8 (495) 988-61-60

Без выходных
Пн-Вск с 9-00 до 21-00

Тепловой двигатель это


Тепловой двигатель — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 24 ноября 2019; проверки требуют 4 правки. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 24 ноября 2019; проверки требуют 4 правки.

Теплово́й дви́гатель — машина, в которой внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

Первой известной в настоящий момент тепловой машиной была паровая турбина внешнего сгорания, изобретённая во ΙΙ в. н. э. в Римской Империи. Это изобретение не получило распространения, вероятно из-за низкого уровня развития технологий того времени: тогда не был изобретен даже подшипник, столь необходимый для работы турбины

Работа, совершаемая двигателем, равна:

A=QH−|QX| {\displaystyle A=Q_{H}-\left|Q_{X}\right|\ }, где:
  • QH{\displaystyle Q_{H}} — количество теплоты, полученное от нагревателя,
  • QX{\displaystyle Q_{X}} — количество теплоты, отданное охладителю.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя рассчитывается как отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя: η=|QH|−|QX||QH|=1−|QX||QH|{\displaystyle \eta ={\frac {\left|Q_{H}\right|-\left|Q_{X}\right|}{\left|Q_{H}\right|}}=1-{\frac {\left|Q_{X}\right|}{\left|Q_{H}\right|}}}

Часть теплоты при передаче неизбежно теряется, поэтому КПД двигателя менее 1. Максимально возможным КПД обладает двигатель Карно. КПД двигателя Карно зависит только от абсолютных температур нагревателя(TH{\displaystyle T_{H}}) и холодильника(TX{\displaystyle T_{X}}):

ηK=TH−TXTH=1−TXTH{\displaystyle \eta _{K}={T_{H}-T_{X} \over T_{H}}=1-{T_{X} \over T_{H}}}

Двигатель Стирлинга[править | править код]

Поршневой двигатель внешнего сгорания[править | править код]

Поршневой двигатель внутреннего сгорания[править | править код]

Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания[править | править код]

Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в базовом режиме. Таким образом колёса локомотива (электровоза) также, как и в 19 веке, вращает энергия пара. Но тут есть два существенных отличия.

Первое отличие заключается в том, что паровоз 19 века работал на качественном дорогом топливе, например на антраците. Современные же паротурбинные установки работают на дешевом топливе, например на канско-ачинском угле, который добывается открытым способом шагающими экскаваторами. Но в подобном топливе много пустого балласта, который транспорту приходится возить с собой вместо полезного груза. Электровозу не надо возить не только балласт, но и топливо вообще.

Второе отличие заключается в том, что тепловая электрическая станция работает по циклу Ренкина, который близок к циклу Карно. Цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм. Цикл Ренкина состоит из двух адиабат, изотермы и изобары с регенерацией тепла, которая приближает этот цикл к идеальному циклу Карно. На транспорте трудно сделать такой идеальный цикл, так как у транспортного средства есть ограничения по массе и габаритам, которые практически отсутствуют у стационарной установки.

Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания[править | править код]

Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в пиковом режиме. Порой в качестве газотурбинной установки используют списанные по технике безопасности воздушно-реактивные двигатели.

Реактивные и ракетные двигатели[править | править код]

Реактивный двигатель представляет собой совмещенный тепловой двигатель и движитель, в нём внутренняя энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию реактивной струи разогретого рабочего тела. Реактивные двигатели отбрасывают нагретое рабочее тело с большой скоростью, за счет его проистечения, в соответствии с законом сохранения импульса, образуется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении. В тепловых реактивных двигателях обычно используется химическое топливо в газообразном, жидком или твёрдом состоянии, порождающее разогретый газ при сгорании. Воздушно-реактивные двигатели используют газообразный окислитель из окружающей среды, тогда как ракетные двигатели снабжаются запасами всех компонентов рабочего тела с носителя и способны работать в любой среде, в том числе и в безвоздушном пространстве.

Используются для приведения в движение самолётов, ракет и космических аппаратов.

Твёрдотельные двигатели[править | править код]

Такие двигатели используют твёрдый материал (вещество в твёрдой фазе) в качестве рабочего тела. Работа совершается при изменении формы рабочего тела. Позволяют использовать малые перепады температур.[1]

Примеры:

Тепловой двигатель - это... Что такое Тепловой двигатель?

Теплово́й дви́гатель — устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры. (Возможно использование изменения не только объёма, но и формы рабочего тела, как это делается в твёрдотельных двигателях, где в качестве рабочего тела используется вещество в твёрдой фазе.) Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики. Для работы необходимо создать разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Для работы двигателя обязательно наличие топлива. Это возможно при нагревании рабочего тела (газа), который совершает работу за счёт изменения своей внутренней энергии. Повышение и понижение температуры осуществляется, соответственно, нагревателем и охладителем.

История

Первой известной нам тепловой машиной была паровая турбина внешнего сгорания, изобретённая во ΙΙ (или в Ι ?) веке н. эры в римской империи. Это изобретение не получило своего развития предположительно из-за низкого уровня техники того времени (например, тогда ещё не был изобретён подшипник).

Теория

Работа, совершаемая двигателем, равна:

, где:
  •  — количество теплоты, полученное от нагревателя,
  •  — количество теплоты, отданное охладителю.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя рассчитывается как отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Часть теплоты при передаче неизбежно теряется, поэтому КПД двигателя менее 1. Максимально возможным КПД обладает двигатель Карно. КПД двигателя Карно зависит только от абсолютных температур нагревателя() и холодильника():

Типы тепловых двигателей

Двигатель Стирлинга

Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию. По роду топлива различают жидкостные и газовые; по рабочему циклу непрерывного действия, 2- и 4-тактные; по способу приготовления горючей смеси с внешним (напр., карбюраторные) и внутренним (напр., дизели) смесеобразованием; по виду преобразователя энергии поршневые, турбинные, реактивные и комбинированные. Коэффициент полезного действия 0,4-0,5. Первый двигатель внутреннего сгорания сконструирован Э. Ленуаром в 1860. В наше время чаще встречается автомобильный транспорт, который работает на тепловом двигателе внутреннего сгорания, работающем на жидком топливе. Рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня, за четыре такта. Поэтому такой двигатель и называется четырёхтактным. Цикл двигателя состоит из следующих четырёх тактов: 1.впуск, 2.сжатие, 3.рабочий ход, 4.выпуск.

Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания

Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в базовом режиме. Таким образом колёса локомотива (электровоза) также, как и в 19 веке, вращает энергия пара. Но тут есть два существенных отличия. Первое отличие заключается в том, что паровоз 19 века работал на качественном дорогом топливе, например на антраците. Современные же паротурбинные установки работают на дешевом топливе, например на канско-ачинском угле, который добывается открытым способом шагающими экскаваторами. Но в подобном топливе много пустого балласта, который транспорту не приходится возить с собой вместо полезного груза. Электровозу не надо возить не только балласт, но и топливо вообще. Второе отличие заключается в том, что тепловая электрическая станция работает по циклу Ренкина, который близок к циклу Карно. Цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм. Цикл Ренкина состоит из двух адиабат, изотермы и изобары с регенерацией тепла, которая приближает этот цикл к идеальному циклу Карно. На транспорте трудно сделать такой идеальный цикл, так как у транспортного средства есть ограничения по массе и габаритам, которые практически отсутствуют у стационарной установки.

Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания

Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в пиковом режиме. Порой в качестве газотурбинной установки используют списанные по технике безопасности воздушно-реактивные двигатели.

Реактивные и ракетные двигатели

Твёрдотельные двигатели

(источник журнал “Техника молодёжи“)== == Здесь в качестве рабочего тела используется твёрдое тело. Здесь изменяется не объём рабочего тела, а его форма. Позволяет использовать рекордно малый перепад температур.

Принцип действия теплового двигателя. Видеоурок. Физика 10 Класс

Темой текущего урока будет рассмотрение процессов, происходящих во вполне конкретных, а не абстрактных, как в прошлых уроках, устройствах – тепловых двигателях. Мы дадим определение таким машинам, опишем их основные составляющие и принцип действия. Также в ходе этого урока будет рассмотрен вопрос о нахождении КПД – коэффициента полезного действия тепловых машин, как реального, так и максимально возможного.

Тема: Основы термодинамики
Урок: Принцип действия теплового двигателя

Темой прошлого урока был первый закон термодинамики, который задавал связь между некоторым количеством теплоты, которое было передано порции газа, и работой, совершаемой этим газом при расширении. И теперь пришло время сказать, что эта формула вызывает интерес не только при неких теоретических расчётах, но и во вполне практическом применении, ведь работа газа есть не что иное как полезная работа, какую мы извлекаем при использовании тепловых двигателей.

Определение. Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую работу (рис. 1).

Рис. 1. Различные примеры тепловых двигателей (Источник), (Источник)

Как видно из рисунка, тепловыми двигателями являются любые устройства, работающие по вышеуказанному принципу, и они варьируются от невероятно простых до очень сложных по конструкции.

Все без исключения тепловые двигатели функционально делятся на три составляющие (см. рис. 2):

  • Нагреватель
  • Рабочее тело
  • Холодильник

Рис. 2. Функциональная схема теплового двигателя (Источник)

Нагревателем является процесс сгорания топлива, которое при сгорании передаёт большое количество теплоты  газу, нагревая тот до больших температур. Горячий газ, который является рабочим телом, вследствие повышения температуры, а следовательно, и давления, расширяется, совершая работу . Конечно же, так как всегда существует теплопередача с корпусом двигателя, окружающим воздухом и т. д., работа не будет численно равняться переданной теплоте – часть энергии  уходит на холодильник, которым, как правило, является окружающая среда.

Проще всего можно представить себе процесс, происходящий в простом цилиндре под подвижным поршнем (например, цилиндр двигателя внутреннего сгорания). Естественно, чтобы двигатель работал и в нём был смысл, процесс должен происходить циклически, а не разово. То есть после каждого расширения газ должен возвращаться в первоначальное положение (рис. 3).

Рис. 3. Пример циклической работы теплового двигателя (Источник)

Для того чтобы газ возвращался в начальное положение, над ним необходимо выполнить некую работу (работа внешних сил). А так как работа газа равна работе над газом с против

Тепловые двигатели. Виды тепловых двигателей

Тепловой двигатель - это аппарат, который совершает работу за счет использования энергии топлива. Машина, работающая на таком двигателе, превращает тепловую энергию в механическую и применяет зависимость расширения вещества от значения температуры.

Первая тепловая машина появилась в Римской империи. Это была турбина внешнего сгорания, работающая на пару. Но из-за низкого развития техники это изобретение не получило развития. На прогресс оно никак не повлияло и вскоре было забыто. Позже в Китае появилось пороховое орудие и пороховая ракета. Это было сравнительно простое устройство. С точки зрения механики пороховая ракета не являлась тепловым двигателем, а с точки зрения физики являлась тепловой машиной. Уже в 17 веке ученые пытались изобрести на основе порохового орудия тепловой двигатель.

Виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели внешнего сгорания:

1. Двигатель Стирлинга - это тепловой аппарат, в котором газообразное или жидкое рабочее тело совершает движения в замкнутом пространстве. Это устройство основано на периодическом охлаждении и нагреве рабочего тела. При этом извлекается энергия, которая возникает при изменении объема рабочего тела. Двигатель Стирлинга может работать от любого источника тепла.

2. Паровые машины. Главный их плюс - это простота и отличные тяговые качества, на которые не влияет скорость работы. При этом можно обходиться без редуктора. Этим паровая машина отличается в лучшую сторону от двигателя внутреннего сгорания, выдающего на малых оборотах недостаточное количество мощности. По этой причине паровую машину удобно использовать в качестве тягового двигателя. Недостатки: низкий КПД, невысокая скорость, постоянный расход воды и топлива, большой вес. Раньше паровые машины были единственным двигателем. Но они требовали много топлива и замерзали зимой. Затем их постепенно вытеснили электродвигатели, ДВС, паровые турбины и газовые, которые обладают компактностью, более высоким КПД, универсальностью и эффективностью.

Тепловые двигатели внутреннего сгорания:

1. ДВС (расшифровывается как двигатель внутреннего сгорания) - это двигатель, в процессе работы которого, часть сгорающего топлива преобразуется в механическую энергию. Поршневые ДВС различаются по виду топлива (газовые и жидкостные), по рабочему циклу (двух- и четырехтактные), по способу приготовления рабочей смеси (карбюраторные, дизели), по типу преобразования энергии (турбинные, комбинированные, поршневые и реактивные). Первый ДВС был придуман и создан Э. Ленуаром в 1860 году. Рабочий цикл состоит из четырех тактов, по этой причине этот двигатель еще называют четырехтактным. В настоящее время такой двигатель чаще всего встречается на автомобилях.

2. Роторный ДВС. В качестве примера можно привести электрическую тепловую станцию, работающую в базовом и пиковом режимах. Этот вид двигателя относительно прост и может быть создан в любых размерах. Вместо поршней используется ротор, вращающийся в специальной камере. В ней расположены впускные отверстия и выпускные, а также свеча зажигания. При таком типе конструкции четырехтактный цикл осуществляется без механизма газораспределения. В роторном ДВС можно использовать дешевое топливо. Также он практически не создает вибраций, дешевле и надежнее в производстве, чем поршневые тепловые двигатели.

3. Ракетные и реактивные тепловые двигатели. Суть этих устройств состоит в том, чтобы тяга создавалась не с помощью винта, а посредством отдачи выхлопных газов двигателя. Могут создавать тягу в пространстве без воздуха. Бывают твердотопливные, гибридные и жидкостные).

И последний подвид - это турбовинтовые тепловые двигатели. Создание энергии происходит за счет винта и за счет отдачи газов выхлопных.

Урок 25. тепловые двигатели. кпд тепловых двигателей - Физика - 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 25. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Понятие теплового двигателя;

2)Устройство и принцип действия теплового двигателя;

3)КПД теплового двигателя;

4) Цикл Карно.

Глоссарий по теме

Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Двигатель внутреннего сгорания – двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя.

Реактивный двигатель – двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Цикл Карно – это идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов.

Нагреватель – устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет на совершение работы.

Холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела (окружающая среда или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара, т.е. конденсаторы).

Рабочее тело - тело, которое расширяясь, совершает работу (им является газ или пар)

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 269 – 273.

2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.: Дрофа,2014. – С. 87 – 88.

Открытые электронные ресурсы по теме урока

http://kvant.mccme.ru/1973/12/teplovye_mashiny.htm

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Сказки и мифы разных народов свидетельствуют о том, что люди всегда мечтали быстро перемещаться из одного места в другое или быстро совершать ту или иную работу. Для достижения этой цели нужны были устройства, которые могли бы совершать работу или перемещаться в пространстве. Наблюдая за окружающим миром, изобретатели пришли к выводу, что для облегчения труда и быстрого передвижения нужно использовать энергию других тел, к примеру, воды, ветра и т.д. Можно ли использовать внутреннюю энергию пороха или другого вида топлива для своих целей? Если мы возьмём пробирку, нальём туда воду, закроем её пробкой и будем нагревать. При нагревании вода закипит, и образовавшие пары воды вытолкнут пробку. Пар расширяясь совершает работу. На этом примере мы видим, что внутренняя энергия топлива превратилась в механическую энергию движущейся пробки. При замене пробки поршнем способным перемещаться внутри трубки, а саму трубку цилиндром, то мы получим простейший тепловой двигатель.

Тепловой двигатель – тепловым двигателем называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

Вспомним строение простейшего двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень. Поршень с помощью шатуна соединяется с коленчатым валом. В верхней части каждого цилиндра имеются два клапана. Один из клапанов называют впускным, а другой – выпускным. Для обеспечения плавности хода поршня на коленчатом вале укреплен тяжелый маховик.

Рабочий цикл ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Во время первого такта открывается впускной клапан, а выпускной клапан остается закрытым. Движущийся вниз поршень засасывает в цилиндр горючую смесь.

Во втором такте оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.

В третьем такте, когда поршень оказывается в верхнем положении, смесь поджигается электрической искрой свечи. Воспламенившаяся смесь образует раскаленные газы, давление которых составляет 3 -6 МПа, а температура достигает 1600 -2200 градусов. Сила давления толкает поршень вниз, движение которого передается коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок маховик будет дальше вращаться по инерции, обеспечивая движение поршня и при последующих тактах. Во время этого такта оба клапана остаются закрытыми.

В четвертом такте открывается выпускной клапан и отработанные газы движущимся поршнем выталкиваются через глушитель (на рисунке не показан) в атмосферу.

Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Q1 – количество теплоты полученное от нагревания

Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику

– работа, совершаемая двигателем за цикл.

Этот КПД является реальным, т.е. как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

Зная мощность N и время работы t двигателя работу, совершаемую за цикл можно найти по формуле

Передача неиспользуемой части энергии холодильнику.

В XIX веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ определения КПД (через термодинамическую температуру).

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Сади Карно, выясняя при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из 2 адиабатных и двух изотермических процессов

Цикл Карно - самый эффективный цикл, имеющий максимальный КПД.

Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

Формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1.

Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

Тепловые двигатели – паровые турбины, устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном – поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном – двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на железнодорожном – тепловозы с дизельными установками; в авиационном – поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

КПД:

Паровой двигатель – 8%.

Паровая турбина – 40%.

Газовая турбина – 25-30%.

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.

Дизельный двигатель – 40– 44%.

Реактивный двигатель – 25%.

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

Примеры и разбор решения заданий

1. Какую среднюю мощность развивает двигатель автомобиля, если при скорости 180 км/ч расход бензина составляет 15 л на 100 км пути, а КПД двигателя 25%?

Дано: v=180км/ч = 50 м/с, V = 15 л = 0,015 м3, s = 100 км = 105 м, ɳ = 25% = 0,25, ρ = 700 кг/м3, q = 46 × 106 Дж/кг.

Найти: N.

Решение:

Запишем формулу для расчёта КПД теплового двигателя:

Работу двигателя, можно найти, зная время работы и среднюю мощность двигателя:

Количество теплоты, выделяющееся при сгорании бензина, находим по формуле:

Учитывая всё это, мы можем записать:

Время работы двигателя можно найти по формуле:

Из формулы КПД выразим среднюю мощность:

.

Подставим числовые значения величин:

После вычислений получаем, что N=60375 Вт.

Ответ: N=60375 Вт.

2. Тепловая машина имеет КПД 25 %. Средняя мощность передачи теплоты холодильнику составляет 4 кВт. Какое количество теплоты рабочее тело получает от нагревателя за 20 с?

Дано: ɳ = 25%, N = 4000 Вт, t = 20 с.

Найти: Q1.

Решение

  =

– это количество теплоты, отданное холодильнику

Тепловые двигатели - FizikatTYT

Тепловой двигатель – это устройство, преобразующее тепловую энергию  в механическую работу.

Иногда дается такое определение:

Тепловой двигатель преобразует внутреннюю энергию рабочего тела в механическую.

Итак, для теплового двигателя необходимо рабочее тело (газ или пар), нагреватель. Кроме того, в системе должна быть разница температур, чтобы рабочее тело, после совершения работы, могло отдать теплоту; то есть кроме нагревателя, нужен холодильник.

Классификация тепловых двигателей

Различие между теплотой и внутренней энергией условно, оно принято в термодинамике, отражает специфику рассматриваемых этой наукой объектов. Если пар в котле нагревается внешним источником, или система охлаждается, отдавая тепло в окружающую среду, то говорят о поступающей извне или отдаваемой в окружающую среду теплоте. Если в цилиндре воспламеняется бензин, и расширяющийся газ толкает поршень, то говорят о преобразовании внутренней энергии рабочего тела.

В связи с этим термодинамике принята классификация устройств:

  1. Двигатели внешнего сгорания, преобразующие внешнюю теплоту (паровая машина, паровая турбина)
  2. Двигатели внутреннего сгорания, преобразующие внутреннюю энергию топлива (ДВС, реактивный двигатель)

Первый двигатель внешнего сгорания был изобретен в древнем Риме. Пар, направленный по изогнутым трубам из сферы с кипящей водой, заставлял ее вращаться.  Это был просто эффектный эксперимент, игрушка, ее не использовали для работы. Производство машин и применение их в промышленности не было актуально при рабовладении, оно  началось тогда, когда стало экономически выгодным.
Отметим, что к тепловым двигателям относятся устройства с принципиальными различиями в конструкции и логике работы: турбина, реактивный двигатель и циклические двигатели.

Термодинамика, как наука, сформировалась в процессе работы над цикличными двигателями. В следующем разделе пойдет речь о цикличных двигателях, их КПД, а также о втором начале термодинамики.

Преобразование энергии в тепловых двигателях

Создание парового двигателя ознаменовало начало научно-технической революции, но сами паровые двигатели поначалу были несовершенны. Они развивали большую мощность, но потребляли слишком много топлива.

Если сравнить работу первых двигателей с тягловой силой лошади, то окажется, что лошадь гораздо эффективнее использует «горючее» — овес и сено. Ученые отмечали, что организм «сжигает» еду: ведь человек и животные  вдыхают кислород, а выдыхают углекислый газ и водяной пар; так же поступает топка с горящими дровами.

Именно тогда научились считать калории. Энергию пищи оценили по тому количеству теплоты, которая выделится при ее сжигании. По шкале «калорийности» можно сравнивать овес, уголь и бензин. И по этой шкале первые паровые двигатели были крайне неэффективны: только 1\% — 2\% сгоревших калорий превращались в полезную работу.

Делались попытки усовершенствовать машины, иногда они давали лучший эффект, иногда худший; требовалась теоретическая база для того, чтобы добиться наилучшего варианта.

Основоположники термодинамики прежде всего решали вопрос: может ли вся теплота, передаваемая паровой машине, преобразоваться в работу? В механике преобразование потенциальной энергии в кинетическую может происходить с очень малыми потерями. В основном мешает трение, но во многих задачах трением можно пренебречь.  Представим, что мы так же сведем к нулю трение поршня о цилиндр, непроизводительные потери тепловой энергии. Можно ли представить себе идеальный циклический двигатель, в котором вся теплота переходит в работу?

По первому началу термодинамики, теплота расходуется на работу и увеличение внутренней энергии:

Q = A + DU

Пусть DU = 0. Теплота заставила пар расширяться, пар привел в движение поршень, тот совершил работу. При этом температура пара и его внутренняя энергия не изменилась, Пренебрежем потерями и допустим, что вся теплота перешла в механическую работу: Q = A

Но  мы рассматриваем цикличный двигатель. Поршень переместился, совершив работу; теперь его нужно вернуть в исходное состояние.

Если перемещать поршень, сжимая пар, то придется совершить работу не меньшую, чем А. Но это значит, что никого выигрыша не произошло, и коэффициент полезного действия нулевой, даже при отсутствии потерь!

Чтобы уменьшить работу по обратному перемещению поршня, разрешим внутренней энергии меняться. Если пар охладить, его давление уменьшится, и работа по перемещению поршня будет меньше, чем совершенная в рабочем цикле.

Вот эта разность работ и будет полезной отдачей двигателя.

На графике p(v) прямой и обратный ход поршня показан линиями abc и cda, образующими замкнутую фигуру. Площадь замкнутой фигуры abcd  соответствует полезной работе. Площадь фигуры V1abcV2 – это работа прямого хода, площадь V2cdaV1 – соответствует работе обратного хода.

Таким образом, тепловому двигателю нужен не только нагреватель, но и холодильник; чаще всего в роли холодильника выступает окружающая среда, которой передаются остатки тепла

В идеальном случае совершенная за цикл работа соответствует разнице между теплотой, которое имело нагретое рабочее тело, и той теплотой, которая осталась у рабочего тела после охлаждения:

А=Q1 — |Q2|

Коэффициент полезного действия идеального двигателя равен отношению работы к полученной от нагревателя теплоте:

Эта формула показывает предел КПД, который не может быть превышен тепловым двигателем при определенных параметрах нагревателя и холодильника. Реальный КПД двигателя зависит от его конструкции, и он всегда меньше идеального значения.

Итак, КПД двигателя всегда меньше единицы, поскольку часть тепловой энергии  должна отдаваться холодильнику. Это является отражением второго начала термодинамики

Одна из формулировок второго начала термодинамики:

Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара. (Такой процесс называется процессом Томсона).

Адиабатный процесс и цикл Карно

При конструировании теплового двигателя важную роль сыграло понимание адиабатного процесса.

Адиабатный процесс в идеальном газе происходит без обмена теплотой с окружающей средой.

Математическая формула адиабатного процесса:

p*Vk = const

где p – давление, V – объем, k – показатель адиабаты, равный отношению теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме.

Рассмотрим, как применяется адиабатный процесс в термодинамике.

Задача конструкторов при разработке двигателя – приблизиться к идеальному значению КПД. Для этого нужно определить наилучший термический цикл тепловой машины и конструкцию, соответствующую двигателю с таким циклом.

Правило для тепловых машин сформулировал в 1824 году Санди Карно, французский ученый. В своей теоретической модели он использовал свойства идеального газа.

Его идея заключалась в том, чтобы расширение газа при прямом ходе шло изотермически, без изменения температуры, и так же изотермически, но при пониженной температуре, происходило сжатие газа при обратном ходе.

Для перехода между верхней и нижней изотермами Карно предложил использовать адиабатическое расширение и адиабатическое сжатие.

Наиболее наглядно цикл Карно изображается на TS диаграмме, по которой можно оценить изменение энтропии системы и ее температуры:

Изменение объема и давления при цикле Карно можно видеть на PS диаграмме:

Изображение цикла на TS диаграмме показывает зависимость КПД от абсолютных значений температуры нагревателя и холодильника:

Последняя формула позволяет сделать важный вывод: КПД двигателя зависит от абсолютной температуры холодильника, и наибольший КПД=1 может быть достигнут только при температуре холодильника TX = 0°K, или t= -273°C.

Реальный тепловой двигатель имеет меньший КПД, чем идеальный двигатель Карно, поскольку обеспечить полностью адиабатный процесс, без теплообмена с окружающей средой, невозможно. Кроме того, изотермическое расширение и сжатие реального газа возможно только при достаточно медленных процессах, а их ускорение приводит к изменению температуры.

Теория и практика

Как отразились работы теоретиков на качестве паровых двигателей? Начался быстрый процесс совершенствования этой техники. В семидесятые годы девятнадцатого века паровозы отчаянно дымили и имели КПД = 3\%, а в 1910 году паровозы дымили не меньше, но имели КПД = 7-9\%. Это большой прогресс, но подняться выше при разработке паровых машин не удалось.

На смену паровозам пришли двигатели внутреннего сгорания: их КПД сразу же превысил паровые двигатели, составил 25\%. Современные дизельные двигатели, с электронной системой управления, имеют КПД=40\%.

Является ли это пределом? Для двигателей внутреннего сгорания, пожалуй, является. Но есть более производительные тепловые машины: это турбины. Нагретый газ, непрерывной струей вырываясь из сопла, вращает турбину; это не цикличный, а постоянный процесс, и при его реализации без особого труда достигается  КПД=60\%. Недаром сейчас активно разрабатываются турбодвигатели.

Тепловой двигатель - это... Что такое Тепловой двигатель?


Тепловой двигатель
        Двигатель, в котором тепловая энергия преобразуется в механическую работу. Т. д. составляют наибольшую группу среди первичных двигателей и используют природные энергетические ресурсы в виде химического или ядерного топлива. В основе работы Т. д. лежит замкнутый (или условно замкнутый) термодинамический цикл (см. Цикл двигателя). Эффективность работы идеального Т. д. определяется термодинамическим кпд (см. Круговой процесс). Работа реального Т. д., имеющего дополнительные потери, например на трение, вихреобразование, тепловые потери, оценивается так называемым эффективным кпд, то есть отношением механической работы на выходном валу Т. д. к подведённой тепловой энергии. Эффективный кпд Т. д. колеблется в пределах 0,1—0,6. По типу машин, осуществляющих рабочие термодинамические процессы, Т. д. подразделяются на поршневые двигатели (см. Поршневая машина), роторные двигатели (См. Роторный двигатель) и реактивные двигатели (См. Реактивный двигатель). Возможны комбинации этих типов Т. д., например Турбореактивный двигатель, Ванкеля двигатель. По способу подвода теплоты для нагрева рабочего тела Т. д. подразделяются на двигатели внутреннего сгорания (См. Двигатель внутреннего сгорания), в которых процессы сгорания топлива и преобразования теплоты в механическую работу происходят в одних и тех же рабочих полостях (цилиндрах) Т. д., и двигатели внешнего сгорания, в которых рабочее тело получается (или нагревается) вне самого Т. д. в специальных устройствах (см., например, Стирлинга двигатель, Паровая машина).

         О. Н. Емин.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.

  • Тепловой вакуумметр
  • Тепловой комфорт

Смотреть что такое "Тепловой двигатель" в других словарях:

  • ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ — двигатель, работающий на принципе преобразования тепловой энергии в механическую. К Т. Д. относятся все паровые двигатели и двигатели внутреннего сгорания. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское Издательство НКВМФ… …   Морской словарь

  • ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ — ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, любой двигатель, который превращает тепловую энергию (обычно сжигаемого топлива) в полезную механическую энергию. Таким образом, все ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ являются тепловыми двигателями …   Научно-технический энциклопедический словарь

  • тепловой двигатель — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN thermal machine …   Справочник технического переводчика

  • Тепловой двигатель — Тепловой двигатель  устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры. (Возможно… …   Википедия

  • ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ — двигатель, в к ром тепловая энергия преобразуется в механич. работу. Т. д. используют природные энергетич. ресурсы в виде хим. или ядерного топлива. Т. д. подразделяются на поршневые двигатели (см. Поршневая машина), роторные двигатели и… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ — тепловой двигатель, внутри к рого происходит сжигание топлива и преобразование части выделившейся теплоты в механич. работу. Различают Д. в. с. поршневые, в к рых весь рабочий процесс осуществляется полностью в цилиндрах; газотурбинные, в к рых… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • Двигатель внутреннего сгорания —         Тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую работу.          Первый практически пригодный газовый Д. в. с. был сконструирован французским механиком Э. Ленуаром… …   Большая советская энциклопедия

  • Двигатель авиационный — тепловой двигатель для приведения в движение летательных аппаратов (самолётов, вертолётов, дирижаблей и пр.). С момента зарождения авиации и до конца Второй мировой войны единственным практически используемым Д.а. был поршневой двигатель… …   Энциклопедия техники

  • ТЕПЛОВОЙ — ТЕПЛОВОЙ, тепловая, тепловое (физ.). прил. к тепло1 в 1 знач., к теплота в 3 знач. и к тепловая энергия (см. ниже). Тепловой луч. Тепловой двигатель (преобразующий тепловую энергию в механическую). Тепловой прибор. Тепловое хозяйство Москвы. ❖… …   Толковый словарь Ушакова

  • ДВИГАТЕЛЬ — устройство, преобразующее один вид энергии в др. вид или механическую работу; (1) Д. внутреннего сгорания тепловой двигатель, внутри которого происходит сжигание топлива и часть выделившейся при этом теплоты преобразуется в механическую работу.… …   Большая политехническая энциклопедия

Урок 8. законы термодинамики и кпд тепловых двигателей - Естествознание - 11 класс

Естествознание, 11 класс

Урок 8. Законы термодинамики и КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

  • Чем ограничен КПД теплового двигателя.
  • Что такое идеальный тепловой двигатель.
  • Как вычислить КПД идеальной тепловой машины.

Аддитивность энтропии – энтропия системы равна сумме энтропий её частей.

Адиабата (адиабатный процесс) – это процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой

КПД теплового двигателя – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Вечный двигатель второго рода – это воображаемое неограниченно долго действующее устройство, позволяющее получать большее количество полезной работы, чем количество сообщённой ему извне энергии.

Идеальный тепловой двигатель – это такой двигатель, в котором все процессы могут быть проведены обратимым образом и так, что в каждый момент его состояние являлось бы равновесным.

Изотерма (изотермический процесс) – это процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянной температуре.

Тепловой двигатель – это тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры.

Энтропия – приведённое количество тепла, отнесённое к абсолютной температуре.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1.Естествознание. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., – М.: Просвещение, 2017.: с 53 -58.

2. Элементарный учебник физики под редакцией академика Г.С. Ландсберга. Том 2. Электричество и магнетизм.–12-е изд. – М.:ФИЗМАТЛИТ, 2001. – 480 с.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Человек в своей повседневной жизни очень часто встречается с физическими явлениями и законами. Неограниченными являются запасы внутренней энергии, которая находится в океанах и земной коре. Человек должен уметь использовать данную энергию, а именно за счёт энергии приводить в действия такие устройства, которые способны совершать работу.

Такие устройства принято называть тепловыми двигателями, которые способны превращать энергию в механическую энергию.

Ещё в III веке до нашей эры, Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара.

Общие черты тепловых двигателей:

1) энергия топлива → механическая энергия.

Происходит превращение во внутреннюю энергию газа или пара, котрые нагреты до высокой температуры.

2) Необходимо наличие двух тел, которые обладают разными температурами (нагреватель и холодильник), а также рабочее тело (пар или газ).

При работе теплового двигателя рабочее тело забирает у нагревателя теплоту Q1 и превращает часть её в механическую энергию А, а ту часть теплоты, которая не перешла в энергию Q2 передает холодильнику. По закону сохранения и превращения энергии A=Q1-Q2

Необходимые условия для работы теплового двигателя:

Нагреватель;

Рабочее тело,

Холодильник.

Виды тепловых двигателей

Основной характеристикой тепловых двигателей является КПД, которое подчиняется первому и второму закону термодинамики (передача тепла происходит от более нагретого тела к менее нагретому).

Коэффициентом полезного действия – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя. КПД выражают в процентах:

Qн – теплота, полученная от нагревателя, Дж

Qх - теплота, отданная холодильнику, Дж

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то Т<l.

КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При Т1- Т2 = О двигатель не может работать.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру Т1 и холодильником с температурой Т2.

Второй закон термодинамики - невозможно передать тепло от более холодного тела к более горячему так, чтобы в окружающей тела системе ничего не изменилось Данный закон запрещает существование вечного двигателя второго рода.

Рассмотрим схему работы теплового двигателя, предположив, что изображённая система замкнута.

Вычислим изменение энтропии всей системы за один цикл пользуясь свойствами энтропии:

- аддитивность энтропии

- энтропия является постоянной функцией

Получим уравнение суммарного изменения энтропии всей системы:

Третий закон термодинамики - невозможен процесс, в результате которого тело могло бы быть охлаждено до температуры абсолютного нуля.

В 19 веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади рассмотрел гипотетический тепловой двигатель, соответствующий которому цикл, состоит из двух адиабат и двух изотерм. Впоследствии этот цикл был назван циклом Карно. Особенностью цикла Карно является то, что в отличие от других термодинамических циклов он может быть проведен обратимым образом. Это свойство обеспечивает максимальное значение КПД цикла Карно по отношению к другим циклам, работающим с тем же нагревателем и холодильником. Соответствующий тепловой двигатель был назван «идеальным тепловым двигателем». КПД такой идеальной машины может быть выражен следующим образом:

Тн – термодинамическая температура нагревателя, К

Тх - термодинамическая температура холодильника, К.

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Тн, и холодильником с температурой Тх, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

Идеальный тепловой двигатель – это такой двигатель, в котором все процессы могут быть проведены обратимым образом и так, что в каждый момент его состояние являлось бы равновесным.

Современный мир не может обойтись без тепловых двигателей, так как благодаря им человечество имеет:

дешёвую электроэнергию;

двигатели для скоростного транспорта;

используются на тепловых электростанциях, приводят в движение роторы генераторов электрического тока;

установлены на всех АЭС для получения пара высокой температуры;

основные виды современного транспорта (на автомобильном- поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном- двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на ж/д- тепловозы с дизельными установками; в авиации- поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели).

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Непрерывное развитие энергетики, развитие транспорта, возрастание потребления угля, нефти, газа в промышленности и на бытовые нужды приводит к тому, что количество ежегодно сжигаемого в тепловых двигателях химического топлива возрастает, что и приводит к сложной проблемеохрана природы от вредного влияния продуктов сгорания.

При сжигании топлива происходит следующее:

  1. используется кислород из атмосферы, а следовательно содержание кислорода в воздухе постоянно уменьшается.
  2. выделение в атмосферу углекислого газа, что приводит к парниковому эффекту.
  3. загрязнение атмосферы азотными и серными соединениями, которые оказывают вред флоре, фауне и здоровью человека.
  4. проблема захоронения радиоактивных отходов атомных станций.

Для охраны окружающей среды необходимо обеспечить:

  1. эффективную очистку выбрасываемых в атмосферу отработанных газов;
  2. использование качественного топлива и создания условий для полного его сгорания;
  3. повышение КПД тепловых двигателей за счет уменьшения потерь на трение и полного сгорания топлива и др.

В настоящее время рассматривается использование водорода в качестве горючего, так как при сгорании водорода образуется вода, также проводятся исследования по созданию электромобилей, которые в скором времени будут способны заменить автомобили с бензиновым двигателем.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Тепловой двигатель за один цикл получает от нагревателя 100 кДж теплоты и отдает холодильнику 60 кДж. Чему равен КПД этого двигателя (%)?

а)60

б) 67

в) 40

г) 25

Ответ: B.

Задание 2. Расположите в хронологическом порядке появление тепловых двигателей:

Варианты ответов:

1. Дж. Уатт

2.Т. Севери

3. И. Ползунов

4. Д. Папен

Правильные варианты:

1.1698 год Т. Севери

2.1707 годД. Папен

3.1763 год И. Ползунов

4. 1774 год Дж. Уатт

Тепловые двигатели. Термодинамические циклы. Цикл Карно

Устройство, имеющее способность преобразовывать полученную теплоту в механическую работу носит название теплового двигателя. В таких машинах механическая работа совершается в процессе расширения вещества, называющегося рабочим телом. Его роль обычно исполняют газообразные вещества, вроде паров бензина, воздуха и водяного пара.

Определение 1

Рабочее тело приобретает или отдает тепловую энергию при теплообмене с телами, которые имеют внушительный запас внутренней энергии. Такие тела называют тепловыми резервуарами.

Исходя из первого закона термодинамики, можно сделать вывод, что полученное газом количество теплоты Q полностью преобразуется в работу A в условиях изотермического процесса, при котором внутренняя энергия не претерпевает изменений (ΔU=0): 

A=Q

Однако, подобный однократный акт превращения теплоты в работу для техники не представляет интереса. Существующие тепловые двигатели, такие как паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и им подобные, работают циклически. Необходимо периодическое повторение процесса теплопередачи и преобразования полученной теплоты в работу. Чтобы данное условие выполнялось, рабочее тело должно совершать круговой процесс или же термодинамический цикл, при котором исходное состояние с периодически восстанавливается. На рисунке 3.11.1 в виде диаграммы (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых проиллюстрированы круговые. В условиях расширения газ производит положительную работу A1, эквивалентную площади под кривой abc. При сжатии газ совершает отрицательную работу A2, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A=A1+A2 на диаграмме (p, V) равняется площади цикла. Работа A положительна, в том случае, если цикл проходит по часовой стрелке, и A отрицательна, когда цикл проходит в противоположном направлении.

Тепловые двига

Тепловые двигатели | Автомобильный справочник

Тепловые двигатели, это тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры. Обычно работа совершается за счет изменения объема вещества, но иногда используется изменение формы рабочего тела (в твердотельных двигателях). Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики. Для работы необходимо создать разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Для работы двигателя обязательно наличие разницы температур, производится нагревание рабочего тела (газа), который совершает работу за счет изменения своей внутренней энергии. Повышение и понижение температуры осуществляется, соответственно, нагревателем (например, при сжигании топлива) и охладителем, в роли которой используется окружающая среда.

 

Оглавление:

 

Принцип действия и концепция

 

Двигатели внутреннего сгорания классифици­руются как тепловые двигатели. Существенной особенностью теплового двигателя является прямой термодинамический цикл, который характеризуется совершением работы.

В отличие от тепловых двигателей тепловые насосы, также называемые холодильными машинами, характеризуются обратным тер­модинамическим циклом, т.е. требуют для своей работы внешнего привода.

Принцип действия тепловых двигателей всегда один и тот же. Рабочая среда сжима­ется с подводом энергии и соответствующим увеличением давления. За этим следует рас­ширение, сопровождаемое совершением работы. В разомкнутых циклах среда, совер­шившая работу, выпускается наружу. В замкнутых циклах начальное состояние должно быть восстановлено путем охлаждения рабо­чей среды перед началом сжатия.

Многие тепловые двигатели характеризу­ются подводом энергии в процессе сгорания топлива (табл. «Характеристики и принцип действия тепловых двигателей» ). Во время сгорания топлива химически связанная в топливе энергия вы­деляется в виде тепла, необходимого для совершения цикла. В процессе горения про­исходит соединение веществ, содержащих углерод и водород, с кислородом (окисле­ние), поэтому воздух с объемным содержа­нием кислорода приблизительно 21% со­ставляет значительную часть рабочей среды.

 

 

Направление цикла подвода энергии

 

Важным фактором, определяющим на­правление цикла, является способ подвода энергии. Здесь различаются стационарный (непрерывный) и нестационарный (цикличе­ский) подвод энергии. Для всех поршневых двигателей, включая двигатель Стирлинга, характерен нестационарный подвод энергии, который происходит, когда поршень нахо­дится в верхней мертвой точке такта сжатия, и объем цилиндра минимален.

Характерным для всех разомкнутых ци­клов является внутренний подвод энергии, достигаемый за счет подачи и сжигания топлива. В противоположность этому зам­кнутые циклы требуют подвода энергии че­рез теплообменники. Здесь прямой контакт рабочей среды с продуктами горения, если не учитывать теплопроводность, отсутствует. Уникальным в этом отношении является па­ровой двигатель, в котором рабочая среда испаряется под действием теплового потока, создаваемого внешним источником, а затем поступает в поршневой двигатель.

Тепловые двигатели также различаются в отношении используемых источников энер­гии. Используются источники энергии трех видов: твердые, жидкие и газообразные. Главное преимущество тепловых двигателей, работающих по принципу разомкнутого цикла с внутренним подводом энергии, состоит в том, что они не требуют теплообменников для обеспечения требуемого направления цикла и, следовательно, имеют более компактную конструкцию. Это преимущество может быть проявлено в еще большей степени за счет применения жидкого топлива с высокой плотностью энергии. Газовые двигатели для легковых и коммерческих автомобилей также становятся все более привлекательными (благодаря низким эксплуатационным за­тратам и относительно небольшому расходу топлива). Таким образом, двигатели внутрен­него сгорания являются наиболее совершен­ными из тепловых двигателей.

КПД дигателя внутреннего сгорания

 

Двигатель внутреннего сгорания хактеризуется разомкнутым циклом и внутренним сгоранием топлива. Нестационарный ре­жим подвода энергии позволяет получить температуру рабочей среды, усредненную по массе, на тактах впуска и сжатия свыше 2500 К и усредненные пиковые давления свыше 200 бар с очень хорошим к.п.д., свыше 40%.

В двигателях со стационарным циклом ограничения, налагаемые свойствами мате­риалов, не позволяют достигнуть давлений и температур такого порядка. В них дости­гаются только локальные пиковые темпе­ратуры около 2500 К. Поэтому, например, газовые турбины имеют более низкий к.п.д. Паровые турбины с замкнутым циклом до­стигают более высокого КПД, чем газовые, при умеренном давлении около 50 бар. Это достигается за счет значительного снижения уровня низкого давления. Максимальный КПД прочих тепловых двигателей значи­тельно ниже.

Двигатель внутреннего сгорания с возвратно-поступательным движением поршней

 

Двигатель внутреннего сгорания в его порш­невом варианте является основным типом теплового двигателя, используемого в автомобилестроении. В поршневом двигателе возвратно поступательное движение порш­ней преобразуется во вращение коленчатого вала. В принципе двигатели могут работать на самых различных видах топлива, однако на сегодняшний день основными источниками энергии для них остаются дизельное топливо и бензин.

 

 

Рабочие циклы двигателя

 

Основные принципы

 

Цикл представляет собой термодинамиче­ский процесс, имеющий идентичные началь­ное и конечное состояния. Обычно цикл про­ходит через несколько изменений состояния, сопровождающихся совершением тепловым двигателем работы. При этом рабочая среда цикла претерпевает термодинамические из­менения состояния.

Изменения состояния (см. Термодинамика) различаются в отношении того, совершается работа W в форме работы при изменении объема ∫pdV или имеет место теплообмен с окружающей средой Q=∫TdS. Диаграмма «давление-объем» (диаграмма p-V, рис. «Иллюстрация термодинамического цикла при помощи диаграммы p-V» ) демонстрирует, производится ли работа и в каком количестве, в то время как диаграмма «температура-энтропия» (диаграмма T-S, рис.  «Иллюстрация термодинамического цикла при помощи диаграммы T-S» ) иллюстрирует теплообмен, проис­ходящий в замкнутой системе.

 

 

Интеграл работы при изменении объема ∫pdV можно интерпретировать на диаграмме p-V, как площадь, заключенную между лини­ями изменения состояния. Если цикл направ­лен вправо, по часовой стрелке, т.е. область располагается справа от линии изменения состояния, интеграл является в математи­ческом смысле положительным. При этом цикл совершает работу. Рабочие циклы холо­дильных машин и компрессоров направлены влево, т.е. против часовой стрелки.

В дополнение к термину «работа при изме­нении объема» ∫pdV, который обычно ис­пользуется применительно к двигателям вну­треннего сгорания, существует также термин «техническая работа»

Wt=∫Vdp,

который ча­сто используется применительно к машинам с непрерывным потоком рабочей среды, та­ким как газовые турбины. Из интерпретации работы, как площади на диаграмме р-V, ясно, что обе формы работы в иллюстрируемом цикле в отношении количества идентичны.

Для совершения в цикле работы должен иметь место подвод тепла. В обратимом ци­кле (без энергии рассеивания Еd) количество добавленного тепла

Q=∫TdS

равно инте­гралу температуры по изменению энтропии. На диаграмме Т-S количество тепла, добав­ленного в замкнутом цикле, соответствует замкнутой площади (рис. «Иллюстрация термодинамического цикла при помощи диаграммы T-S» ).

В соответствии с первым законом термо­динамики (см. «Термодинамика»):

∫dU=∫TdS+∫dEa-∫pdV,

где U означает энергию.

Для обратимого цикла с идентичными начальной и конеч­ными точками ∫dU=0. Количество тепла, подведенного к циклу, должно создаваться, в то время как рассеиваемое тепло возвраща­ется неиспользуемым в окружающую среду. К.п.д. цикла, следовательно, определяется, как отношение общей произведенной работы W (сумма работ, совершенных подведенным и рассеянным теплом) к количеству добавлен­ного тепла Qadd:

ηth = W/Qadd = |∫pdV | / Qadd

 

 

Идеальный цикл Карно

 

Поскольку каждый цикл, сопровождающийся совершением работы, предполагает подвод тепла, в ходе цикла также имеет место изменение температуры. В 1824 году Николя Леонард Сади Карно описал изменения со­стояния в цикле, который достигает мак­симального к.п.д. между двумя данными температурными пределами. Поскольку наилучший к.п.д. может быть достигнут при отсутствии рассеивания тепла, подвод и рас­сеивание тепла должны происходить изотер­мически. Идеальным для совершения работы является адиабатический цикл. Цикл Карно, следовательно, состоит из изотермического поглощения и рассеивания тепла и изоэнтро- пического (адиабатического и обратимого) сжатия и расширения (рис. «Цикл Карно» ).

 

 

Применяя первый закон термодинамики, можно сделать вывод, что при изотермиче­ском изменении состояния идеального газа внутренняя энергия остается неизменной, а работа равна количеству добавленного тепла. При этом применимо следующее выражение:

∫dU = ∫TdS — ∫pdV = 0.

При адиабатическом изменении состояния работа эквивалентна изменению внутренней энергии и, соответственно, температуры. При этом применимо следующее выражение:

∫dU=0 — ∫pdV.

Для к.п.д. может быть выведено выражение

ηс = W/Qadd = (QaddQdiss) / Qadd = (Tmax-Tmin) / Tmax

Этот тепловой КПД является максималь­ным КПД, который может быть получен на машине, работающей в диапазоне двух температурных пределов. Никакой другой цикл не достигает к.п.д. такого уровня. Од­нако на практике выясняется, что работа, произведенная при данном изменении объема Vmax-Vmin, мала, и для достиже­ния плотности энергии, сравнимой с дру­гими циклами, требуются очень высокие пиковые давления рmax. Даже обеспечение практически изотермической теплопере­дачи затруднено, поскольку это требует применения больших теплообменников.

Отсюда следует, что в контексте тепловых двигателей этот цикл имеет скорее теорети­ческое значение, однако он играет важную роль в рассмотрении эксергии (максималь­ной работы, которая может быть получена при данном уровне энергии) и анэргии (энер­гии, которая не может быть использована), а также в отношении тепловых насосов и холодильных установок.

Основные циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

 

Поскольку фазы расширения и сжатия в двигателях с возвратно-поступательным движением поршней могут быть описаны адиабатической кривой, различные циклы отличаются способом подвода тепла. Про­цесс газообмена (цикл нагнетания) обычно заменяется теплообменом с окружающей средой (в целях упрощения предполагается, что процесс протекает при постоянной массе) для замыкания цикла.

Можно предположить, что подвод тепла в форме высвобождения химически связанной энергии («высвобождения тепла» или «про­цесса горения») может быть относительно медленным или очень быстрым. В цикле при постоянным объеме предполагается, что все тепло высвобождается в верхней мертвой точке (ВМТ) поршня за бесконечно малое время. Это изменение состояния может быть описано циклом при постоянном объеме.

Если высвобождение тепла происходит в течение конечного времени, можно предпо­ложить, что имеет место цикл при постоян­ном давлении. Здесь снижение давления вследствие расширения компенсируется по­вышением давления вследствие подвода тепла во время горения топлива.

Комбинация циклов при постоянном дав­лении и постоянном объеме представляет собой цикл Зейлигера при предельном дав­лении, посредством которого была сделана попытка приблизиться к реальному процессу сгорания топлива в поршневых двигателях.

Идеальный термодинамический цикл сгора­ния (цикл при постоянном объеме)

 

Предполагается, что подвод тепла в верхней мертвой точке осуществляется мгновенно и может быть описан, как изохорическое изме­нение состояния (рис. 2—>3, «Идеальные циклы при постоянном объеме» ). Цикл заряда (4—>1) моделируется в упрощенной форме изохорическим рассеиванием тепла в окру­жающую среду. Таким образом, в течение этих двух фаз работа с изменением объема не производится:

W=∫pdV=0.

 

 

Сжатие (1—>2) и расширение (3—>4) рас­сматриваются как адиабатические процессы. Применение к этим двум фазам первого за­кона термодинамики дает dU= pdV, т.е. W12=mcv(T2— Т1), a W34= mcv(T4— Т3) от­носится к произведенной работе.

В соответствии с первым законом термо­динамики dU = TdS на стадии 2—>3, а коли­чество добавленного тепла

Q23 = mcv(T3 — Т2).

Таким образом КПД ηth может быть опреде­лен как:

 ηth = |∑W|/ Qadd = T1— Т2 + T3— Т4 / T3- Т2

где подвод тепла осуществляется на протя­жении всех стадий цикла, a Qadd обозначает количество добавленного тепла. Предпола­гая, что расширение и сжатие являются адиа­батическими, можно показать, что:

Т4 / T1 = Т3 / T2

Таким образом, в целях упрощения:

ηth = 1Т1 / T2 = 1-ε1-k

Предполагается, что теплоемкости во время сжатия и расширения идентичны. Этот спо­соб выведения КПД из степени сжатия ε и изоэнтропической экспоненты к предпола­гает, что газ является идеальным.

При увеличении степени сжатия к.п.д. воз­растает (рис. «КПД идеальных циклов» ). В бензиновых двигателях степень сжатия ограничивается детонацией. Обычно для бензиновых двигателей с атмос­ферным всасыванием воздуха коэффициент сжатия составляете ε=10-12, а максимальное давление — приблизительно 60 бар. Двигатели с турбонаддувом, вследствие ограничений, связанных с детонацией, имеют более низкую степень сжатия, равную ε =9-10. При этом до­стигаются пиковые давления до 120 бар. Двига­тели с прямым впрыском топлива и послойным распределением заряда топлива имеют степень сжатия ε > 12; при частичной нагрузке потен­циал степени сжатия составляет даже до ε=14.

Двигатель Стирлинга (Роберт Стирлинг, 1816 ) может работать в соответствии с принципом и переменного рабочего объема, но в своих реализованных формах изменений состояния демонстрирует сходство с циклами при постоянном объеме. Фазы адиабатического сжатия и расширения, однако, характеризуются изотермическими линиями. В принципе, это дает высокий КПД, идентичный КПД цикла Карно.

Цикл при постоянном давлении

 

Естественно предположить, что для дости­жения высокой мощности процессы подвода и высвобождения тепла должны быть изо­барическими (рис. «Идеальные циклы при постоянном объеме» ). Этот цикл обычно ис­пользуется в дизельных двигателях, которые ограничены в отношении пикового давления и работают с конечной продолжительностью впрыска топлива и распространения пламени. Цикл заряда (4—>1) снова моделируется в упрощенной форме, как рассеивание тепла в окружающую среду. Процессы сжатия (1—>2) и расширения(3—>4) рассматриваются как адиабатические. Здесь применимы те же по­ложения, которые были указаны для цикла при постоянном объеме.

Изобарическое изменение

 

Во время изобарического изменения со­стояния имеет место как подвод тепла, так и выполнение работы (2—>3). В качестве ха­рактеристического значения количества подведенного тепла используется объем в конце изобарического изменения состояния, называемый «объемом впрыснутого топлива» V3 (рис. «Идеальные циклы при постоянном объеме» ), и определяется «ко­эффициент впрыска» φ = V3/V2. Однако, его не следует путать с количеством впрыс­нутого топлива.

В соответствии с первым законом термо­динамики, dU = TdS-pdV на стадии 2—>3 и для количества добавленного тепла:

Q23 = mcv (T3 — T2)+ pmax(V3 — V2).

Таким образом, к.п.д. может быть определен как

ηth = ε1-k/ (φк — 1)/(φ-1).

Предположения аналогичны сделанным для цикла при постоянном объеме. КПД, дости­жимый при такой же степени сжатия, ниже, чем для цикла при постоянном объеме. Од­нако, поскольку дизельные двигатели рабо­тают с более высокой степенью сжатия, и их КПД в общем случае выше (см. рис. «КПД идеальных циклов» ). Следовательно, при разработке дизельных двигателей следует стремиться к получению высокого пикового давления.

Максимальные допустимые пиковые давления для двигателей легковых ав­томобилей составляют около 180 бар, а для двигателей коммерческих автомоби­лей — более 220 бар. Степень сжатия для процессов прямого впрыска топлива, при­меняемых в настоящее время, составляет ε = 16 -19. В случае запаздывания впрыска конечное давление сжатия фактически соот­ветствует пиковому давлению, и дизельный цикл имеет сходство с циклом при постоян­ном давлении с φ = 9.

Цикл Зейлигера с ограничением давления

 

В 1922 году Мирон Зейлигер описал ком­бинацию циклов при постоянном объеме и давлении (рис.5). Процедура вывода здесь опущена.

Введя «коэффициент повышения давле­ния» ψ = p2‘/ p2 можно вывести для к.п.д. следующее соотношение:

ηth = 1 — ε1-k(ψk — 1)/ ψ — 1 + kψ ( φ-1)

Значение к.п.д., как и ожидалось, лежит между к.п.д. циклов при постоянном давле­нии и при постоянном объеме (рис. «КПД идеальных циклов» ).

Турбодвигатели: идеальный цикл

 

Турбодвигатели, в особенности газовые тур­бины и, следовательно, двигатели с турбо­нагнетателями отработавших газов работают при постоянном массовом расходе, а не в прерывистом режиме, как поршневые дви­гатели. Соответствующий идеальный цикл был впервые описан Джеймсом Прескопом Джоулем около 1840 г., как калорический двигатель без потерь.

Предполагается, что процессы сжатия и расширения в крыльчатке компрессора и рабочем колесе турбины являются адиабати­ческими. Также предполагается, что за счет наличия камеры сгорания с постоянным по­током сгорание топлива представляет собой изобарический подвод тепла. В отличие от цикла при постоянном давлении с конечным расширением («расширением отсечки»), за счет выбранного принципа поршня, в цикле Джоуля расширение происходит до дости­жения давления окружающей среды (рис.  «Идеальные циклы при постоянном объеме» ).

Таким образом, теоретически может быть получено более высокое значение работы, и КПД становится идентичен КПД цикла при постоянном объеме. Введя коэффициент давления  П = p2/p1 = pmax / p1,получаем следующее соотношение для КПД:

ηth = 1 — T1/T2 = 1 — П(k-1)/k

В зависимости от коэффициента давления П КПД может иметь высокие значения. Однако, когда дело касается реальных тур­бодвигателей, на коэффициент давления налагаются определенные ограничения (см. «Турбонагнетатели отработавших газов»). По этой причине газовые турбины часто делают многоступенчатыми, и высокая плотность мощности достигается в них за счет высокого массового расхода топлива.

 

 

Реальные циклы

 

Идеальные циклы подходят для демонстра­ции базовых соотношений. В случае новых двигателей с пока что неизвестными характеристиками они помогают рассмотреть принцип действия и оценить КПД. Однако, для детального анализа требуется выполнить расчет реального цикла.

Реальные циклы отличаются от идеаль­ных. Различия заключаются в том, что те­плоемкости рассматриваются зависимыми от температуры или давления. Измененный химический состав отработавших газов также аппроксимируется в виде соответствующих переменных с целью учета изменений физи­ческих свойств в процессе сгорания топлива. В частности, предполагается, что имеет ме­сто не адиабатическое изменение состояния, а как минимум, одна политропная кривая с экспонентой, адаптированной к тепловым потерям, или даже имеют место тепловые потери через стенки цилиндра, например при использовании подхода Вошни, в соот­ветствии с теорией подобия Рейнольдса.

Цикл заряда рассчитывается с учетом по­терь рассеивания (потерь потока и реальных сечений потока, см. «Гидромеханика») и также учитывается влияние остаточных отра­ботавших газов. В отношении трения обычно используются эмпирические подходы, а теплотворная способность топлива вы­числяется в зависимости от коэффициента избытка воздуха. В конечном итоге осущест­вляется детальное моделирование процессов подвода тепла (сгорания топлива и нагрева) и рассеивания тепла (теплопередачи).

Важным и простым способом быстрой оценки реального цикла является его описа­ние в форме цепочки КПД. Здесь реальные циклы отображаются последовательно с уче­том отдельных характеристических величин. Примером такой характеристической вели­чины может служить механический КПД.

Общий коэффициент полезного действия

 

Общий или эффективный КПД ηeff опреде­ляет количество эффективной энергии Peff относительно энергии Qadd = mB НU, которая была подведена при массовом расходе топлива mB и его низшей теплотворной способности НU

ηeff = Peff / Qadd

При высоких нагрузках дизельные двига­тели имеют эффективный к.п.д. до 45%; эффективный к.п.д. больших, тихоходных дизельных двигателей значительно выше. Эффективный к.п.д. бензиновых двигателей в лучшем случае может достигать 40%.

Механический коэффициент полезного действия

 

Механический КПД представляет собой от­ношение эффективной мощности Peff к номи­нальной мощности Рind. Номинальная мощ­ность определяется из работы W (площадь характеристики ∫pdV для реального цикла) и времени t за один рабочий цикл, в соответ­ствии со следующим соотношением:

Рind = dW/dt ≈ ΔW/Δt

Эффективная мощность отличается от но­минальной мощности в основном учетом по­терь на трение (в поршнях и подшипниках), потерь мощности в элементах управления (распределительный вал, клапаны), во вспо­могательных агрегатах (масляный и водяной насосы, топливный насос, генератор). Для механического КПД:

ηm = Peff / Рind

Обычно механический КПД зависит от на­грузки и при полной нагрузке может дости­гать 90%, в то время как при низкой нагрузке (10%) регистрируются значения около 70%.

Фактор эффективности цикла

 

Фактор эффективности цикла описывает эффективность, с которой реальный цикл может быть аппроксимирован выбранным идеальным циклом. Поэтому он учитывает потери, в частности связанные с рассеива­нием. Для детального анализа потерь рекомендуется разделить фактор эффективности между петлей высокого давления и петлей цикла заряда (см. табл. «Графические представления и определения отдельных и общих КПД двигателей с возвратно-поступательным движением поршней»).

 

 

Обычно при расчете предполагается ра­бота с идеальным газом, с зависимыми от температуры теплоемкостями, и исполь­зуется идеальный цикл с геометрически идентичными размерами, таким же коэф­фициентом избытка воздуха, без остаточных отработавших газов, с полным сгоранием топлива и теплоизолированными стенками цилиндра. Описанный таким образом двига­тель также называется «совершенным дви­гателем». Значение фактора эффективности цикла при полной нагрузке составляет при­близительно 80-90%.

Если в расчете используется идеальный газ с постоянной теплоемкостью, можно ввести понятие «КПД совершенного двига­теля», который определяет мощность «иде­ального двигателя» относительно мощности «идеального цикла».

Коэффициент преобразования топлива

 

Бензиновые двигатели, работающие на бога­той топливовоздушной смеси (коэффициент избытка воздуха λ < 1) дают высокое содер­жание НС и СО в отработавших газах, что обычно не может быть учтено при рассмо­трении процесса подвода тепла через тепло­творную способность топлива H. Однако, экзотермичность этих газов Нu является зна­чительной, что обычно проявляется в виде высоких температур отработавших газов на выходе из каталитического нейтрализатора отработавших газов окислительного типа. Это учитывается при помощи коэффициента преобразования топлива:

ηB = (HUВ — Нu) / H

Для дизельных двигателей обычно η= 1. Для бензиновых двигателей это значение мо­жет снижаться до 0,95, а при очень богатой смеси с λ < 1 становиться еще ниже.

Цепь КПД.

 

Вся цепь к.п.д. может быть описана следую­щим образом (см. табл. «Графические представления и определения отдельных и общих КПД двигателей с возвратно-поступательным движением поршней» ):

ηeff = η1 ηm = ηth ηg ηm

В следующей статье я расскажу о гибридных приводах автомобилей.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей

Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей

«Физика - 10 класс»

Что такое термодинамическая система и какими параметрами характеризуется её состояние.
Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.

Именно создание теории тепловых двигателей и привело к формулированию второго закона термодинамики.

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии ещё недостаточно. Необходимо так же уметь за счёт энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели.

Тепловые двигатели — это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую работу.

Принцип действия тепловых двигателей.

Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счёт 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 Т1 называют температурой нагревателя.

Роль холодильника.

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т2, которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Её называют температурой холодильника. Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры окружающего воздуха.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть тепла неизбежно передаётся холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин.

Эта часть внутренней энергии топлива теряется. Тепловой двигатель совершает работу за счёт внутренней энергии рабочего тела. Причём в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику). Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 13.13.

Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q1, совершает работу А' и передаёт холодильнику количество теплоты Q2 < Q1.

Для того чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо рабочее тело вернуть в начальное состояние, при котором температура рабочего тела равна Т1. Отсюда следует, что работа двигателя происходит по периодически повторяющимся замкнутым процессам, или, как говорят, по циклу.

Цикл — это ряд процессов, в результате которых система возвращается в начальное состояние.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя.

Невозможность полного превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в природе. Если бы тепло могло самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя. Второй закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом:

Второй закон термодинамики:
невозможно создать вечный двигатель второго рода, который полностью превращал бы теплоту в механическую работу.

Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:

А' = Q1 - |Q2|,         (13.15)

где Q1 — количество теплоты, полученной от нагревателя, a Q2 — количество теплоты, отданной холодильнику.

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют отношение работы А', совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя:

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передаётся холодильнику, то η < 1.

Максимальное значение КПД тепловых двигателей.

Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, а также определить пути его повышения.

Впервые максимально возможный КПД теплового двигателя вычислил французский инженер и учёный Сади Карно (1796—1832) в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824).

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу, состоящему из двух изотерм и двух адиабат, причем эти процессы считаются обратимыми (рис. 13.14). Сначала сосуд с газом приводят в контакт с нагревателем, газ изотермически расширяется, совершая положительную работу, при температуре Т1, при этом он получает количество теплоты Q1.

Затем сосуд теплоизолируют, газ продолжает расширяться уже адиабатно, при этом его температура понижается до температуры холодильника Т2. После этого газ приводят в контакт с холодильником, при изотермическом сжатии он отдаёт холодильнику количество теплоты Q2, сжимаясь до объёма V4 < V1. Затем сосуд снова теплоизолируют, газ сжимается адиабатно до объёма V1 и возвращается в первоначальное состояние. Для КПД этой машины было получено следующее выражение:

Как следует из формулы (13.17), КПД машины Карно прямо пропорционален разности абсолютных температур нагревателя и холодильника.

Главное значение этой формулы состоит в том, что в ней указан путь увеличения КПД, для этого надо повышать температуру нагревателя или понижать температуру холодильника.

Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины: Процессы, из которых состоит цикл реальной тепловой машины, не являются обратимыми.

Формула (13.17) даёт теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем больше разность температур нагревателя и холодильника.

Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1. Кроме этого доказано, что КПД, рассчитанный по формуле (13.17), не зависит от рабочего вещества.

Но температура холодильника, роль которого обычно играет атмосфера, практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твёрдое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счёт уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д.

Для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т1 — 800 К и Т2 — 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно 62 % (отметим, что обычно КПД измеряют в процентах). Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40 %. Максимальный КПД — около 44% — имеют двигатели Дизеля.

Охрана окружающей среды.

Трудно представить современный мир без тепловых двигателей. Именно они обеспечивают нам комфортную жизнь. Тепловые двигатели приводят в движение транспорт. Около 80 % электроэнергии, несмотря на наличие атомных станций, вырабатывается с помощью тепловых двигателей.

Однако при работе тепловых двигателей происходит неизбежное загрязнение окружающей среды. В этом заключается противоречие: с одной стороны, человечеству с каждым годом необходимо всё больше энергии, основная часть которой получается за счёт сгорания топлива, с другой стороны, процессы сгорания неизбежно сопровождаются загрязнением окружающей среды.

При сгорании топлива происходит уменьшение содержания кислорода в атмосфере. Кроме этого, сами продукты сгорания образуют химические соединения, вредные для живых организмов. Загрязнение происходит не только на земле, но и в воздухе, так как любой полёт самолёта сопровождается выбросами вредных примесей в атмосферу.

Одним из следствий работы двигателей является образование углекислого газа, который поглощает инфракрасное излучение поверхности Земли, что приводит к повышению температуры атмосферы. Это так называемый парниковый эффект. Измерения показывают, что температура атмосферы за год повышается на 0,05 °С. Такое непрерывное повышение температуры может вызвать таяние льдов, что, в свою очередь, приведёт к изменению уровня воды в океанах, т. е. к затоплению материков.

Отметим ещё один отрицательный момент при использовании тепловых двигателей. Так, иногда для охлаждения двигателей используется вода из рек и озёр. Нагретая вода затем возвращается обратно. Рост температуры в водоёмах нарушает природное равновесие, это явление называют тепловым загрязнением.

Для охраны окружающей среды широко используются различные очистительные фильтры, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, совершенствуются конструкции двигателей. Идёт непрерывное усовершенствование топлива, дающего при сгорании меньше вредных веществ, а также технологии его сжигания. Активно разрабатываются альтернативные источники энергии, использующие ветер, солнечное излучение, энергию ядра. Уже выпускаются электромобили и автомобили, работающие на солнечной энергии.

Источник: «Физика - 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский



Основы термодинамики. Тепловые явления - Физика, учебник для 10 класса - Класс!ная физика

Насыщенный пар --- Давление насыщенного пара --- Влажность воздуха --- Примеры решения задач по теме «Насыщенный пар. Влажность воздуха» --- Кристаллические тела --- Аморфные тела --- Внутренняя энергия --- Работа в термодинамике --- Примеры решения задач по теме «Внутренняя энергия. Работа» --- Количество теплоты. Уравнение теплового баланса --- Примеры решения задач по теме: «Количество теплоты. Уравнение теплового баланса» --- Первый закон термодинамики --- Применение первого закона термодинамики к различным процессам --- Примеры решения задач по теме: «Первый закон термодинамики» --- Второй закон термодинамики --- Статистический характер второго закона термодинамики --- Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей --- Примеры решения задач по теме: «КПД тепловых двигателей»


Смотрите также