиндром) проще, так как у них нет распределения, и многие имеют воздушное охлаждение.

Чтобы обеспечить идеальное уплотнение между головкой блока цилиндров и блоком цилиндров, а также с учетом того, что он должен выдерживать высокие давления и температуры, между двумя элементами из синтетических волокон сделана прокладка, называемая прокладкой головки блока цилиндров. асбест, очень вредный для здоровья.

Поддон

Картер — это емкость, в которой находится смазочное масло от теплового двигателя.Он крепится к нижней части блока с помощью винтов и с помощью прокладки для облегчения герметизации. Обычно он изготавливается из листовой стали, хотя он также может быть изготовлен из алюминиевого сплава из-за хорошей теплопроводности этого металла и снижения уровня шума двигателя.

Внутри картера есть перегородки, останавливающие движение масла во время движения автомобиля. Внизу добавлена ​​навинчивающаяся крышка для слива масла.

Что такое движущиеся элементы теплового двигателя?

Поршень

Поршень — это подвижный элемент, который перемещается внутри цилиндра с альтернативным прямолинейным движением.Это движение создается в момент взрыва за счет силы газов, а в другое время — за счет шатуна. Он состоит из двух частей: головы и юбки. Головка принимает давление, вызванное взрывом, и работает при очень высоких температурах (от 300 ºC до 400 ºC). Он имеет канавки, в которых размещаются сегменты, обеспечивающие уплотнение. Обычно он изготавливается из алюминия со сплавами меди, кремния и никеля для его упрочнения.

Поршень прикреплен к шатуну с помощью болта, что обеспечивает колебательное движение между двумя элементами.Болт изготовлен из цементированной стали, материала большой твердости и прочности, и имеет форму полого цилиндра, чтобы облегчить его вес и, следовательно, уменьшить инерцию.

Сегменты

Это упругие кольца, расположенные переменным числом на канавках, выполненных в головке поршня.

Они выполняют следующие функции:

• Обеспечивают герметичность и смазку цилиндра.
• Отвести тепло в цилиндр.
• Не допускать попадания масла в камеру сгорания.

Есть два типа: сжатие и ontaje.

Компрессионные сегменты: обычно монтируются два, противопожарный и герметизирующий:

• Противопожарный сегмент: он устанавливается на самой высокой части головки поршня и подвергается очень суровым рабочим условиям из-за давления и высоких температур. которому он подвергается. Для повышения стойкости его обычно покрывают хромом.
• Водонепроницаемый сегмент: расположен после пожарного сегмента и обычно имеет коническую форму.Самый большой сегмент внизу. Он подвергается менее суровым условиям, чем пожарный сегмент.

Сегмент мази: он расположен после сегмента уплотнения и имеет на периферии серию из

пазов, которые позволяют собирать масло, осевшее на стенках цилиндра во время смещения

Из поршня и направлять его в поршень, чтобы смазать болт.

Белый

Шатун передает коленчатому валу силу, с которой взрыв газов толкает поршень.В то же время он является частью комплекта, который преобразует альтернативное линейное движение во вращательное. Обычно он изготавливается из сплава углеродистой стали с хромом, марганцем или молибденом.

Состоит из трех частей: головы, туловища и ступни. Головка — это часть, которая прикрепляется к коленчатому валу через промежуточные полуподшипники шатуна, также называемая антифрикционной. Кузов имеет двойной Т- или Н-образный профиль; и он подвергается большим напряжениям растяжения, сжатия и изгиба, а верхняя часть, называемая опорой шатуна, составляет соединение с поршнем через болт и с вставкой из бронзового подшипника.

Коленчатый вал

Коленчатый вал собирает силы, возникающие при взрыве, и через шатун преобразует возвратно-поступательное линейное движение поршня во вращательное движение. Он передает движение и движущую силу связанным с ним элементам трансмиссии. Он подвергается скручивающим и изгибающим нагрузкам и имеет прочную и очень прочную конструкцию. Коленчатые валы, которые могут быть получены путем литья или ковки, изготавливаются из стали со сплавами Cr, Ni, Mo и т. Д.

Коленчатый вал состоит из опор, обычно пяти для рядного четырехцилиндрового двигателя, которые прикреплены к станине блока. У него также есть отводы, называемые цапфами, на которых крепятся шатуны. В удлинении каждого колена расположены противовесы, которые служат для балансировки коленчатого вала. На одном конце коленчатого вала установлена ​​зубчатая шестерня, а на другом — маховик.

Маховик

Маховик имеет функцию хранения кинетической энергии для сглаживания и регулирования вращения теплового двигателя.Эта энергия накапливает ее во время движения (взрыв) и передает ее в пассивное или устойчивое время (впуск, сжатие и выпуск).

Маховик изготовлен из серого чугуна, а по периметру — дверь с прижимом, зубчатый венец из штампованной и цементированной стали, на котором установлен электродвигатель стартера автомобиля. Его вес и габариты идеально рассчитаны для каждого типа двигателя.

Тепловой двигатель и двигатель Карно | Примечания, видео, контроль качества и тесты | 11 класс> Физика> Второй закон термодинамики

Тепловой двигатель и двигатель Карно

Тепловой двигатель

Любое устройство, непрерывно преобразующее тепловую энергию в механическую работу, называется тепловой машиной.Основными частями тепловых двигателей являются:

1. Источник: Источником является горячее тело с постоянной высокой температурой, от которого тепловая машина может отбирать тепло.
2. Раковина: Раковина — это холодное тело с постоянной низкой температурой, от которого может быть отведено любое количество тепла.
3. Рабочее вещество: Рабочее вещество — идеальный газ, который при подаче тепла совершает механическую работу.

Работа тепловой машины.

КПД теплового двигателя
Определяется как отношение полученной внешней работы к тепловой энергии, поглощенной рабочим телом от источника.Обозначается он η.

$$ \ eta = \ frac {\ text {получена внешняя работа}} {\ text {тепловая энергия, поглощенная от источника}} $$

На рисунке показана блок-схема теплового двигателя. Пусть Q _{1 ​​} — количество тепла, поглощенное рабочим телом от источника при более высокой температуре, T _{1 ​​}, W — механическая работа, выполняемая рабочим телом, а Q ₂ — оставшаяся часть тепла, отведенного на сливаться при более низкой температуре, Т ₂ .Следовательно, (Q _{1 ​​} — Q ₂ ) — это количество тепла, преобразованное в механическую работу.

\ begin {align *} \ поэтому W & = Q_1 — Q_2 \\ \ text {Эффективность двигателя,} \ eta = \ frac {W} {Q_1} & = \ frac {Q_1 — Q_2} {Q_1 } \\ & = 1 — \ frac {Q_2} {Q_1} \\ \ end {align *}

Ни один двигатель не преобразует все тепло, поглощенное источником, в работу. Таким образом, КПД двигателя всегда меньше единицы или 100%.

Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики можно сформулировать по-разному.Этот закон был сформулирован разными способами, но все утверждения логически эквивалентны друг другу, которые изложены позже.

Заявление о планке Кельвина

Двигатель не может преобразовать всю тепловую энергию в работу, не отбрасывая часть энергии для поглощения, т.е. ни один двигатель не будет иметь 100% КПД.

Это заявление применимо к тепловым двигателям. В тепловом двигателе рабочее вещество поглощает часть тепла от источника (при более высокой температуре), преобразует часть тепла в механическую работу и отбрасывает оставшуюся часть в сток (при более низкой температуре).Поэтому наличие раковины необходимо для непрерывного преобразования тепла в работу. Мы не можем добиться непрерывного преобразования тепла в работу. Мы не можем получить непрерывную работу от одного тела, то есть от одного источника тепла.

Заявление Клаузиуса

Невозможно поглотить тепловую энергию от холодного тела и передать ее горячему телу без выполнения работы, т.е. Самодействующий холодильник невозможен.

В холодильнике рабочее вещество забирает тепло от холодного тела, определенное количество работы выполняется каким-то посторонним агентом и отводит большее количество тепла более горячему телу.Следовательно, холодильник передает тепло от холодного тела к горячему с помощью посторонней помощи.

Двигатель Карно

Карно разработал идеальный рабочий цикл для теплового двигателя в 1824 году. Этот цикл известен как цикл Карно. Машина, используемая для реализации этого идеального рабочего цикла, называется идеальным тепловым двигателем или тепловым двигателем Карно. Основные части идеального теплового двигателя или теплового двигателя Карно показаны на рисунке.

• Источник тепла
  Горячее тело бесконечной теплоемкости является источником тепла.В источнике поддерживается фиксированная более высокая температура T _{1 ​​}, от которой рабочее тело отбирает тепло, не меняя своей температуры.
• Цилиндр
  Цилиндр, оснащенный совершенно непроводящим поршнем без трения, в котором находится идеальный газ. Дно цилиндра — отличный проводник тепла, а стенки — отличный теплоизолятор.
• Приемник тепла
  Приемник тепла должен иметь фиксированную более низкую температуру, T ₂ , при которой может быть отклонено любое количество тепла.Он также имеет конечную теплоемкость, а его температура остается на уровне T ₂ .
• Рабочее вещество
  Идеальный газ действует как рабочее вещество, заполненное в цилиндре с проводящими сторонами, но идеально проводящим основанием. Помимо этих основных частей, имеется идеально изолирующая подставка, на которой можно разместить баллон. Это полностью изолировало бы рабочее вещество от окружающей среды.

Рабочее тело подвергается циклу из четырех операций, состоящему из двух изотермических процессов и двух адиабатических процессов, как показано на рисунке.Такой цикл известен как цикл Карно.

Преобразование энергии и тепловые двигатели

(Немного термодинамики)

Будь то уголь, нефть, газ или ядерная энергия, 80% электроэнергии в мире получают из источников тепла, и почти все используемые процессы преобразования энергии преобразуют тепловую энергию в электрическую энергию, включая промежуточный этап преобразования тепловой энергии в электрическую энергию. механическая энергия в некоторой форме теплового двигателя.Чтобы удовлетворить эту потребность, был разработан широкий спектр систем преобразования энергии для оптимизации процесса преобразования в доступный источник тепла.

Несмотря на более чем 250-летнюю разработку с момента первого запуска парового двигателя Джеймса Ватта, лучший коэффициент преобразования, достигнутый сегодня, составляет всего около 60% для паровых и газотурбинных систем с комбинированным циклом.КПД в диапазоне от 35% до 45% чаще встречается для паровых турбин, от 20% до 30% для поршневых двигателей и всего 3% для океанских тепловых электростанций. На этой странице описаны некоторые термодинамические аспекты различных типичных тепловых двигателей. Более подробные описания этих движков можно найти на других страницах этого сайта по ссылкам ниже.

Эффективность тепловых двигателей была впервые исследована Карно в 1824 году и расширена Клапейроном, который предоставил аналитические инструменты в 1834 году, и Кельвином, который сформулировал второй закон термодинамики в 1851 году, и, наконец, Клаузиусом, который ввел понятие энтропии в 1865 году.

Термодинамическая система

Каждая термодинамическая система существует в определенном состоянии, которое определяется свойствами ее компонентов, такими как тепло, температура, давление, объем, плотность, энтропия и фаза (жидкость, газ и т. Д.) В данный момент времени. Термодинамика касается преобразования тепла и других форм энергии в системе и связанных с ней потоков энергии.

В термодинамическом цикле энергия применяется в одной форме для изменения состояния системы, а затем энергия извлекается в другой форме, чтобы вернуть систему в исходное состояние. В тепловом двигателе энергия применяется в виде тепла для изменения состояния рабочего тела, а затем извлекается в виде механической работы, чтобы вернуть рабочее тело в исходное состояние. Другими словами, тепловой двигатель — это система, в которой энергия обменивается между системой преобразования энергии и окружающей средой.

Важно отметить, что хотя рабочая жидкость в тепловом двигателе может работать в замкнутом цикле, «система» и «состояние системы» определены как включающие как физический «двигатель», так и рабочую среду. или окрестности.

Тепловые двигатели

Тепловые двигатели используют ряд методов для передачи тепла и преобразования изменений давления и объема в механическое движение.

Из законов о газе PV = кН T

, где P — давление, V — объем и T — температура газа

и k — постоянная Больцмана, а N — количество молекул в газовом заряде.

Подача энергии в виде тепла в газ увеличивает его температуру, но в то же время газовые законы означают, что давление или объем газа, или и то, и другое должны увеличиваться пропорционально.Газ можно вернуть в исходное состояние, снова забрав эту энергию, но не обязательно в виде тепла. Изменение давления и / или объема можно использовать для выполнения работы путем перемещения механического устройства соответствующей конструкции, такого как поршень или лопатка турбины.

Чем больше изменение температуры, тем больше энергии может быть извлечено из жидкости.

Тепловой двигатель как часть системы Тепловые двигатели позволяют преобразовывать тепловую энергию в кинетическую через среду рабочего тела. На диаграмме напротив показан тепловой поток системы. Тепло передается от источника через рабочую жидкость в тепловом двигателе в сток, и в этом процессе часть тепла преобразуется в работу. Теория теплового двигателя касается только процесса преобразования тепла в механическую энергию, а не метода получения тепла, процесса сгорания.Сжигание — это отдельный процесс преобразования, который сам по себе снижает эффективность. В некоторых практических системах, таких как паровые турбины, эти два процесса физически разделены, но в двигателях внутреннего сгорания, которые составляют большинство двигателей, эти два процесса происходят в одной камере в одно и то же время.

Энтропия

Понятие энтропии полезно для понимания преобразования энергии в системе, потоков энергии и работы тепловых двигателей.Слово «энтропия» происходит от греческого «преобразование». Хотя энтропия впервые была определена для термодинамических приложений, эта концепция использовалась в других областях науки, особенно в электрохимии и коммуникациях. Таким образом, существует множество определений энтропии, некоторые из которых противоречивы или сбивают с толку. Следующие три примера согласованы и используются в контексте тепловых двигателей.

• Энтропия мера беспорядка системы.
• Энтропия мера количества энергии, которая недоступна для выполнения работы.
• Энтропия S — это переменная состояния для обратимого (без потерь) процесса, изменение которого в любой точке цикла определяется как:

dS = dQ / T

Где Q — тепло в Джоулях, поступающее в систему в любой момент цикла

и T — температура в ° K в точке ввода тепла

Примером может служить температура замкнутого объема газа, повышенная за счет тепла от источника энергии или резервуара.

По мере увеличения температуры газа беспорядок или кинетическая энергия его молекул увеличивается, что означает, что его энтропия увеличивается. Это сопровождается изменением состояния газа, объем или давление которого увеличивается в зависимости от типа оболочки.

Второй закон термодинамики

Второй закон касается изменения энтропии. В разных формах это можно сформулировать следующим образом;

• Энтропия изолированной системы, которая не находится в равновесии, будет иметь тенденцию увеличиваться со временем, приближаясь к максимальному значению, когда система находится в равновесии
• В любом циклическом процессе энтропия либо возрастет (или в идеальной системе останется прежней).

Неравенство Клаузиуса

Теорема Клаузиуса — еще одна формулировка Второго закона. Таким образом:

∫dQ / T 0 (интегрально около одного полного цикла)

Интеграл представляет собой чистое изменение энтропии рабочего тела в течение одного полного теплового цикла, когда рабочее тело в тепловом двигателе возвращается в исходное состояние.На первый взгляд может показаться, что это нарушит второй закон, поскольку он показывает, что изменение энтропии всегда будет нулевым или отрицательным, и мы знаем, что энтропия может только увеличиваться или оставаться неизменной.

Объяснение заключается в том, что уравнение относится к потоку энергии между тепловым двигателем и окружающей средой во время цикла.

В идеальном (обратимом) тепловом цикле изменение энтропии будет нулевым, однако для реальной (необратимой) системы энтропия в рабочей жидкости будет увеличиваться во время процессов преобразования энергии, но для того, чтобы рабочая жидкость завершила цикл в В том же состоянии, что и в начале, этот избыток энтропии должен быть передан из «двигателя» в окружающую среду (холодный резервуар).Интеграл Клаузиуса относится к выбросу этой избыточной энтропии из теплового двигателя в окружающую среду. Это согласуется со вторым законом, поскольку любой реальный цикл двигателя приведет к увеличению энтропии, отдаваемой окружающей среде, чем было взято из нее, что приводит к общему чистому увеличению энтропии всей системы.

Одним из следствий потери энтропии тепловым двигателем является то, что будет меньше доступной энергии для выполнения полезной работы.

Процессы теплового двигателя

Тепловой цикл включает три или более основных термодинамических основных процесса, обычно четыре, для преобразования состояния рабочего тела и возврата его в исходное состояние.Это; сжатие, добавление тепла, расширение и отвод тепла, и каждый из этих процессов может осуществляться при одном или нескольких из следующих условий: Изотермический — При постоянной температуре, поддерживаемой за счет добавления или отвода тепла от источника или поглотителя тепла Изобарический — При постоянном давлении Изометрический / Изохорный / Изообъемный — При постоянном объеме Адиабатический — При постоянной энтропии.Никакое тепло не добавляется и не удаляется из системы. Никакой работы не сделано. Изэнтропический При постоянной энтропии. Обратимые адиабатические условия Без добавления или потери тепла. Никакой работы не сделано.

Анализ теплового цикла

Характеристики теплового цикла, связанного с тепловым двигателем, обычно описываются с помощью двух диаграмм изменения состояния: PV-диаграмма, показывающая зависимость давления от объема, и TS-диаграмма, показывающая зависимость температуры-энтропии.

При постоянной массе газа тепловая машина работает в повторяющемся цикле, а ее фотоэлектрическая диаграмма будет иметь вид замкнутой цифры

Примеры, иллюстрирующие процессы преобразования энергии, используемые в некоторых идеальных, закрытых и открытых системах, показаны ниже.

Работа, выполненная в течение одного цикла нагрева

Механическая работа, выполняемая системой, определяется уравнением:

W = — ∫P.dV (интегрально для одного полного цикла)

На фотоэлектрической диаграмме этот интеграл эквивалентен прилагаемой площади. по кривой.

КПД теплового двигателя

Карно показал, что максимальный КПД η , который может быть достигнут от тепловой машины, определяется выражением:

η = (T _h — T _c ) / T _h или η = 1 — T _c / T _h

Примечания по эффективности

• Эффективность можно повысить за счет увеличения разницы между температурами горячего входящего и холодного выхлопа рабочего тела во время теплового цикла.
• Эффективность всех систем открытого цикла страдает из-за потерь тепла в высокотемпературных выхлопных газах.
• КПД также снижается из-за потерь на трение при использовании вращающегося оборудования, из-за энергии, потребляемой на стадии сжатия, и из-за энергии накачки в I.C.E.
• Большинство систем преобразования энергии представляют собой многоступенчатые системы, поэтому общая производительность системы также зависит от других факторов, таких как эффективность сгорания топлива, используемого для выработки тепла, и эти факторы эффективности или потерь не зависят от и являются дополнительными к: основной тепловой (Карно) цикл рабочего тела.
• КПД Карно представляет собой совершенство и не является хорошим показателем для сравнения производительности реальных систем преобразования энергии. Реальные системы настолько разнообразны, что не существует простого теоретического стандарта для сравнения, кроме соотнесения фактического выхода энергии системы с теплотворной способностью используемого топлива.

Варианты теплового двигателя

Для оптимизации конструкции с учетом различных приоритетов, таких как следующие:

, было разработано большое количество конструкций тепловых двигателей, основанных на различных тепловых циклах.

• Максимальная термодинамическая эффективность за цикл.
• Максимальная частота повторения цикла (максимальная мощность)
• Максимальная мощность (максимальный крутящий момент)
• Минимальный расход топлива
• Возможность использования альтернативных видов топлива
• Простота механики

Ниже приведены некоторые примеры.

Краткое описание процессов, используемых во всех этих циклах, приведено в таблице ниже.

Цикл Карно

Тепловой двигатель Карно — это гипотетический идеальный двигатель, работающий по обратимому циклу Карно. Он используется в качестве эталонного цикла, хотя, по иронии судьбы, о создании настоящих двигателей Карно не известно. Это замкнутый цикл с использованием внешнего нагрева.

Цикл Карно при работе в качестве теплового двигателя состоит из следующих этапов:

Изменить Гос.	Процесс теплового цикла Карно es
от A до B	Обратимое изотермическое сжатие холодного газа. Изотермический отвод тепла. Газ запускается при «холодной» температуре. Тепло уходит из газа в низкотемпературную среду.
B — C	Обратимое адиабатическое сжатие газа. При сжатии температура газа повышается до «горячей» температуры. Ни тепла, ни тепла.
От C до D	Обратимое изотермическое расширение горячего газа.Подвод изотермического тепла. Поглощение тепла от источника высокой температуры. Расширяющийся газ для работы с окружающей средой (например, перемещение поршня).
От D до A	Обратимое адиабатическое расширение газа. Газ продолжает расширяться, выполняя внешние работы. Расширение газа приводит к его охлаждению до «холодной» температуры. Никакого тепла не происходит.

Если цикл нагрева выполняется по часовой стрелке, как показано на приведенной выше диаграмме, двигатель использует тепло для работы в сети. Если цикл работает в обратном направлении (против часовой стрелки), он использует работу для передачи тепловой энергии от более холодной системы к более теплой, тем самым действуя как холодильник или тепловой насос. Смотри ниже.

Еще одно явное нарушение второго закона? На диаграмме TS (энтропии) показано уменьшение энтропии в замкнутом цикле!

Объяснение заключается в том, что диаграмма TS показывает потоки энтропии в замкнутом цикле, но хотя цикл рабочей жидкости замкнут, тепловой двигатель является частью более крупной замкнутой системы, которая включает в себя окружение.В обратимой системе происходит обмен энтропией между тепловым двигателем и окружающей средой, и общая энтропия системы не изменяется. В необратимой системе происходит такой же обмен, но общая энтропия системы фактически увеличивается.

Цикл Стирлинга

Цикл Стирлинга подробно описан в разделе о двигателях Стирлинга. Подобно двигателю Карно, он также является воздушным двигателем внешнего сгорания с замкнутым циклом.

ΔT = 0 (Постоянная температура — изотермическая)

ΔV = 0 (Постоянный объем — изометрический)

Двигатель Стирлинга использует следующие процессы

Изменить Гос.	Процессы теплового цикла двигателя Стирлинга
от A до B	Изотермическое сжатие .Отвод тепла в холодный сток и сжатие холодного воздуха в цилиндре
B — C	Изометрическая теплопередача Тепло, передаваемое от регенератора воздуху в цилиндре, увеличивает давление
От C до D	Изотермическое расширение . Добавляется тепло, и воздух расширяется в цилиндре.
От D до A	Изометрический отвод тепла Тепло, потребляемое регенератором

Цикл Эрикссона

Двигатель Эрикссон, похожий на двигатель Стирлинга, но использующий открытый цикл, представляет собой двигатель внешнего сгорания с регенератором, в котором используется механическая конфигурация двойного действия. Эрикссон также производил версии своих двигателей с замкнутым циклом.

Цикл Ренкина (цикл пара)

Цикл Ренкина описывает системы с замкнутым циклом, использующие внешние источники тепла и двухфазные рабочие жидкости, которые поочередно конденсируются в жидкую форму и испаряются в газообразную форму по мере того, как они расширяются и сжимаются во время теплового цикла. Этот процесс подробно описан в разделе о паровых турбинах, которые являются основными крупномасштабными приложениями, зависящими от цикла Ренкина.

Примечание: Поскольку работа, выполняемая системой в течение одного цикла, равна площади, ограниченной диаграммой теплового цикла, информацию, отображаемую на диаграммах, можно использовать для выбора подходящей рабочей жидкости с оптимальными характеристиками и установки ее оптимальные рабочие пределы и условия.

Цикл Ренкина использует следующие процессы

Изменить Гос.	Процессы теплового цикла Ренкина
1 по B	Рабочая жидкость (вода) нагревается до насыщения (фазовый переход / точка кипения) в процессе постоянного давления.
B до 2	После достижения насыщения происходит дальнейшая теплопередача при постоянном давлении до полного испарения рабочего тела (качество 100% / сухой пар)
От 2 до 3	Пар изоэнтропически расширяется (без добавления или потери тепла) через ступень турбины для создания работы, вращающей вал.Давление пара (пара) падает, когда он проходит через турбину и выходит под низким давлением.
От 3 до 4	Рабочая жидкость проходит через конденсатор, где она конденсируется (фазовый переход) в жидкость (воду).
от 4 до 1	Рабочая жидкость закачивается обратно в котел.

Перегрев пара до очень высоких температур используется в большинстве установок для увеличения разницы температур между горячей и холодной фазами жидкости с целью максимального повышения эффективности Карно.

Цикл Ренкина также используется в низкотемпературных приложениях, для которых невозможно получение высокотемпературного пара, такого как пар.Примерами являются генераторы OTEC и генераторы, зависящие от солнечного тепла.

Цикл Стоддарда

Двигатель Стоддарда — это двигатель внешнего сгорания, аналогичный двигателю Стирлинга, использующий однофазные рабочие жидкости, такие как воздух или другие газы. Расположение клапана уменьшает мертвое пространство рабочего тела, обеспечивая большую эффективность.

Цикл Ленуара

Двигатель Ленуара был первым двигателем внутреннего сгорания.Все двигатели внутреннего сгорания — это двигатели с открытым циклом, которые получают свежий заряд рабочего тела с каждым тепловым циклом. В этих двигателях рабочим телом является топливно-воздушная смесь, которая сжигается в двигателе. Механическая рабочая мощность двигателя возникает за счет расширения горячих горящих газов.

Цикл Отто

Цикл Отто — это стандартный открытый цикл, используемый в четырехтактных бензиновых двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием.Подробно он описан в разделе «Поршневые двигатели».

ΔS = 0 (Постоянная энтропия — адиабатическая)

ΔV = 0 (Постоянный объем — изометрический)

Цикл Отто использует следующие процессы

Изменить Гос.	Процессы теплового цикла Отто
от A до B	Ход сжатия .Адиабатическое сжатие топливовоздушной смеси в цилиндре
B — C	Зажигание смеси сжатый воздух / топливо в верхней части такта сжатия при практически постоянном объеме.
От C до D	Ход расширения (мощности) .Адиабатическое расширение горячих газов в цилиндре.
От D до A	Exhaust Stroke Выброс отработанных горячих газов. Индукционный ход Впуск следующего заряда воздуха в цилиндр. Объем выхлопных газов такой же, как и заряд воздуха.

Цикл Аткинсона

Цикл Аткинсона — это вариант цикла Отто, который эффективно увеличил степень расширения двигателя по сравнению со степенью сжатия за счет использования сложной связи коленчатого вала.Это позволяет такту выпуска быть длиннее такта впуска, и, следовательно, рабочий объем будет другим. Большее расширение позволяет извлекать больше энергии из топливного заряда и позволяет двигателю работать с меньшей температурой. Это обеспечивает лучшую эффективность за счет удельной мощности.

Цикл Миллера

Цикл Миллера — это еще одна вариация цикла Отто, обеспечивающая асимметричные степени сжатия и расширения за счет регулирования фаз газораспределения.Такты впуска и выпуска идентичны в этом двигателе, но фаза фаз газораспределения эффективно снижает расход топлива / воздуха на впуске. Он имеет те же преимущества и недостатки, что и двигатель Аткинсона.

Дизельный цикл

Дизельный двигатель подробно описан в разделе, посвященном поршневым двигателям. В дизельном цикле тепло подается при постоянном давлении, тогда как в цикле Отто тепло подается в постоянном объеме.Подобно двигателю Отто, дизель также является двигателем внутреннего сгорания с замкнутым циклом, но вместо использования искры для воспламенения топлива воспламенение достигается за счет быстрого сжатия топливно-воздушной смеси до более высокого давления, чем в двигателе Отто. Более высокая степень сжатия позволяет дизелю достичь большей эффективности.

ΔS = 0 (Постоянная энтропия — адиабатическая)

ΔV = 0 (Постоянный объем — изометрический)

Дизельный цикл использует следующие процессы

Изменить Гос.	Процессы теплового цикла Dieasel
от A до B	Ход сжатия .Адиабатическое сжатие воздуха в цилиндре. Топливо еще не добавлено.
B — C	Зажигание Изобарическое добавление тепла. Топливо вводится в сжатый воздух в верхней части такта сжатия. Топливная смесь загорелась при практически постоянном давлении.
От C до D	Ход расширения (мощности) .Адиабатическое расширение горячих газов в цилиндре.
От D до A	Exhaust Stroke Выброс отработанных горячих газов. Индукционный ход Впуск следующего заряда воздуха в цилиндр. Объем выхлопных газов такой же, как и заряд воздуха.

Цикл Брайтона, также известный как цикл газовой турбины

Этот цикл описывает цикл непрерывного сгорания, который впервые был использован в поршневом двигателе Brayton.Хотя двигатели Брайтона больше не производятся, цикл Брайтона описывает тепловой цикл, используемый в современных газотурбинных двигателях.

ΔS = 0 (Постоянная энтропия — адиабатическая)

ΔS = 0 (Постоянное давление — изобарическое)

Цикл Брайтона использует следующие процессы

Изменить Гос.	Процессы теплового цикла Брайтона
от A до B	Адиабатическое сжатие .Воздух втягивается в турбину и сжимается в ступени компрессора.
B — C	Изобарическое зажигание Топливо смешалось с воздухом под высоким давлением и сгорело при постоянном давлении.
От C до D	Адиабатическое расширение Горячие газы расширяются в ступенях турбины.
От D до A	Изобарический выхлоп Выброс отработанных горячих газов в окружающую среду под постоянным давлением.

Сводка

	Процессы теплового двигателя Сводка
Тип горения Цикл / процесс Сжатие Добавление тепла Расширение Отвод тепла Внешний Сгорание (замкнутый цикл) Карно изоэнтропический изотермический изоэнтропический изотермический Стирлинг изотермический изометрия изотермический изометрия Эрикссон изотермический изобарический изотермический изобарический Ренкин (Steam) адиабатический изобарический адиабатический изобарический Стоддард адиабатический изобарический адиабатический изобарический Внутреннее сгорание (открытый цикл) Ленуар нет изометрия изоэнтропический изобарический Otto (бензин) адиабатический изометрия адиабатический изометрия Аткинсон адиабатический изометрия адиабатический изометрия Миллер адиабатический изометрия адиабатический изометрия Дизель адиабатический изобарический адиабатический изометрия Брайтон (Джет) адиабатический изобарический адиабатический изобарический

Тепловые насосы и холодильники — Системы сжатия пара

Парокомпрессионные тепловые насосы и холодильники имеют много общего с тепловыми двигателями.Разница в том, что тепловой цикл работает в обратном направлении.

• Тепловой насос предназначен для подачи тепла теплой среде.
• Назначение холодильника — отвод тепла от холодного носителя

Эти два процесса дополняют друг друга и работают по одним и тем же принципам. Оба они используют внешний источник энергии для передачи тепла «в гору» от холодной среды к теплой, которые изолированы или изолированы друг от друга.Единственная разница в том, является ли приоритет приложения эффектом нагрева или охлаждения.

Поскольку тепловой насос может обеспечивать как обогрев, так и охлаждение, стоимость системы управления климатом с тепловым насосом может быть распределена как на периоды нагрева, так и на сезоны охлаждения.

Системы сжатия пара и используют эффект Джоуля-Томсона и версию цикла ( Ранкина ) с различными рабочими жидкостями или хладагентами.

Рабочими жидкостями, используемыми в ранних системах сжатия, были токсичные газы, такие как аммиак (NH ₃ ), хлористый метил (CH ₃ Cl) и диоксид серы (SO ₂ ), но после нескольких смертельных аварий в 1920-х годах, вызванный утечкой хлористого метила, поиск менее опасного хладагента привел к разработке фреона, хлорфторуглерода (CFC). Спустя десятилетия было обнаружено, что ХФУ ответственны за истощение озонового слоя, делая планету более подверженной изменению климата.В ответ на это был разработан ряд альтернативных хладагентов, не содержащих хлора, гидрофторуглеродов (ГФУ).

История

На схеме ниже показаны компоненты системы, а также потоки тепла и рабочей жидкости.

История

На схемах ниже показаны соответствующие схемы теплового цикла.

В таблице ниже показаны процессы, задействованные в системах сжатия пара

Изменить Гос.	Компрессия пара Тепловой насос и Холодильник Системы
1-2	Рабочая жидкость (хладагент) в парообразном состоянии сжимается, повышая ее температуру.
От 2 до 3	Перегретый пар охлаждается до насыщенного пара. Тепло отводится от хладагента при постоянном давлении и отводится в окружающую среду.
От 3 до 4	Пар конденсируется при постоянной температуре в жидкость, выделяя больше тепла.
от 4 до 5	Расширительный клапан (дроссельная заслонка) создает внезапное снижение давления, которое понижает точку кипения жидкости, которая превращается в жидкость + пар, забирая тепло из среды, окружающей испаритель.
от 5 до 1	Жидкость испаряется и расширяется при постоянном давлении, удаляя тепло из окружающей среды

Абсорбция газа Холодильное оборудование Системы

Альтернативой парокомпрессионным холодильным установкам является система абсорбции газа, которая в простейшем варианте не имеет движущихся частей.Энергия для цикла рабочего тела и превращения горячего пара под высоким давлением обратно в жидкость парадоксальным образом обеспечивается за счет приложения большего количества тепла, а не с помощью компрессора, который используется в системе сжатия. Рабочая жидкость в типичной системе представляет собой аммиак, но для него необходимы две другие вспомогательные жидкости на разных стадиях цикла: газообразный водород для регулирования давления процесса испарения и вода, используемая в качестве поглотителя, для отделения аммиака от водорода. Система идеальна для мест, где нет электричества.

Процессы, связанные с использованием тепла для достижения охлаждения, описаны ниже.

Изменить Гос.	Абсорбция газа Холодильное оборудование Системы
1-2	Испаритель — этап 1. Рабочая жидкость (безводный аммиак) в жидком состоянии выпускается в испаритель, содержащий вспомогательный газ (водород), при повышенном давлении в системе, которое обычно достаточно высоко, чтобы удерживать аммиак в жидкости. состояние при комнатной температуре.(Водород не реагирует с аммиаком) (Аммиак кипит при -33 ° C при нормальном атмосферном давлении)
От 2 до 3	Испаритель — этап 2. При смешивании газов эффективное давление отдельных газов уменьшается, поскольку сумма парциальных давлений газов должна равняться давлению в системе, которое остается неизменным. (Закон Дальтона) Пониженное парциальное давление аммиака снижает его точку кипения до температуры ниже комнатной, так что он испаряется, удаляя тепло из окружающей среды.(Эффект Джоуля-Томсона)
	Сепаратор. Аммиак затем отделяется от газовой смеси водород / аммиак для рециркуляции в двухстадийном процессе.
От 3 до 4	Поглотитель. Сначала смесь пропускают через поток или емкость с водой, которая абсорбирует аммиак из смеси. (Водород не растворяется в воде)
от 4 до 5	Генератор. Аммиак в растворе с водой затем направляется через газовый нагреватель (называемый генератором) для испарения аммиака, который пузырится из воды.
от 5 до 1	Конденсатор. Радиатор охлаждает горячий пар аммиака, который конденсируется в безводный жидкий аммиак (без содержания воды), готовый к следующему циклу.

См. Историю газовых холодильников

См. Также Система прямого преобразования энергии AMTEC

Второй закон термодинамики

Второй Закон

Второй закон термодинамики гласит, что передача тепла происходит самопроизвольно только от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой.

Цели обучения

Противопоставьте понятие необратимости между Первым и Вторым законами термодинамики

Основные выводы

Ключевые моменты

• Многие термодинамические явления, разрешенные первым законом термодинамики, никогда не происходят в природе.
• Многие процессы происходят спонтанно только в одном направлении, и второй закон термодинамики имеет дело с направлением, принимаемым спонтанными процессами.
• Согласно второму закону термодинамики, ни один процесс не может иметь теплопередачу от более холодного объекта к более горячему как единственный результат.

Ключевые термины

• энтропия : мера того, насколько равномерно энергия (или какое-либо аналогичное свойство) распределяется в системе.
• первый закон термодинамики : версия закона сохранения энергии, специально предназначенная для термодинамических систем. Обычно выражается как ΔU = Q − W.

Необратимость

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, тепло включает 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.

Односторонняя обработка в природе : 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.

Второй закон термодинамики

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 можно сформулировать разными способами, которые могут показаться разными, но на самом деле эти многие способы эквивалентны.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.

Термодинамика и тепловые двигатели : Краткое введение в тепловые двигатели и термодинамические концепции, такие как двигатель Карно, для студентов.

Второй закон термодинамики (первое выражение): Передача тепла происходит спонтанно от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой, но никогда самопроизвольно в обратном направлении.

Закон гласит, что ни один процесс не может иметь своим единственным результатом теплопередачу от более холодного объекта к более горячему. Позже мы выразим закон в других терминах, особенно в терминах энтропии.

Тепловые двигатели

В термодинамике тепловой двигатель — это система, которая выполняет преобразование тепла или тепловой энергии в механическую работу.

Цели обучения

Обоснуйте, почему КПД — один из важнейших параметров для любой тепловой машины

Основные выводы

Ключевые моменты

• 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 термодинамики можно выразить следующим образом: ни в какой системе теплопередачи от резервуара невозможно полностью преобразовать работу в циклический процесс, в котором система возвращается в исходное состояние.
• КПД теплового двигателя (Eff) определяется как чистая выходная мощность двигателя W, разделенная на теплопередачу к двигателю: [latex] \ text {Eff} = \ frac {\ text {W}} {\ text { Q} _ \ text {h}} = 1 — \ frac {\ text {Q} _ \ text {c}} {\ text {Q} _ \ text {h}} [/ latex], где Q _c и Q _h обозначает передачу тепла горячему (двигатель) и холодному (окружающая среда) резервуару.

Ключевые термины

• тепловая энергия : внутренняя энергия системы в термодинамическом равновесии, обусловленная ее температурой.
• внутренняя энергия : сумма всей энергии, присутствующей в системе, включая кинетическую и потенциальную энергию; эквивалентно, энергия, необходимая для создания системы, за исключением энергии, необходимой для перемещения ее окружения.

В термодинамике тепловой двигатель — это система, которая выполняет преобразование тепла или тепловой энергии в механическую работу. 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 Q _h , теплопередача в холодный объект (или холодный резервуар) — Q _c , а работа, выполняемая двигателем, равна W. горячий и холодный резервуары — T _h и T _c соответственно.

Теплопередача : (a) Теплопередача происходит самопроизвольно от горячего объекта к холодному в соответствии со вторым законом термодинамики. (б) Тепловой двигатель, представленный здесь кружком, использует часть теплопередачи для выполнения работы.Горячие и холодные предметы называются горячими и холодными резервуарами. Qh — теплоотдача из горячего резервуара, W — рабочая мощность, а Qc — теплоотдача в холодный резервуар.

Термодинамика и тепловые двигатели : Краткое введение в тепловые двигатели и термодинамические концепции, такие как двигатель Карно, для студентов.

Поскольку горячий резервуар нагревается снаружи, что требует больших затрат энергии, важно, чтобы работа выполнялась как можно более эффективно.Фактически, мы хотели бы, чтобы W равнялось Q _h , и чтобы не было передачи тепла в окружающую среду (Q _c = 0). К сожалению, это невозможно. Второй закон термодинамики (второе выражение) также утверждает относительно использования теплопередачи для выполнения работы: В любой системе теплопередачи от резервуара невозможно полностью преобразовать работу в циклический процесс, в котором система возвращается к его 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 в его второй форме четко гласит, что такие двигатели не могут иметь совершенного преобразования теплопередачи в выполненную работу.

КПД

Циклический процесс возвращает систему в исходное состояние в конце каждого цикла. По определению, внутренняя энергия такой системы U одинакова в начале и в конце каждого цикла, то есть ΔU = 0. Первый закон термодинамики гласит, что ΔU = Q-W, где Q — чистая теплопередача во время цикла (Q = Q _h -Q _c ), а W — чистая работа, выполненная системой.Поскольку ΔU = 0 для полного цикла, то W = Q. Таким образом, чистая работа, выполняемая системой, равна чистому теплопередаче в систему, или

[латекс] \ text {W} = \ text {Q} _ \ text {h} — \ text {Q} _ \ text {c} [/ latex] (циклический процесс),

, как показано схематически на (b).

КПД — один из важнейших параметров любой тепловой машины. Проблема в том, что во всех процессах наблюдается значительная теплопередача Q _c , теряемая в окружающую среду. При преобразовании энергии в работу мы всегда сталкиваемся с проблемой получить меньше, чем вкладываем.Мы определяем эффективность теплового двигателя ( Eff ) как его полезную мощность W, деленную на теплопередачу к двигателю Q _ч:

[латекс] \ text {Eff} = \ frac {\ text {W}} {\ text {Q} _ \ text {h}} [/ latex].

Поскольку W = Q _h −Q _c в циклическом процессе, мы также можем выразить это как

[латекс] \ text {Eff} = \ frac {\ text {Q} _ \ text {h} — \ text {Q} _ \ text {c}} {\ text {Q} _ \ text {h}} = 1 — \ frac {\ text {Q} _ \ text {c}} {\ text {Q} _ \ text {h}} [/ latex] (для циклического процесса),

, поясняющий, что эффективность 1, или 100%, возможна только при отсутствии передачи тепла в окружающую среду (Q _c = 0).

Циклы Карно

Цикл Карно — наиболее эффективный из возможных циклических процессов, в котором используются только обратимые процессы.

Цели обучения

Проанализировать, почему двигатель Карно считается идеальным двигателем

Основные выводы

Ключевые моменты

• Второй закон термодинамики показывает, что двигатель Карно, работающий между двумя заданными температурами, имеет максимально возможный КПД по сравнению с любым тепловым двигателем, работающим между этими двумя температурами.
• Необратимые процессы связаны с диссипативными факторами, которые снижают эффективность двигателя. Очевидно, обратимые процессы лучше с точки зрения эффективности.
• КПД Карно, максимально достижимый КПД теплового двигателя, задается как [латекс] \ text {Eff} _ \ text {c} = 1- \ frac {\ text {T} _ \ text {c}} {\ text { T} _ \ text {h}} [/ латекс].

Ключевые термины

• второй закон термодинамики : Закон, гласящий, что энтропия изолированной системы никогда не уменьшается, потому что изолированные системы спонтанно развиваются к термодинамическому равновесию — состоянию максимальной энтропии.Равно как и вечные двигатели второго типа невозможны.
• тепловой двигатель : Любое устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу.

Мы знаем из второго закона термодинамики, что тепловая машина не может быть на 100 процентов эффективна, поскольку всегда должна быть некоторая передача тепла Q _c в окружающую среду. (См. Наш атом в разделе «Тепловые двигатели».) Насколько эффективна тогда тепловая машина? На этот вопрос теоретически ответил в 1824 году молодой французский инженер Сади Карно (1796-1832) в своем исследовании появившейся в то время технологии тепловых двигателей, имеющих решающее значение для промышленной революции.Он разработал теоретический цикл, который теперь называется циклом Карно, который является наиболее эффективным из возможных циклических процессов. Второй закон термодинамики можно переформулировать в терминах цикла Карно, и поэтому Карно фактически открыл этот фундаментальный закон. Любой тепловой двигатель, использующий цикл Карно, называется двигателем Карно.

Для цикла Карно критически важно то, что используются только обратимые процессы. Необратимые процессы связаны с диссипативными факторами, такими как трение и турбулентность.Это увеличивает теплоотдачу Q _c в окружающую среду и снижает КПД двигателя. Очевидно, что обратимые процессы лучше.

Второй закон термодинамики (третья форма): Двигатель Карно, работающий между двумя заданными температурами, имеет максимально возможный КПД по сравнению с любым тепловым двигателем, работающим между этими двумя температурами. Более того, все двигатели, в которых используются только обратимые процессы, имеют одинаковую максимальную эффективность при работе между одинаковыми заданными температурами.

КПД

Цикл Карно состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов. Напомним, что и изотермические, и адиабатические процессы в принципе обратимы.

PV-диаграмма для цикла Карно : PV-диаграмма для цикла Карно, использующая только обратимые изотермические и адиабатические процессы. Передача тепла Qh в рабочее тело происходит на изотермическом пути AB, который происходит при постоянной температуре Th. Теплоотдача Qc происходит из рабочего тела на изотермическом пути CD, который происходит при постоянной температуре Tc.Выход сети W равен площади внутри пути ABCDA. Также показана схема двигателя Карно, работающего между горячим и холодным резервуарами при температурах Th и Tc.

Карно также определил эффективность идеального теплового двигателя, то есть двигателя Карно. Всегда верно, что эффективность циклической тепловой машины определяется следующим образом: [latex] \ text {Eff} = \ frac {\ text {Q} _ \ text {h} — \ text {Q} _ \ text {c }} {\ text {Q} _ \ text {h}} = 1- \ frac {\ text {Q} _ \ text {c}} {\ text {Q} _ \ text {h}} [/ latex] .

Карно обнаружил, что для идеального теплового двигателя отношение Q _c / Q _h равно отношению абсолютных температур тепловых резервуаров.То есть Q _c / Q _h = T _c / T _h для двигателя Карно, так что максимальная эффективность Карно Eff _C определяется как [латекс] \ text {Eff } _ \ text {c} = 1- \ frac {\ text {T} _ \ text {c}} {\ text {T} _ \ text {h}} [/ latex], где T _h и T _c в кельвинах. (Вывод формулы немного выходит за рамки этого атома.) Никакая настоящая тепловая машина не может работать так же хорошо, как КПД Карно — фактический КПД около 0,7 от этого максимума обычно является лучшим, что может быть достигнуто.

Тепловые насосы и холодильники

Тепловой насос — это устройство, которое передает тепловую энергию от источника тепла к радиатору против перепада температур.

Цели обучения

Объясните, как компоненты теплового насоса вызывают передачу тепла от холодного резервуара к горячему резервуару

Основные выводы

Ключевые моменты

• Тепловой насос предназначен для передачи тепла Qh в теплую среду, например в дом зимой.
• Задача кондиционеров и холодильников заключается в том, чтобы передача тепла Qc происходила из прохладной окружающей среды, такой как охлаждение комнаты или хранение продуктов при более низких температурах, чем температура окружающей среды.
• Тепловой насос можно использовать как для обогрева, так и для охлаждения помещения. По сути, это кондиционер и обогреватель в одном устройстве. Это стало возможным за счет изменения направления потока хладагента и изменения направления полезной теплопередачи.

Ключевые термины

• CFC : органическое соединение, которое обычно использовалось в качестве хладагента.Больше не используется из-за разрушения озонового слоя.

Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют передачу тепла от холода к горячему. Передача тепла (Q _c ) происходит из холодного резервуара в горячий. Для этого требуется рабочая мощность W, которая также преобразуется в теплопередачу. Таким образом, теплопередача к горячему резервуару составляет Q _h = Q _c + W. Задача теплового насоса заключается в передаче тепла Q _h в теплую среду, например в дом зимой.Задача кондиционеров и холодильников заключается в том, чтобы передача тепла Q _c происходила из прохладной окружающей среды, такой как охлаждение комнаты или хранение продуктов при более низких температурах, чем температура окружающей среды. На самом деле тепловой насос можно использовать как для обогрева, так и для охлаждения помещения. По сути, это кондиционер и обогреватель в одном устройстве. В этом разделе мы сконцентрируемся на его режиме нагрева.

Тепловые насосы

В основном тепловом насосе используется рабочая жидкость, например хладагент, не содержащий CFC.Основными компонентами теплового насоса являются конденсатор, расширительный клапан, испаритель и компрессор. В наружных змеевиках (испарителе) теплоотдача Q _c происходит к рабочему телу от холодного наружного воздуха, превращая его в газ. Компрессор с электрическим приводом (рабочая мощность W) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора, которые находятся внутри отапливаемого пространства. Поскольку температура газа выше, чем температура внутри комнаты, происходит передача тепла в комнату, и газ конденсируется в жидкость.Затем жидкость течет обратно через редукционный клапан к змеевикам испарителя наружного блока, охлаждаясь за счет расширения. (В цикле охлаждения змеевики испарителя и конденсатора меняются ролями, и направление потока жидкости меняется на противоположное.)

Простой тепловой насос : Простой тепловой насос состоит из четырех основных компонентов: (1) конденсатор, (2) расширительный клапан, (3) испаритель и (4) компрессор.

Коэффициент полезного действия

О качестве теплового насоса судят по тому, сколько тепла Q _h происходит в теплое пространство по сравнению с тем, сколько работы W требуется.Мы определяем КПД теплового насоса (COP _л.с. ) равным

.

[латекс] \ text {COP} _ {\ text {hp}} = \ frac {\ text {Q} _ \ text {h}} {\ text {W}} [/ latex].

Поскольку КПД теплового двигателя составляет Eff = W / Q _h , мы видим, что COP _л.с. = 1/ Eff . Поскольку КПД любого теплового двигателя меньше 1, это означает, что COP _л.с. всегда больше 1, то есть тепловой насос всегда имеет большую теплопередачу Q _ч , чем вложенная в него работа.Еще один интересный момент заключается в том, что тепловые насосы лучше всего работают при небольших перепадах температур. КПД идеального двигателя (или двигателя Карно) составляет

.

[латекс] \ text {Eff} _ \ text {C} = 1 \ frac {\ text {T} _ \ text {c}} {\ text {T} _ \ text {h}} [/ latex];

таким образом, чем меньше перепад температур, тем меньше КПД и тем больше КС _л.с. .

Кондиционеры и холодильники

Кондиционеры и холодильники предназначены для охлаждения чего-либо в теплой среде.Как и в случае с тепловыми насосами, для передачи тепла от холода к горячему требуется дополнительная работа. О качестве кондиционеров и холодильников судят по тому, какая теплоотдача Q _c происходит из холодной окружающей среды по сравнению с тем, сколько работы W требуется. То, что считается преимуществом теплового насоса, в холодильнике считается отходящим теплом. Таким образом, мы определяем коэффициент полезного действия (COP _ref ) кондиционера или холодильника как

.

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

Поскольку Q _h = Q _c + W и COP _л.с. = Q _h / W, получаем, что

[латекс] \ text {COP} _ {\ text {ref}} = \ text {COP} _ {\ text {hp}} -1 [/ латекс].

Кроме того, из Q _h > Q _c мы видим, что кондиционер будет иметь более низкий коэффициент полезного действия, чем тепловой насос.

Узнайте о тепловом двигателе | Chegg.com

Различные типы тепловых циклов могут быть спроектированы с помощью различных термодинамических процессов. упомянутый выше.Некоторые из тепловых двигателей, которые работают по принципу теплового цикла, описаны ниже:

Тепловой цикл Карно :

Тепловой двигатель Карно работает по тепловому циклу Карно. Тепловой цикл Карно — это идеальный термодинамический цикл, который использует четыре процесса для получения результата работы. Из четырех процессов два осуществляются обратимо при постоянной температуре, а два других являются адиабатическими процессами. Цикл Карно — замкнутый цикл. Процессы цикла Карно включают следующие этапы:

Процесс 1-2: Процесс расширения при постоянной температуре.В этом процессе работу выполняет газ.

Процесс 2-3: Процесс адиабатического расширения. В этом процессе газ остывает.

Процесс 3-4: Процесс сжатия при постоянной температуре. В этом процессе работа ведется над газ.

Процесс 4-1: Процесс адиабатического сжатия. В этом процессе температура газа составляет восстановлен.

Здесь следует отметить, что работа, выполняемая газом, превышает выполненную работу. по газу. В этом преимущество всего процесса.Диаграмма давление-объем для цикла Карно показана ниже:

Если термодинамический цикл работает по часовой стрелке, то он работает как тепловая машина. В этом случае часть принятого тепла преобразуется в работу, а остальное отдает поглотить. Если цикл работает против часовой стрелки, то он работает как тепловой насос и холодильник. В этом случае в системе выполняется работа по отбору тепла из системы, как это делается в холодильнике.

Цикл Стирлинга:

Тепловой двигатель Стирлинга работает по циклу Стирлинга.Этот цикл также включает четыре процесса. Из четырех процессов два являются процессами с постоянной температурой (изотермический процесс), а два других являются процессами с постоянным объемом (изохорный процесс). Цикл Стирлинга — это замкнутый цикл внешнего сгорания.

Цикл Эрикссон:

Движок Эрикссон работает по циклу Эрикссон. Цикл Эрикссона работает так же, как цикл Стирлинга. Стирлинг — это замкнутый цикл, но Эрикссон — открытый цикл. Это также используется в двигателе внешнего сгорания.Цикл Эрикссон включает четыре процесса. Из четырех процессов два являются процессами с постоянным давлением, а два других — с постоянной температурой. Это также используется в двигателе внешнего сгорания.

Цикл Ренкина:

Все паровые машины работают по циклу Ренкина. Цикл Ренкина — это замкнутый цикл внешнего сгорания. В цикле Ренкина используются двухфазные жидкости, где жидкая фаза жидкости превращается в паровую фазу. Все паровые электростанции также работают по циклу Ренкина.

Различные процессы в цикле Ренкина:

1-2: Процесс добавления тепла при постоянном давлении (в котле)

2-3: Процесс изэнтропического (адиабатического) расширения (в турбине)

4-3: Отвод тепла с постоянным давлением (в конденсаторе)

4-1: Добавление тепла с постоянным объемом (в насосе)

Цикл Отто:

Все бензиновые двигатели работают по циклу Отто. Это идеальный цикл, который используется как эталон для измерения выходной мощности всего реального рабочего бензина двигатели.Этот цикл состоит из четырех процессов, два из которых являются постоянными. объемные процессы, а два других — обратимые адиабатические процессы.

Дизельный цикл:

Все дизельные двигатели работают по принципу дизельного цикла. Этот цикл включает четыре процесса. Четыре процесса: 1) добавление тепла при постоянном давлении, 2) обратимое адиабатическое расширение, 3) отвод тепла постоянного объема и 4) обратимое адиабатическое сжатие. В дизельном двигателе в качестве рабочего тела используется воздух.

Цикл Брайтона:

Все газотурбинные двигатели работают по циклу Брайтона. Цикл Брайтона включает четыре процесса, два из которых являются процессами постоянного давления, а два других — обратимыми адиабатическими процессами.

Инженерное обеспечение: 2. Компоненты / функции двигателя

Одним из наиболее важных узлов двигателя является клапанный механизм , который состоит из распредвалов , которые используются для открытия и закрытия впускного и выпускные клапаны.Существует трех основных типов клапанных механизмов, как описано в этом видео:
Конечно, двигателю нужно топливо для выработки мощности, которая подается на цилиндров на топливных форсунок в большинстве современных автомобилей. Первоначально, однако, топливо было доставляется в цилиндры через карбюратор , используя разность давлений до извлеките топливо. Следующие два видео подробно рассматривают каждую тему:
Чтобы зажечь топливо, нам понадобится искра.Эту работу выполняет система зажигания , с использованием свечей зажигания . В этом видео объясняется, как взимается создан и как выполняется время.
Для запуска двигателя двигателя необходимо, чтобы коленчатый вал провернулся несколько раз, чтобы все работает. Это достигается путем вращения маховика с помощью стартер . Следующее видео объясняет весь процесс:
Помимо запуска автомобиля, маховик играет важную роль в поддержании работы двигателя и позволяет двигателю работать плавно, , даже когда крутящий момент прикладывается к коленчатому валу импульсами.
Из тысяч рабочих ходов двигателя, которые происходят каждую минуту, довольно много выделяется тепло. Это тепло должно отводиться от двигателя, и это Работа радиатора и системы охлаждения удовлетворяет.
Эти компоненты удовлетворяют основные потребности двигателя. Вы можете перейти к третьему уроку. муфты и гидротрансформаторы , или продолжите ниже по некоторым расширенным темам, связанным с компонентами двигателя.

VTEC (Электронное управление изменениями фаз газораспределения и подъема) — это разновидность системы изменения фаз газораспределения, используемая Honda. Идея остается практически неизменной, хотя для разных компаний она называется по-разному (VVT, MIVEC и т. Д.). Ниже видео о VTEC.

Honda разработала различные формы VTEC, в том числе 3-ступенчатый VTEC , который максимизирует топливную экономичность при низких оборотах, а максимизирует мощность при высоких оборотах.
Далее давайте узнаем о связи между двигателем и трансмиссией:

Мир погоды: ураган

Мир погоды: ураган

Глава 11: Ураган

Механика ураганов: гайки и болты тепловых двигателей

Тропические грозы, которые происходят вокруг центра ураган действует как карбюраторы, впрыскивая топливо в глаз урагана, почти круглый цилиндр относительного спокойствия в центр бури.В глаз впрыскивается топливо. скрытое тепло, высший сорт высвобождается при подъеме, невидимый водяной пар конденсируется в облачные капли во время грозы. Прервите или уменьшите поток скрытого тепла в глаза и двигатель шумит или глохнет. Прежде чем мы возьмемся за части этого двигателя, нам необходимо прочитать его руководство по эксплуатации.

Двигатель урагана: Основное руководство по эксплуатации

Как и предлагает инструкция по эксплуатации двигателя вашего автомобиля советы по максимальной производительности в различных погодных условиях, там являются оптимальными условиями, которые способствуют и поддерживают зажигание (и последующий плавный ход) теплового двигателя урагана.Вот тропическое руководство для успешного запуска Тепловой двигатель урагана:

1. Запуск теплового двигателя над теплым тропическим морем, с водой температуры выше 78 ^o F (25,5 ^o C) на глубину не менее 60 метров (около 200 футов). Это обеспечивает высокие показатели испарение и высокое октановое число водяного пара. В топливный бак водяного пара в атмосфере следует долить до средняя тропосфера, способствующая воспламенению.
2. Запустить тепловую машину достаточно далеко от экватора, чтобы достаточно сильное кручение из-за эффекта Кориолиса может включить циркуляцию (против часовой стрелки в северной Полушарие, по часовой стрелке на юге).
3. Перед запуском убедитесь, что дует слабый ветер в однородном направлении по всей тропосфере. Сильный ветры или ветры, меняющие направление с увеличением высоты (то есть вертикальный сдвиг ветра) вызовет утечку топлива линия.

Из трех рекомендаций теплая океанская вода является наиболее предпочтительной. важно для зажигания. Вода испаряется из теплых тропиков океаны покрывают бензобак нижней и средней тропосферы водяной пар. Полный бак обеспечивает отличный отвод скрытого тепла как только грозы собираются вокруг центра развивающейся ураган, помогающий запустить тепловую машину на полную мощность. В в следующих разделах мы узнаем, как выделяется скрытое тепло способствует развитию урагана.

Для максимальной эффективности вода под поверхностью тропические океаны тоже должны быть теплыми. Как ураган его ревущие ветры волнуют океан, перемешивая теплые поверхности вода с водой внизу. Если вода под поверхностью тоже теплый, смешивание будет поддерживать высокую температуру поверхностной воды, тем самым поддерживая высокую скорость испарения и гарантируя богатая подача водяного пара.

Тепловой двигатель урагана имеет роторный двигатель, в котором Грозы с впрыском топлива вращаются по спирали вокруг цилиндрической формы глаз.Чтобы детали двигателя вращались, эффект Кориолиса должен быть достаточно прочный. Климатологические исследования тропиков выявить, что возгорания ураганных тепловых двигателей не происходит в пределах 5 широты от экватора, где эффект Кориолиса просто слишком слаб, чтобы вызвать циркуляцию (обратите внимание, что бассейны генезис ураганов не распространяется на экватор в Рисунок 11.2). Вероятность возгорания возрастает с увеличением широты с 5 ^o до 15 ^o .Без вклада из эффекта Кориолиса, ветры будут дуть почти прямо от высокого давления к низкому, препятствуя развитию обращения, необходимого для организации грозы вокруг глаза.

Это также важно для зажигания и бесперебойной работы ураган, чтобы цилиндр двигателя получил непрерывное подача высокооктанового скрытого тепла. Если ветры на верхнем уровне слишком сильные сильное скрытое тепло, исходящее от вершин грозы, быть сдутым с глаз.По сути, сильный верхний уровень ветры, уносящие скрытое тепло из центра урагана, могут можно сравнить с утечкой в ​​топливной магистрали урагана.

Кроме того, ветры, дующие с одинакового направления по всей тропосфере важны для зажигания и плавного операция. Позже в этой главе мы узнаем, что многие ураганы направляются с востока на запад по направлению к экватору фланги субтропических систем высокого давления. Однако иногда сильные ветры на уровне 250 мб или около него могут дуть против зерно с запада на восток.Эти западные ветры срезают верхушки ураганы, обезглавливающие грозы и прерывающие течение топлива. Предупреждение: двигатели с тропическим теплом могут начать шипеть и заглохнуть, если направлен в регионы с сильными западными ветрами на высоком уровне.

Развитие урагана: неисправности свечей зажигания

Если бы вы взяли заточенный карандаш для изоплава температура и давление в тропиках, точка вероятно, не станет очень скучным (при условии, что нет никаких ураганы).Вы не стали бы рисовать много изотерм или изобар, потому что тропики, как правило, имеют равномерное распределение поверхности температура и давление. Поэтому, вспоминая ранее середину анализ широты, можно сделать вывод, что тропики должны быть лишены систем низкого давления. Ведь системы низкого давления в средних широтах черпают силу из горизонтальных градиенты температуры и влажности при наличии сильных расхождение верхнего уровня и четко определенные фронты.Как может тупая, изобарно-набивная система низкого давления, похожая на ураган выйдет из такого единообразия?

Как обсуждалось в главе 7, межтропическая конвергенция Зона (ITCZ) извивается вокруг земного шара в тропических регионах. В ITCZ — это ожерелье из ливней и гроз, опоясывающее экваториальные районы, свидетельство мощной конвергенции и подъем, который там происходит. Иногда группа грозы прорываются от ITCZ ​​и дают искру для зажечь тепловой двигатель урагана.

Еще одна искра, которая может зажечь тепловой двигатель урагана, — это восточная волна, гроза, идущая из с востока на запад (отсюда и его название) в тропической тропосфере. В равнинные тропики, обнаруживая следы давления Восточная волна на наземных картах погоды может быть довольно сложной. Вместо этого метеорологи смотрят на карты низкоуровневых линий тока, чтобы определить области схождения ветров, связанных с восточными волнами (см. рисунок 11.4). Эти области конвергенция способствует кластерам гроз, которые в условиях эксплуатации могут изложено в руководстве по тепловому двигателю, заправьте ураган.

Иногда метеорологи объединяют неорганизованные скопления тропические грозы в общую классификацию тропические волнения. Предполагая, что оптимальные условия изложенные в руководстве по эксплуатации применяются, теперь мы обсудим гайки и болты того, как тропические волнения превращаются в высокоструктурированную тропическую систему мы называем ураганом.

Запуск двигателя: зажигание на полном газу

Поскольку скрытое тепло выделяется из грозовых разрядов которые образуют тропическое беспокойство, нечеткие области в пределах кластер начинают греться. В ответ плотность воздуха понижается, вызывая снижение поверхностного давления. Эмбриональный тропический беспорядки часто подбрасывают точку наименьшего давления, как горячий картофель. Но в конечном итоге область слабого низкого давления будет появляются, если грозы в особенно интенсивном кластере собираются и объединяют их скрытое тепло, чтобы создать центральную теплая сердцевина воздуха.

В ответ тропические приземные ветры начинают усиливаться. скорости и сходятся вокруг зарождающегося минимума, импортируя более богатый запасы влаги к центру. В свою очередь, грозы усиливаются и начинают множиться. В выделение скрытого тепла теперь увеличивается, а поверхностное давление, реагируя на потепление, падает еще сильнее, вызывая сближение, влажный ветер, чтобы ускориться дальше. Если система достаточно далеко от экватора (как правило, по крайней мере, от 8 до 9 ^o широты), Эффект Кориолиса заставит эти зарождающиеся ветры циркулировать против часовой стрелки внутрь к области наименьшего давления.Когда продолжительный ветер достигает 37 км / ч (23 миль / ч), тропический нарушение переходит в тропическую депрессию. Жара Двигатель зарождающегося урагана оживает.

Между тем, давление воздуха вблизи тропопаузы в ответ на потепление от скрытого тепловыделения начинает нарастать (вспомните Глава 4). В ответ на повышение давления наверху воздух начинает течь наружу (то есть расходиться) вокруг вершины центра тропическая депрессия.Как дымоход, эта зона верхнего уровня высокого давления вентилирует тропическую депрессию, предотвращая попадание воздуха сходящиеся на более низких уровнях из скопления вокруг центра (что повысит давление воздуха на поверхности и подавит шторм). Предполагая оптимальные условия в руководстве по тепловому двигателю, применяют этот процесс обратной связи между выделением скрытой теплоты, последующее падение поверхностного давления и соответствующее усиление приземных ветров продолжится. Когда ветер становится выдерживает скорость 62 км / ч (39 миль / ч) или выше, установленный тахометр на тепловом двигателе теперь отображается тропический шторм.Рисунок 11.5 — это видимая фотография тропического шторма Иники (1992 г.), сделанная с космический шатл. Циркуляция вокруг центра отчетливо видна. видны в облачном узоре, но глаза нет (отсутствие глаз характерен для тропического шторма).

Когда система достигает статуса тропического шторма, ей дается имя, традиция началась в 1950 г. (для штормов в Атлантике Бассейн) с использованием старинных кодовых названий времен Второй мировой войны, таких как Авель, Бейкер, Чарли, Собака и Легкий.Женские имена были первыми использовался в 1953 году, и чередование мужских и женских имен для Штормы в Атлантическом бассейне начались в 1979 году. Существуют отдельные списки названия штормов, формирующихся в различных бассейнах. Национальный Центр ураганов (NHC) недалеко от Майами несет ответственность за сохранение вкладки о штормах в Северной Атлантике и восточной части Тихого океана. Между 140 ^o западной долготы и международной линией перемены дат Центр ураганов в Гонолулу берет на себя ответственность за мониторинг тропических систем.Когда шторм движется к западу от даты Line — Центр ураганов на Гуаме. Эти три Ураган объединяет всю ответственность за отслеживание урагана Джон в августе и начале сентября 1994 года. Джон, чей трек показанный на рис. 11.6, был самый долгоживущий названный шторм за всю историю наблюдений и самый сильный ураган, когда-либо наблюдавшийся в центральной Тихоокеанский регион, когда-то дул ветер со скоростью 276 км / ч (170 миль в час).

Как и у великих бейсболистов, названия ураганов могут быть в отставке, если шторм заслуживает особого внимания.Нет будущего Атлантический шторм когда-нибудь будет носить печально известные имена Камиллы (1969), Агнес (1972), Хьюго (1989), Боб (1991), Эндрю (1992) или Опал (1995), и это лишь некоторые из них. Имена, не вышедшие на пенсию, заменяются на использовать каждые шесть лет. В таблице 11.2 показаны имена, выбранные для тропические штормы 2000 года как в Атлантике, так и в восточные бассейны Тихого океана.

Таблица 11.2: Названия тропических штормов и ураганов в Атлантическом и восточном бассейнах Тихого океана, 1997–2000 гг.Атлантический бассейн
1997 1998 1999 2000
Ана Алекс Арлин Альберто
Билл Бонни Брет Берил
Клодетт Чарли Синди Крис
Дэнни Даниэль Деннис Дебби
Эрика Эрл Эмили Эрнесто
Фабиан Фрэнсис Флойд Флоренс
Грейс Жорж Герт Гордон
Анри Эрмин Харви Элен
Изабель Иван Ирен Исаак
Хуан Жанна Хосе Джойс
Кейт Карл Катрина Кейт
Ларри Лиза Ленни Лесли
Минди Митч Мария Майкл
Николас Николь Нейт Надин
Одетт Отто Офелия Оскар
Питер Паула Филипп Пэтти
Роза Ричард Рита Рафаэль
Сэм Шэри Стэн Сэнди
Тереза ​​Томас Тэмми Тони
Виктор Вирджини Винс Валери
Ванда Вальтер Вильма Уильям
Восточно-Тихоокеанский бассейн
Андрес Агата Адриан Алетта
Бланка Блас Беатрис Бад
Карлос Селия Кальвин Карлотта
Долорес Дарби Дора Дэниел
Энрике Эстель Юджин Эмилия
Фелиция Франк Фернанда Фабио
Гильермо Жоржетт Грег Гилма
Хильда Ховард Хилари Гектор
Игнасио Исис Ирвин Илеана
Химена Хавьер Йова Джон
Кевин Кей Кеннет Кристи
Линда Лестер Лидия Лейн
Марти Мадлен Макс Мириам
Нора Ньютон Норма Норман
Олаф Орлин Отис Оливия
Полин Пэйн Пилар Пол
Рик Рослин Рамон Роза
Сандра Сеймур Сельма Серхио
Терри Тина Тодд Тара
Вивиан Верджил Вероника Винсенте
Уолдо Уинифред Вили Уилла
Ксина Ксавье Ксина Ксавьер
Йорк Иоланда Йорк Иоланда
Зельда Зик Зельда Зик 

Теперь мы готовы запустить наш тестовый двигатель на полную мощность.Еще раз, если предположить, что оптимальные условия все еще преобладают, как указано в руководстве оператора урагана процесс обратной связи между выделение скрытого тепла, снижение давления воздуха на поверхность, и усиление приземных ветров в конечном итоге улучшит выдерживает скорость ветра до 119 км / час (74 миль в час). Тепловой двигатель имеет перешел от высокой скорости тропического шторма к турбонаддуву овердрайв урагана.

Условия во всем Атлантическом бассейне, безусловно, были вблизи оптимума в конце августа 1996 г., когда видимый спутниковый снимок рисунка 11.7 было взято. Этот взгляд на Атлантический бассейн показывает грозный ураган Эдуард (упаковка максимальный устойчивый ветер 190 км / ч (120 миль / ч)), сильный тропический Storm Fran (скорость ветра почти 110 км / ч (70 миль / ч)), слабый Тропический шторм Густав (скорость ветра едва достигает 65 км / ч (40 миль / ч), на грани ослабления до тропической депрессии) и тропической беспокойство у берегов Африки (которое, почти две недели позже облетит восточные Багамы как ураган Гортензия с скорость ветра 215 км / ч (135 миль / ч)).Ситуации, когда четыре тропических системы занимаются в Атлантическом бассейне довольно необычны, хотя рекордный сезон ураганов 1995 г. произвел несколько окон, чтобы поймать четыре шторма (или зарождающиеся штормы) одновременно.

Структура урагана: взгляд изнутри

Взгляд под капотом на тепловую машину полноценного ураган обнажает свои рабочие части (см. Рисунок 11.8). Глаз, несомненно, самая отличительная черта урагана — это остров спокойствия посреди штормового моря.В глаз представляет собой почти круглый цилиндр штиля или слабого ветра и переменная облачность, обычно диаметром от 8 до 80 км (от 5 до 50 миль). Солнечные лучи, которые часто возникают в глазах вызваны компенсирующими проседаниями от мощных грозы, окружающие глаз. Тонущий воздух нагревается компрессионный нагрев. Работая в тандеме со скрытым теплом, компрессионное нагревание испаряет облачные капли в глазу. Представление о том, что наибольшее нагревание происходит в цилиндре глаза (образуя теплое ядро) поддерживается в Рисунок 11.8 относительно большая высота 32 ^o F (0 ^o C) изотерма над глазом.

Чтобы объяснить относительное спокойствие в глазах, рассмотрим посылку воздуха, стремительно приближающегося к центру урагана. Как воздух посылка приближается к центру, ее скорость увеличивается, потому что он будет стремиться сохранить свой угловой момент (определенный в главе 7). Как фигуристы, чьи тела вращаются быстрее, чем их руки втянуты внутрь, посылки у поверхности пытаются ускориться по спирали к центру урагана.Предположим, в качестве аргумента, мы позволили посылкам закручиваться по спирали. внутрь к точному центру глаза. По закону сохранение углового момента, скорость этих посылок станет бесконечным. Но ураган (или любая погодная система) не имеет бесконечного количества энергии, чтобы поддерживать такие скорости, потому что максимальный выход энергии урагана фиксируется температуры тропических океанов, по которым он движется. За температура воды от 80 до 90 ^o F (от 27 до 32 ^o C) дальность, максимальная устойчивые ветры редко превышают 325 км / ч (200 миль в час).Итак, по порядку чтобы не нарушать режим сохранения энергии, посылку необходимо останавливать не доходя до центра, создавая цилиндр относительного спокойствие.

Обычно во время сильного урагана, имеющего изобилие энергии, посылки могут двигаться по спирали ближе к центру, не нарушая закона сохранения энергии, тем самым сужая диаметр глаз. Обычно маленький, четко очерченный глаз — признак мощный ураган. Это общее правило, безусловно, было верным в случай урагана Гилберт (1988 г.), который обрушился на Ямайку, затем пересек полуостров Юкатан и, наконец, сошёл на берег в северной Мексика.Спутниковый снимок Гилберта в На рисунке 11.9a показан ураган в 13Z 12 сентября 1988 г., когда его центральное давление составляла 960 мбар, а максимальная скорость ветра составляла около 200 км / час. (125 миль / ч). Глаз был примерно 55 км в диаметре. На рис. 11.9b показан Гилберт почти 36 часов спустя, в 23:30 на 13 сентября, когда его центральное давление упало до 888 мбар, с максимальным устойчивым ветром 296 км / ч (184 миль / ч). Этот давление 888 мб установило рекорд самого низкого уровня моря давление когда-либо наблюдалось в Западном полушарии.Обратите внимание, как на на этот раз глаз уменьшился до 15 км в диаметре.

Для дальнейшего исследования характеристик глаза ураган, рассмотрите рисунок 11.10, вид с воздуха на бобра Стадион в кампусе Университетского парка Пенсильванского государственного университета. Нет, рвение авторов к футболу Nittany Lion не отвлекли нас. Скорее есть намек на тропический метеорологии в том, как последовательные ряды сидений наклоняются вверх и вдали от поля.Действительно, этот наклонный профиль Бобра Стадион поразительно напоминает структуру глаз некоторых ураганы. Для доказательства посмотрите на Рисунок 11.11, увеличенный вид глаз тихоокеанского тайфуна в 1988 году. Обратите внимание на то, как облака окружающий глаз наклонен вверх и в сторону от центра шторма по мере увеличения высоты образуя карикатуру на стадион (пожалуйста используйте здесь немного воображения).

Чтобы объяснить этот так называемый «эффект стадиона», мы полагаемся на наблюдение, что выше уровня примерно 700 мб сила урагана обычно уменьшается с увеличением высота (то есть самые сильные ветры, окружающие глаз, всегда находится в нижней тропосфере, когда скорость ветра падает выключен на большой высоте).В качестве доказательства рассмотрим Цветная пластина 38, который показывает серию горизонтальных радиолокационных срезов на различных высоты через ураган Эрин, снятые во время урагана закрутилась около Флориды 2 августа 1995 года. Обратите внимание на то, что циркуляр, свободные от дождя зоны, связанные с глазами, расширяются с увеличением высота. Болельщица этого мегафонного рисунка без дождевых колец — это сохранение углового момента. Потому что ветры, циркулирующие вокруг глаза, сужаются выше 700 мб, посылки облачного воздуха, которые поклялись сохранять свою угловатость импульса, останавливают их внутренние спирали все дальше и дальше от центр шторма по мере увеличения высоты.Конечный результат что мутные стены глаза наклонены вверх от центр шторма, образуя стадион, построенный из облаков.

Даже при относительном спокойствии глаз условия могут раз, будь неспокойным. Рисунок 11.12 это крупный план глаза Ураган Эмилия, сделанный с космического корабля многоразового использования в июле 1994 года. в то время Эмилия быстро становилась сильнейшим ураганом в истории наблюдалась в центральной части Тихого океана (Гилма и Джон затмили Эмилию позже, в августе 1994 г., закрытие бухгалтерских книг на одном из самых активных периоды, когда-либо зарегистрированные в центральной части Тихого океана).Бурный взгляд на облака в глазах Эмилии предполагает, что низкоуровневый вихри нарушают относительное спокойствие глаза. Эмилии глаз тоже непонятный, но в пасмурную погоду есть изломы. Иногда облака могут даже полностью заполнить глаз урагана (даже мощный), как в случае с ураганом Опал. В качестве Опал находился в часе езды от берега в Рисунок 11.13 на 21Z 4 октября 1995 г. на него дул максимально продолжительный ветер около 200 км / ч (125 миль / ч) и центральное давление 940 мбар, но все же есть было мало (если вообще было) разрывов в облаках в его глазу.

На рисунке 11.14 показан трехмерный воздушный поток в компьютерная модель урагана, демонстрирующая, как посылки воздуха у поверхности закручивайтесь по спирали внутрь к центру бури, остановитесь не доходя до центра и поднимаясь, в конце концов, вытекает наружу из глаз на вершине урагана (см. также поперечный разрез на рисунке 11.8). Эти восходящие посылки авиационной поддержки мощные грозы, окружающие глаз. Этот свирепый пончик Гроза, называемая глазной стеной, сдерживает ураган сильнейшие ветры и сильнейшие дожди.Рисунок 11.15 — это видимый изображение урагана Елена (1985 г.) над Мексиканским заливом. Глаз стена выглядит как приподнятая область интенсивной конвекции и выходящие за пределы вершины, окружающие глаз. Когда ураган разовьется, птицы иногда попадают в глаз высокими свирепыми бури в глазной стене. По сути, стенка глаза становится клетка для тропических птиц, пока ураган не утихнет. В Сентябрь 1985 года, тысячи птиц, предположительно пойманных на глаз стены, наблюдались в очаге урагана Глория как шторм вышел на берег в южной части Новой Англии.

Еще одна отличительная черта урагана — его спираль. полосы, щупальца грозы, которые циклонически вращаются вокруг и в центр урагана (эти полосы часто поразительно похожи на спиральные рукава некоторых галактик). Ураган Феликс, изображенный на рис. 11.16. вращаясь в Саргассово море 14 августа 1995 г. спиральных лент. В то время Феликс был слабым ураганом, упаковка ветра около 135 км / ч (85 миль / ч).Часто волны узкие спиральные полосы будут предшествовать приходу урагана, производя периодические дожди и порывистые ветра, когда группы приходят и уходят. Ураганы часто порождают торнадо, когда они достигают берега (как и будет обсуждаться в следующем разделе), и около 80% из них Твистеры образуются от гроз в спиральных полосах.

Движение урагана: кто за рулем?

Посмотрите еще раз на показанный штормовой след урагана «Джон». на рисунке 11.6. Путь Джона близко следует по часовой стрелке циркуляция вокруг надежной субтропической системы высокого давления который летом обитает в северной части Тихого океана.Среди их многочисленных атмосферных обязанностей субтропические максимумы обеспечивают управляющие токи для многих тропических систем. Субтропический высокий по часовой стрелке (в Северном полушарии) поток воздуха вблизи уровень 500 МБ имеет решающее значение для оценки метеорологом направление движения тропического шторма или урагана. Часто, ураганы, движущиеся на запад по экваториальной стороне субтропический высокий изгиб к полюсу (как ураган «Джон»). Когда и там, где ураган поворачивается к полюсу и изгибается, часто трудно прогнозировать, отмечая период беспокойства и неопределенность для метеорологов, особенно если шторм приближается к земле.

В северной части Атлантического океана поднятие Бермудских островов обеспечивает управляющие токи, которые сопровождают многие тропические системы в предсказуемый, повторяющийся путь. Хороший пример — ураган. Гилберт, чье неистовство через Карибское море и Мексиканский залив показан на рисунке 11.17. Однако другие печально известные штормы отклонился от первоначального курса, установленного на Бермудских островах. Такой отклонения часто вызваны системами низкого давления верхнего уровня которые иногда обладают большим влиянием, чем высокие Бермудские острова.Этот Такова была ситуация в случае урагана Хьюго.

Ураган Хьюго: сентябрь 1989 г.

Пока Эндрю не поразил южную Флориду в 1992 году, Хьюго был самый дорогостоящий ураган в истории Соединенных Штатов, вызвавший 7 миллиардов долларов в убытках. Хьюго был особенно разрушительным для районов вблизи Чарльстон, Южная Каролина, который выдержал удар мощного шторма. На рисунке 11.18a показан штормовой трек Хьюго. в то время как рисунок 11.18b представляет собой видимый спутниковый снимок Хьюго утром сентября 21 января 1989 г.На рисунке 11.19 показан 500-мегабайтные графики за трехлетний период. дневной период вокруг въезда Хьюго в Соединенные Штаты. Стрелки показывают дальнейшее движение шторма. Верхний- управляющие токи уровня для Хьюго были постоянными в течение всего времени. приближения шторма к суше: сочетание Бермудских островов области высокого и верхнего уровня низкого давления в северо-центральной части Мексиканский залив заманил Хьюго на побережье Южной Каролины. Хьюго затем был поглощен приближающейся впадиной низкого давления после выходит на берег, помогая быстро избавиться от остатков шторма на северо-восток.

Ураган Елена: конец августа — начало сентября 1985 г.

Сила и досягаемость субтропических максимумов варьируется в зависимости от время, создавая ситуации, когда ураганы остаются блуждать несколько бесцельно. Результатом может стать тропа урагана, напоминает каракули четырехлетнего ребенка. В раскраске книга, это не проблема. Но с сильным ураганом, как и было случай с ураганом Елена, результат неутешительный — жители от Тампы до Нового Орлеана покинули побережье в крупнейшей Эвакуация мирного времени в истории США.Трек Елены показано на рис. 11.20 (вспомните спутниковый снимок Елены на Рисунок 11.15).

Ураган «Елена» проложил беспорядочную тропу над заливом. Мексика в выходные, посвященные Дню труда, 1985 год. На рисунке 11.21 показан График 500 МБ за четыре из пяти дней, когда Елена угрожала Побережье Мексиканского залива. Стрелки указывают на последующее движение буря. Елена развивалась недалеко от центра Кубы и двинулась на северо-запад. через Мексиканский залив, управляемый движущимися на запад Бермуды высокие у побережья Джорджии.30 августа 1985 г. однако Елену тянуло к впадине низкого давления, быстро окунулась в восточную часть США. Как это корыто двигаясь на восток, Елена сделала поворот на 90 ^o и направилась на восток, угрожает западному побережью Флориды. Но изменение курса было временно, учитывая, что желоб верхнего уровня застегивается на к северо-востоку. Елена не успевала. Покинутый рулевыми ветрами, Елена оставалась неподвижной более 24 часов. В ответ, штормовой батальон ураганных ветров разбил лагерь недалеко от побережья района Тампа-Бэй.Наконец, поздно 1 сентября на Елену начала влиять высота 500 мб. здание системы давления к северу, которое подтолкнуло шторм в Миссисипи и Луизиану. Этот последний маневр заставил многих жителей этих штатов эвакуировать во второй раз.

Субтропические максимумы приводят к гибели многих ураганов, в конечном итоге заманивая их к полюсу к суше, более холодной воде и сильные западные ветры. Все трое смертельны. Как ураган уступает инопланетной среде в средних широтах, он отдает свою энергию и влагу в окружающую среду.В этом Кстати, ураган переносит энергию и влагу из тропиков и в средние широты. По сути, ураганы помогают общая циркуляция Земли в смягчении высоких температур контрасты между полюсами и экваториальными областями. Несмотря на то что ураганы и тропические штормы, взятые в целом, несут ответственность только около 2% транспортировки энергии из тропиков они приходится до 30% транспортировки энергии во время пик сезона ураганов.

Час опасности: выход на сушу и штормовой нагон

Земля — ​​это то место, где иногда умирают ураганы. Но как глаз урагана выходит на берег (то есть когда ураган делает место выхода на берег), он не сдается без ожесточенной борьбы. Тяжелый дождь, сильный ветер и торнадо — оружие, которое ураган оказывает влияние на прибрежные сообщества. Но самое разрушительное оружие — штормовой нагон, подъем уровня океана до 9 метров (около 30 футов), который сопровождает выход на берег ураган.

Свирепые ветры урагана Эндрю вызвали значительные ущерб в южной Флориде, но грубая сила шторма всплеск, как показано на цветной пластине 39, было действительно замечательно. Когда люди думают о штормовом нагоне, они часто представляют себе драматические события. Приливные волны в стиле «Гавайи Five-O», разбивающиеся о береговую линию. Некоторые голливудские кинопродюсеры увековечивают подобное представление о том, что пронизан неправильными представлениями о штормовых нагонах. Фильм 1979 года Ураган показал, что дерзкие владельцы пляжных кондоминиумов игнорируют приказал эвакуироваться, поскольку они праздновали против ветра.Затем в драматической моды, далекий гул сигнализировал о приближении гора воды, которая врезалась в квартиру, мгновенно уничтожение мятежных гуляк.

Штормовой нагон действительно оказывает разрушительное воздействие на побережье, но оно дает более постепенное ощущение своего присутствия. Над открытым океаном сильные ветры урагана толкают и взбалтывают вверх по поверхностным водам, создавая волны разных размеров. Эти волны распространяться от урагана, в конечном итоге организуясь в волны, разбивающиеся о далекие берега, предвещая приближение шторм (например, во время сезона ураганов серферы стекаются в южные берега Гавайев, чтобы покататься на больших волнах, порожденных штормы, проходящие к югу от островов).Точно так же в окрестностях из-за морского урагана уровень океана поднялся незначительно. Штормовых нагонов практически нет.

Другое дело, когда шторм приближается к берегу. Строящиеся береговые ветры начинают толкать воду к суше. Как вода подходит к берегу, «чувствует» дно и начинает замедляться вниз и накапливается у берега. Медленно, но верно океанские воды подняться и, как нарастающий чудовищный прилив, затопить все в их путь.Этот «всплеск» воды, с набегающими волнами, кроме того, очень мощный, способный выравнивать дома и малоэтажные дома. Когда ураган Камилла обрушился на центральную Побережье Мексиканского залива в 1969 г., большие корабли прошли целых 1,6 км (1 миль) вглубь страны из-за штормового нагона, который достиг 7 метров (23 футов) вблизи Билокси, MS.

Разрушение больше всего, когда приближается штормовой нагон время прилива. Когда ураган Глория обрушился на южную В Новой Англии в 1985 году ожидались катастрофические разрушения.Хотя ущерб был значительным, выход на берег Глории не совпал. во время прилива, что снижает влияние штормового нагона. Это могло быть намного хуже.

Штормовой нагон всегда сильнее на стороне глаза соответствующему береговому ветру, который находится на правой стороне точка выхода на берег в Северном полушарии (точка R находится на этом область на рисунке 11.22a). По эту сторону урагана поступательное движение шторма также способствует более сильному шторму всплеск.Чтобы понять, почему поступательное движение шторма заставляет разница, представьте, что грабитель поезда бежит со скоростью 5 км / ч поверх поезд движется со скоростью 80 км / ч. Если грабитель бежит в том же направление движения поезда, его скорость относительно земля на самом деле 85 км / час. Точно так же ураган, движущийся в 40 км / ч при максимальной скорости ветра 160 км / ч справа спереди квадрант шторма (рисунок 11.22a) будет эффективно иметь максимальная скорость ветра 200 км / час.Комбинированный подъем в океане воды затопляют прибрежные районы, как показано на Рисунок 11.22 (б-в).

На противоположной стороне точки выхода на берег шторма (точка L находится в этой области в Рисунок 11.22а), уровень воды иногда фактически уменьшается, когда шторм достигает берега. Здесь, ветры дуют с берега, противостоящие направлению шторма. движение (если бы грабитель поезда бежал напротив направление движения поезда, его скорость относительно по грунту было бы всего 75 км / час).Мелкие звуки восточная часть Северной Каролины (со средней глубиной около 2 метров (6 ft)) фактически почти опустели как ураган выходит на берег к северу от Северной Каролины. Когда ураган Хьюго врезался в Южную Каролину в сентябре 1989 г. предупреждение было выпущено для прибрежных вод у Джэксонвилля, Флорида, примерно в 300 км (186 миль) к югу от точки выхода на берег.

В начале 1970-х годов система была разработана Гербертом Саффиром, инженер-консультант и Роберт Симпсон, в то время директор Национальный центр ураганов, чтобы количественно оценить (для бедствия агентства) какого уровня ущерба ожидать от урагана.С помощью смесь структурной инженерии и метеорологии, они построили шкала Саффира-Симпсона, состоящая из пяти категорий, которые соответствуют центральному давлению урагана, максимально продолжительному ветры и штормовые нагоны, как указано в таблице 11.3. Категории 3, 4 и 5 — сильные ураганы, которые могут нанести большой урон. ущерб и гибель людей. С 1988 года несколько сильных ураганов вышли на берег в Соединенных Штатах, включая Хьюго (1989), Эндрю (1992) и Иники (1992), все штормы 4-й категории.Камилла (1969) и ураган в честь Дня труда во Флориде-Кис 1935 года. только два урагана категории 5 обрушились на Соединенные Штаты в этот век.

Таблица 11.3: Шкала потенциального ущерба от урагана Саффир-Симпсон
   Категория Давление (мбар; дюймы ртутного столба) Ветер (узлы; миль / ч) Штормовой нагон (м; футы)
1: Минимальное 980 28,94 64-82 74-95 1,0-1,7 4-5
2: Умеренное 965-979 28,50 - 28,91 83-95 96-110 1.8-2,6 6-8
3: Расширенный 945-964 27,91 - 28,47 96-113 111-130 2,7-3,8 9-12
4: Экстремальный 920-944 27,17 - 27,88 114-135 131-155 3,9-5,6 13-18
5: Катастрофический 135> 155> 5,6> 18
 

Еще одна опасность, которую представляет ураган, когда достигает суши это возможность торнадо. Часы торнадо обычно выдается, когда на берег выходит ураган, особенно для районов в правый передний квадрант грозы (см. Рисунок 11.22а). Здесь воздух при перемещении с воды на сушу увеличивается трение (потому что земля более грубая), что приводит к замедлению приземных ветров и таким образом пересекают изобары под большим углом (напомним, что поскольку ветер замедляется, величина как трения, так и эффекта Кориолиса уменьшаются, поэтому сила градиента давления имеет больше верхнего рука, подталкивая посылки более прямо к более низкому давлению). Скорость и направление ветра над поверхностью менее подвержены влиянию трение, создавая зону вертикального сдвига ветра, которая может раскручиваться вверх некоторые торнадо F0 или F1.

Около 20% торнадо вызвано обрушившимся ураганом возникают у внешнего края глазной стенки. Остальные образуются в полосы гроз, которые лежат дальше от глаза. Некоторые из спиральные полосы урагана Эллисон, обрушившегося на берег недалеко от В июне 1995 года в заливе Апалачи, штат Флорида, на север Флорида и южная Джорджия. Пристрастие Эллисон к вращению ясно видно на рисунке 11.23. Один из Эллисон твистеры серьезно повредили начальную школу в Джексонвилле, FL.В отличие от «традиционных» твистеров, которые развиваются преимущественно в жаркий полдень и вечер, когда сильные грозы чаще всего нет предпочтительного времени для образования торнадо, связанные с тропическим штормом или ураганом. Эти торнадо обычно возникают, когда шторм достигает берега, будь то день или ночь.

Ураган: двигатель не работает

Указания в руководстве по плавному розжигу и работа теплового двигателя урагана сродни ногам которые поддерживают стол — если его выгнать, стол почти всегда опрокидывается.Когда ураганы умирают над землей, их кончина часто объясняется большей неровностью земли, которая заставляет ветры замедляться. Действительно, трение в конечном итоге помогает сок ураганных ветров. Но основная причина того, что ураганы рассеиваются над сушей или над водами более высоких широт в том, что они удалены от их единственного истинного источника энергии теплый, тропический воды. Ослабляющее воздействие на ураган, нанесенное обрушиванием на берег. Берту в июле 1996 года можно увидеть, сравнив два доплеровских изображения радиолокационной отражательной способности в Color Plate 40 и Color Plate 41 за семь часов. помимо окружающих Место выхода Берты к востоку от Уилмингтона, Северная Каролина.Хотя тяжелый дождь сохраняется на более позднем изображении, в основном к северу от шторма в центре, кровообращение Берты явно более рваное, всего несколько часов после выхода на берег.

Более холодная вода очевидным образом сказывается на снижении испарения скорости и, таким образом, уменьшая количество доступного водяного пара. А ураган движется на север по восточному побережью США над все более прохладными прибрежными водами должны двигаться быстро, если они это поразить Новую Англию, не лишившись полной ярости.А медленно движущийся шторм неизбежно ослабевает по такому пути (при условии, что он не движется над относительно теплыми водами рядом с Гольфстримом — тогда все ставки сняты!).

В Тихом океане относительно прохладная вода к югу и востоку от Гавайи обычно защищают острова от полной ярости ураганы. Этот прохладный бассейн с водой обязан своим существованием высокие темпы испарения и низкие годовые осадки в широты субтропических максимумов.Эта комбинация делает поверхностные воды довольно соленые и относительно плотные. Благодаря плотности, соленая поверхностная вода периодически опускается и охлаждается вода снизу поднимается, чтобы занять свое место. Эта более прохладная вода тогда действует как внешняя защита островов. Когда приближаются бури острова с востока (ориентируясь на Тихоокеанский субтропический высокий), они не могут избежать этих прохладных морей и постепенно истощаются силы.

Чтобы ураган нанес разрушительный удар по Гавайям, он должен быть хитрым и быстрым.Иногда во время урагана казалось бы, благополучно пройдя к югу от островов над более теплой водой, впадина низкого давления из более высоких широт может опускаться на юг и цепляйся за шторм. В ответ на относительно сильный южные и юго-западные рулевые ветры впереди желоба, ураган может повернуть и ускориться на север, его более быстрый темп ограничение времени нахождения в прохладной воде. С большей частью своей мощности неповрежденный шторм может нанести Гавайям большой удар.ураган Иники (1992) был такой бурей, прорвав эти внешние оборону и нанесение ударов по западной части острова Кауаи (см. цветную табличку 42, полученную при выходе на берег) с устойчивый ветер 210 км / ч (130 миль / ч). Иники был худшим ураган обрушился на Гавайи в этом веке. В то время Стивен «Парк юрского периода» Спилберга снимали на Кауаи, а производство было остановлено драматическими действиями урагана.

Наконец, сдвиг ветра может вызвать срабатывание теплового двигателя урагана. шипение и срыв, учитывая, что скрытое тепло выделяется в верхних часть шторма может отделиться от низкоуровневой циркуляция, разборка двигателя урагана.В конце осень, усиление западных ветров, в сочетании с охлаждением тропические моря, помогите закрыть дверь атлантическому урагану время года. Однако в ноябре 1994 года ураган Гордон бросил вызов поздней осенью форы и образовались у берегов Никарагуа (см. Рисунок 11.24). Над Карибским морем, поиск западных ветров в конце концов нашел шторм и сорвал его вершину. Вызывающе, тропический шторм перегруппировался около Ки-Уэст, Флорида, пересек Саншайн Стэйт, а затем направился на север у Атлантического побережья.Гордон превратился в ураган, когда он прошел над теплым воды Гольфстрима и подошли к мысу Хаттерас на 18 ноября (см. Рисунок 11.25), отмечая ближайший приближение позднего урагана к Внешним берегам с тех пор, как 2 декабря 1925 года. Неизбежно, что деспотические ветры середины широта реактивного потока заставила Гордона отступить и умереть, срезая с вершин его гроз. Ноябрь — враждебный месяц для тропических штормов и ураганов.

Ураганы, конечно, не умирают красиво. Хотя в конце концов опустился до тропических депрессий после удара суша, ураганы и тропические штормы часто остаются опасными.