Какие бывают тепловые двигатели: Виды тепловых двигателей — Motoran.ru

Содержание

Какие бывают тепловые двигатели? :: SYL.ru

Тепловые двигатели – это машины, которые производят механическую работу благодаря обмену тепла с другими внешними телами. Нагревание происходит обычно благодаря тому, что сгорает топливо, в результате чего получается достаточная температура на нагревательном элементе. В данном случае работа осуществляется благодаря использованию энергии смеси кислорода и топлива. Есть различные виды тепловых двигателей, работа которых основана на нагреве с помощью Солнца, разницы в температурах воды. Однако такие машины не получили достаточного распространения и значения. В эксплуатации сейчас часто можно обнаружить двигатели, использующие выделяющуюся тепловую энергию расщепления атомных ядер в реакторе.

Паросиловые станции

Поршневые паровые (тепловые) двигатели были созданы в конце девятнадцатого века. Через сто лет появились и первые паровые турбины. Как говорит само название, принцип работы основан на паре, обычно водяном, но есть возможность применять даже пары ртути. Турбины на пару устанавливаются на мощных электростанциях и крупных кораблях. Поршневой двигатель же нашел применение разве что в водном транспорте (пароходы и паровозы) и на железной дороге. Для успешной работы самого двигателя на пару необходимы некоторые вспомогательные устройства и машины, что в совокупности составляет паросиловую станцию, в которой циркулируют всегда одни и те же водные потоки. Они трансформируются в специальных котлах в пар, а затем уже пар производит необходимую работу в поршневой машине (или в турбине). Следующим этапом является превращение пара в охлаждаемом барабане в воду (конденсатор). Из него образовавшаяся вода через насос и сборный бак направляется опять в котел, замыкая круговорот водного потока. Обычно котел именуют термином «нагреватель», а конденсатор называют холодильником. Благодаря тому, что внутри установки циркулирует один и тот же поток воды, накипь практически не образуется.

Паровые котлы

Тепловые двигатели на пару (котлы) состоят из непосредственно котла и топки, в которой на колосниковых решеточках сжигается уголь (или, в некоторых, случаях дрова). Применять жидкое топливо можно с помощью его распыления паром в форсунках. Сжатый воздух, который вырывается из узкой трубки, всасывает жидкое топливо, а затем разбрызгивает его в необходимом направлении. Котел состоит из трубок и барабана. Через стены труб передается теплота от топочного газа воде. Изредка вода может находиться снаружи по отношению к трубам, а под ним – одни топочные газы, иногда – наоборот, то есть вода – внутри трубок, а горячий газ их омывает. В таких тепловых двигателях, как паровые котлы, пар перегревается в так называемых змеевиках, при этом он трансформируется в ненасыщенный из насыщенного. Таким образом, уменьшается конденсация паров на стенках турбины и паропроводов, а значит, повышается коэффициент полезного действия самой станции. На котел устанавливают манометр, с помощью которого осуществляется наблюдение за уровнем давления пара. Необходим и специальный клапан, который выпустит нужный объем пара в том случае, когда давление превысит предельную величину. На дне барабана есть приспособления для диагностики уровня воды.

Паровые турбины

Турбины состоят из стальных цилиндров, внутри них расположен вал, а на нем закреплены рабочие колеса, между которыми помещены направляющие лопаты или сопла. Пар, который вырывается между этими лопатками, попадает на лопатки у рабочего колеса, которое вращается и выполняет работу. Причина вращения самого колеса – реакция струи пара. В турбине потоки пара расширяются и охлаждаются, так как входят в нее по очень узким пароходам, а выходят – в широких трубах.

Двигатели внутреннего сгорания

Крайне распространенные тепловые двигатели работают на системе внутреннего сгорания и устанавливаются в танках, самолетах, автомобилях, тракторах и так далее. Работать они могут на разном топливе: керосин, бензин, сжатый горючий газ. Основная часть двигателя такого типа – это набор цилиндров. Внутри них и происходит сжигание какого-либо топлива. В цилиндре двигается поршень, который являет собой полый и закрытый только с одной стороны цилиндр. Поршень опоясан пружинами в виде колец. Их назначение – не пропустить газ, образованный во время сгорания топлива, в промежутки между самим поршнем и стенами цилиндра. Верхние части цилиндров связаны с закрытыми через клапаны каналы. Через них впускаются горячие смеси, а также выбрасываются отходы сгорания. Кроме этих клапанов сверху помещена свеча. Она является приспособлением, с помощью которого производится зажигание горючей смеси через полученную от электрических приборов (бобины или магнето) искры.

Карбюратор

Важная часть тепловых двигателей, которые работают на принципе внутреннего сгорания, – это карбюратор. Если впускной клапан в цилиндре открыт, то поршень двигается к валу, и воздух входит через отверстие. Воздушные массы проходят мимо трубки, соединенной с камерой, в которой находится бензин. Воздух с большой скоростью проходит возле конца трубки, всасывает бензин, а затем его распыляет. То есть образовывается горючая смесь, которая состоит из паров бензина и воздуха. Приток этой смеси в цилиндр ограничен дроссельными заслонками.

Такты работы двигателя

Есть всего четыре основных такта работы машины внутреннего сгорания:

  1. Всасывание. Во время первого такта открывается клапан, поршень засасывает горючую смесь в цилиндр из карбюратора.
  2. Сжатие. Во втором такте клапан впускной закрывается, а поршень двигается вверх и сжимает смесь, нагревая ее таким образом.
  3. Сгорание. После того как поршень достигнет положения вверху, смесь зажигается при помощи получаемой от свечи электрической искры. Сила давления раскаленного газа выталкивает поршень вниз. Это движение передается валу, и совершается работа.
  4. Выпуск (он же выхлоп). Открывается клапан выпускной, и все отработанные продукты сгорания выбрасывается в атмосферу через глушитель.

Из всех четырех тактов (во время которых происходит только два оборота вала) лишь третий – рабочий. Именно поэтому одноцилиндровый тепловой двигатель снабжают маховиком, который раскручивается и вращается во время всех других таков. Одноцилиндровый двигатель устанавливают разве что на мотоциклы. На автомобилях ставят более четырех цилиндров. При этом их устанавливают таким образом, чтобы хотя бы один из цилиндров был в работе на каждый такт. Для старта двигателя используют электромотор, который питается от стартера (аккумулятора).

Дизельные двигатели

В дизельной машине сжимается не смесь, а просто воздух, причем сжатие происходит многократное, а воздух нагревается до сотен градусов Цельсия. После завершения процесса сжатия в цилиндр вбрызгивают уже и жидкое топливо с помощью форсунки, которая работает от нагнетаемого компрессорами сжатого воздуха. Разбрызганная нефть зажигается благодаря высоким температурам. В это время происходит полезная работа, а затем – выброс отработанного газа. Дизели применяют в тепловозах, грузовиках, тракторах.

Реактивный двигатель

Такие тепловые машины по существу являются двигателями внутреннего сгорания, однако в них применяют так называемую реактивную струю. Сам двигатель находится в цилиндрическом корпусе. В переднее его отверстие входит воздух. Затем в компрессоре воздушный поток проходит вдоль оси самого двигателя. После компрессии поток попадает в камеру с горючим, где и образовывается горючая смесь, которая загорается. Таким образом, получаются высокотемпературные газы, которые движутся затем к выходным соплам, приводя в движение газовую турбину. Данные газы имеют невероятную скорость.

Тема 2.5. Принцип действия тепловых двигателей — Студопедия

Содержание учебного материала: «Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики. Коэффициент полезного действия тепловых двигателей. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды».

Цели:

Учебные:

Сформировать специальные знания, умения и навыки по заданной теме.

Раскрыть сущность второго закона ТД и необратимости тепловых процессов.

Ознакомиться с устройством тепловых двигателей.

Знать формулы расчета КПД двигателей.

Научить применять газовые законы при решении задач.

Воспитательные:

Воспитывать интерес к предмету, умение применять знания на практике.

Повысить интерес обучающихся к изучаемому материалу путем разнообразия форм проведения уроков.

Знать о влиянии тепловых двигателей на окружающую среду и требованиях по защите окружающей среды.

Развивающие:

Развивать познавательные способности обучающихся.

Активизировать исследовательские способности.

Расширять их кругозор по вопросам экологии.

Прививать любовь и бережное отношение к окружающей среде.

Оборудование:макет ДВС, макет тактов работы ДВС, термометр, ЭКО-тестер.

 

Коротко говоря, тепловые машины преобразуют теплоту в работу или, наоборот, работу в теплоту.

Тепловые машины бывают двух видов — в зависимости от направления протекающих в них процессов.

Тепловые двигатели преобразуют теплоту, поступающую от внешнего источника, в механическую работу.

Автомобильный двигатель внутреннего сгорания — это пример теплового двигателя. В нём происходит преобразование тепла, выделяющегося при сгорании топлива, в механическую энергию автомобиля.

Холодильные машины передают тепло от менее нагретого тела к более нагретому за счёт механической работы внешнего источника.

Бытовой холодильник, который стоит у вас в квартире, служит примером холодильной машины. В нём тепло отводится от холодильной камеры и передаётся в окружающее пространство.

Рассмотрим эти виды тепловых машин более подробно.

Тепловые двигатели

Мы знаем, что совершение над телом работы есть один из способов изменения его внутренней энергии: совершённая работа как бы растворяется в теле, переходя в энергию беспорядочного движения и взаимодействия его частиц.

Тепловой двигатель — это устройство, которое, наоборот, извлекает полезную работу из «хаотической» внутренней энергии тела. Изобретение теплового двигателя радикально изменило облик человеческой цивилизации.

Принципиальную схему теплового двигателя можно изобразить следующим образом (рис. 31). Давайте разбираться, что означают элементы данной схемы.

Рабочее тело двигателя — это газ. Он расширяется, двигает поршень и совершает тем самым полезную механическую работу.


Но чтобы заставить газ расширяться, преодолевая внешние силы, нужно нагреть его до температуры, которая существенно выше температуры окружающей среды. Для этого газ приводится в контакт с нагревателем — сгорающим топливом.

В процессе сгорания топлива выделяется значительная энергия, часть которой идёт на нагревание газа. Газ получает от нагревателя количество теплоты Q1. Именно за счёт этого тепла двигатель совершает полезную работу A.

Это всё понятно. Что такое холодильник и зачем он

Рис. 31. Тепловой двигатель нужен?

При однократном расширении газа мы можем использовать поступающее тепло максимально эффективно и целиком превратить его в работу. Для этого надо расширять газ изотермически: первый закон термодинамики, как мы знаем, даёт нам в этом случае A = Q1.

Но однократное расширение никому не нужно. Двигатель должен работать циклически, обеспечивая периодическую повторяемость движений поршня. Следовательно, по окончании расширения газ нужно сжимать, возвращая его в исходное состояние.

В процессе расширения газ совершает некоторую положительную работу A1. В процессе сжатия над газом совершается положительная работа A2 (а сам газ совершает отрицательную работу −A2). В итоге полезная работа газа за цикл: A = A1 A2.

Разумеется, должно быть A >0, или A2 < A1 (иначе никакого смысла в двигателе нет). Сжимая газ, мы должны совершить меньшую работу, чем совершил газ при расширении.

Как этого достичь? Ответ: сжимать газ под меньшими давлениями, чем были в ходе расширения. Иными словами, на pV-диаграмме процесс сжатия должен идти ниже процесса расширения, т.е. цикл должен проходиться по часовой стрелке (рис. 32).


Рис. 32. Цикл теплового двигателя

Например, в цикле на рисунке работа газа при расширении равна площади криволинейной трапеции V11a2V2. Аналогично, работа газа при сжатии равна площади криволинейной трапеции V11b2V2 со знаком минус. В результате работа A газа за цикл оказывается положительной и равной площади цикла 1a2b1.

Хорошо, но как заставить газ возвращаться в исходное состояние по более низкой кривой, то есть через состояния с меньшими давлениями? Вспомним, что при данном объёме давление газа тем меньше, чем ниже температура. Стало быть, при сжатии газ должен проходить состояния с меньшими температурами.

Вот именно для этого и нужен холодильник: чтобы охлаждать газ в процессе сжатия. Холодильником может служить атмосфера (для двигателей внутреннего сгорания) или охлаждающая проточная вода (для паровых турбин).

При охлаждении газ отдаёт холодильнику некоторое количество теплоты

Q2. Суммарное количество теплоты, полученное газом за цикл, оказывается равным Q1Q2. Согласно первому закону термодинамики:

Q1 Q2 = A + ∆U,

где ∆U — изменение внутренней энергии газа за цикл. Оно равно нулю: ∆U = 0, так как газ вернулся в исходное состояние (а внутренняя энергия, как мы помним, является функцией состояния). В итоге работа газа за цикл получается равна:

A = Q1 Q2.                                                                   (12)

Как видите, A < Q1: не удаётся полностью превратить в работу поступающее от нагревателя тепло. Часть теплоты приходится отдавать холодильнику — для обеспечения цикличности процесса.

Показателем эффективности превращения энергии сгорающего топлива в механическую работу служит коэффициент полезного действия теплового двигателя.

КПД теплового двигателя — это отношение механической работы A к количеству теплоты Q1, поступившему от нагревателя:

 .

С учётом соотношения (12) имеем также

 .                                                              (13)

КПД теплового двигателя, как видим, всегда меньше единицы. Например, КПД паровых турбин приблизительно 25%, а КПД двигателей внутреннего сгорания около 40%.

Холодильные машины

Житейский опыт и физические эксперименты говорят нам о том, что в процессе теплообмена теплота передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот. Никогда не наблюдаются процессы, в которых за счёт теплообмена энергия самопроизвольно переходит от холодного тела к горячему, в результате чего холодное тело ещё больше остывало бы, а горячее тело — ещё больше нагревалось.

Ключевое слово здесь — «самопроизвольно». Если использовать внешний источник энергии, то осуществить процесс передачи тепла от холодного тела к горячему оказывается вполне возможным. Это и делают холодильные машины.

По сравнению с тепловым двигателем процессы в холодильной машине имеют противоположное направление (рис. 33).

Рабочее тело холодильной машины называют также

хладагентом. Мы для простоты будем считать его газом,0

A который поглощает теплоту при расширении и отдаёт при сжатии.

Холодильник в холодильной машине — это тело, от которого отводится теплота. Холодильник передаёт рабочему телу (газу) количество теплоты Q2, в результате чего газ расширяется.

В ходе сжатия газ отдаёт теплоту Q1 более нагретому телу — нагревателю. Чтобы такая теплопередача осуществлялась, надо сжимать газ при более высоких температурах, чем были при расширении. Это возможно лишь за счёт работы A0, совершаемой внешним источником (на- Рис. 33. Холодильная машина пример, электродвигателем). Поэтому количество тепло-

ты, передаваемое нагревателю, оказывается больше количества теплоты, забираемого от холодильника, как раз на величину A0:

Q1 = Q2 + A0.

Таким образом, на pV-диаграмме рабочий цикл холодильной машины идёт против часовой стрелки. Площадь цикла — это работа A0, совершаемая внешним источником (рис. 34).

Рис. 34. Цикл холодильной машины

Основное назначение холодильной машины — охлаждение некоторого резервуара (например, морозильной камеры). В таком случае данный резервуар играет роль холодильника, а нагревателем служит окружающая среда — в неё рассеивается отводимое от резервуара тепло.

Показателем эффективности работы холодильной машины является холодильный коэффициент, равный отношению отведённого от холодильника тепла к работе внешнего источника:

 .

Холодильный коэффициент может быть и больше единицы. В реальных холодильниках он принимает значения приблизительно от 1 до 3.

Имеется ещё одно интересное применение: холодильная машина может работать как тепловой насос. Тогда её назначение — нагревание некоторого резервуара (например, обогрев помещения) за счёт тепла, отводимого от окружающей среды. В данном случае этот резервуар будет нагревателем, а окружающая среда — холодильником.

Показателем эффективности работы теплового насоса служит отопительный коэффициент, равный отношению количества теплоты, переданного обогреваемому резервуару, к работе внешнего источника:

 .

Значения отопительного коэффициента реальных тепловых насосов находятся обычно в диапазоне от 3 до 5.

Тепловые двигатели. Холодильные машины. Цикл Карно и его КПД

ГОУ ВПО АМУРСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТАФИЛИАЛ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯВ г. СВОБОДНОМ Кафедра «Физика» Реферат по теме: «Тепловые двигатели. Холодильные машины. Цикл Карно и его КПД» Выполнила: студентка I курса Плюйко Марина Группа: ИЭ Проверил: Кравцова Н. А. г. Свободный 2010 План Тепловые двигатели Циклы теплового двигателя КПД теплового двигателя Круговые процессы Цикл Карно КПД цикла Холодильные Машины Содержание Введение Тепловые двигатели Циклы теплового двигателя КПД теплового двигателя Круговые процессы Цикл Карно КПД цикла Холодильные Машины Заключение Список использованной литературы Введение Ещё в давние времена люди старались использовать энергию топлива для превращения её в механическую. В XVII в. был изобретён тепловой двигатель, который в последующие годы был усовершенствован, но идея осталась той же. Во всех двигателях энергия топлива переходит сначала в энергию газа или пара, а газ (пар) расширяясь, совершает работу и охлаждается, а часть его внутренней энергии при этом превращается в механическую энергию. К сожалению, коэффициент полезного действия не высок. Двигатель тепловой — это машина для преобразования тепловой энергии в механическую работу. В тепловом двигателе происходит расширение газа, который давит на поршень, заставляя его перемещаться, или на лопатки колеса турбины, сообщая ему вращение. Примерами поршневых двигателей являются паровые машины и двигатели внутреннего сгорания (карбюраторные и дизельные). Турбины двигателей бывают газовые (например, в авиационных турбореактивных двигателях) и паровые. К тепловым двигателям относятся: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Их топливом является твёрдое и жидкое топливо, солнечная и атомная энергии. Во всех типах таких двигателей непрерывное или периодически повторяющееся получение работы возможно только в том случае, когда совершающая работу машина не только получает тепло от какого-то тела (нагревателя), но и отдает часть тепла другому телу (охладителю). В поршневых тепловых двигателях горячий газ

Урок ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА

ПЛАН-КОНСПЕКТ УРОКА ФИЗИКИ

«ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА»

ЗАДАЧИ УРОКА

Образовательные:

— провести анализ положительного и отрицательного действия тепловых машин на жизнь человека и окружающую среду;

-обобщить знания учащихся по основным вопросам экологии и охраны окружающей среды, приобретенные при изучении физики и других предметов;

-расширить и углубить знания учащихся по основным проблемам экологии и охраны окружающей среды, раскрыть их социально-экономический и мораль­ный аспекты.

Развивающие:

— развивать интерес к цифровой информации, описывающей состояние окружающей среды;

-развивать активность, инициативу, самостоятельность уча­щихся в работе с учебной, справочной и научно-популярной литературой, государственными документами по вопросам экологии и охраны окружающей среды;

-прививать учащимся навыки и умения поисково-исследовательской работы в области экологии и охраны окружающей среды и использованию приобретен­ных знаний и умений в будущей практической деятельности;

Воспитательные:

— формировать экологическое мировоззрение учащихся;

— содействовать воспитанию экологического сознания.

ТИП УРОКА: обобщающий урок

ФОРМА: нетрадиционная, урок – конференция

Пояснительная записка

Уроки-конференции являются мостиками между уроками, на которых учащиеся приобретают и совершенствуют знания по предмету и обобщенные учебные умения, и внеурочными мероприятиями, при проведении которых учащиеся самостоятельно и творчески применяют достигнутые ими результаты обучения. На конференцию целесообразно выносить вопросы, связанные с различными темами курса физики, включая межпредметные связи. Преимущество уроков-конференций перед внеурочными занятиями состоит в том, что они проводятся в присутствии всего класса, а не только тех из них, которые проявляют повышенный интерес к предмету. Задача учителя состоит в том, чтобы учащиеся не просто присутствовали, а были активными участниками подготовки и проведения урока-конференции. Подготовка к уроку-конференции является начальным этапом организации деятельности учащихся. Уроки-конференции позволяют привлекать дополнительный, наполненный практическим содержанием учебный материал по конкретной теме курса физики. Его разнообразие обеспечивается привлечением родителей к учебному процессу. При этом детям предоставляется возможность усваивать учебный материал на различных уровнях, но не ниже обязательных требований. При проведении урока-конференции, как правило, соблюдаются еще три последовательных и обязательных этапа:

Этап 1 — объяснение учащимся проблемы темы конференции, разъяснение плана урока и его специфических особенностей. Обычно эту функцию выполняет ведущий, которым может быть учитель или специально подготовленный ученик.

Этап II — раскрытие основного содержания избранной для конференции темы в процессе заслушивания индивидуальных сообщений, обсуждения их и составление опорных конспектов изложенного остальными учащимися.

Этап III — подведение итогов работы. Мотивировка значения приобретенных знаний и умений, оценивание знаний учащихся, разъяснение домашнего дифференцированного задания по рассмотренному на уроке материалу.

На любом этапе проведения уроков-конференций учителю очень важно поддерживать и поощрять проявление учащимися познавательной и поисковой активности, содействовать созданию творческих групп для делового общения, в процессе которого учащиеся оказывают друг другу консультативную помощь, что стимулирует их действия. Подобные взаимоотношения между учащимися позитивно воздействуют на формирование у них веры в свои способности, потребности активного участия в самостоятельном приобретении знаний и овладении способами деятельности на последующих уроках разного типа.

Вопросы конференции:

Создание тепловых двигателей, общий принцип действия. (Эксперты-историки, 3 чел.)

Положительная роль тепловых машин. (Эксперты-физики,3 чел.)

Отрицательная роль тепловых машин. (Эксперты-экологи,3 чел.)

Практическое задание: вычислить количество токсичных продуктов, образующихся при работе транспорта, охарактеризовать их действие на живые организмы и окружающую среду. (Эксперты-лаборанты, 2 чел.)

Какими транспортными средствами лучше всего пользо­ваться с экологической точки зрения в больших городах и почему?
(Специалисты по решению экологических проблем, 4 чел.)

Как ваши знания по электричеству могут помочь в решении проблемы?(Специалисты по решению экологических проблем.)

Что можно сказать о местной экологической ситуации и что нужно сделать, чтобы сохранить нашу природу? (Специалисты по решению экологических проблем.)

Иллюстративный материал:

1. Иллюстрированная красочная стенная газета «Физика и экология».

2.Стенд «Охрана окружающей среды» (физический аспект)

3. Витрина с литературой для учащихся и их докладами и рефератами, наглядными пособиями (рисунки, схемы, модели, установка).

4.Стенд-памятка «Учись слушать доклад или лекцию» — Содержание некоторых пунктов памятки следующее:

а) Во время объяснения смотрите на докладчика, лектора или учащегося который выступает с сообщением. Слаженная работа зрительной и слуховой памяти помогает осознанному усвоению знаний, их прочному запоминанию.

б) Обдумайте то, о чем говорит докладчик или учитель. Собственная мысль обычно возникает параллельно развитию мысли выступающего.

в) Не оставляйте ни одного вопроса невыясненным. Если вы в чем-то сомневаетесь, обратитесь к учителю или товарищу за разъяснением. Если вы не согласны с выступающим по какому-либо вопросу, попросите слово, выскажите свое мнение, приведите примеры, если требуется, сделайте рисунки схемы. Разговаривайте при этом спокойно, тактично. Так вы скорее убедите слушателей

г) Если по ходу доклада или лекции вы не успеваете составить полный конспект, записывайте новые понятия, термины и отдельные положения. Повторное чтение сделанных записей поможет вспомнить и уяснить содержание изученного.

5. Таблица « Вычисление содержания в воздухе токсичных продуктов, образующихся при работе транспорта ( на одном перекрестке)».

6. Таблица «Схема воздействия транспорта на окружающую среду».

7. Доклады сопровождаются демонстрацией следующими материалами из электронных носителей:

Видеофрагменты:

демонстрация паровой машины Ньюкомена в действии;

принцип работы автомобильного двигателя.

Анимации:

работа 4-х тактного ДВС;

принцип работы роторно — поршневого двигателя;

принцип работы дизельного двигателя;

принцип действия паровой турбины.

Фотографии:

различные типы двигателей внутреннего сгорания;

паровые турбины;

реактивные двигатели.

Ход конференции

В кабинете физики все эксперты сидят лицом к классу, на столе у каждого табличка: эксперт-историк, эксперт-физик, эксперт-эколог, эксперт-лаборант, экс­перт по решению экологических проблем. На ученических местах сидят спе­циалисты по решению экологических проблем, остальные учащиеся — участники конференции.

Учитель физики. Слово «экология» вам знакомо: вы часто его слышите, встречаете в газетах, книгах. В переводе с греческого оно означает «наука о доме, жилище». Поэтому не случайно этим словом называют ныне науку об отношениях растительных и жи­вотных организмов, в том числе людей, с окружающей средой — тем домом, в котором живет человечество.

Чтобы жить в нем без страха за свое будущее, за свое здоровье, радоваться красотам природы, нужно беречь этот дом, иначе вооб­ще можно погибнуть.

Человек — часть природы, и ее разрушение грозит ему множе­ством бед. У Земли много проблем, и одна из них — тепловые ма­шины. Поэтому на конференции мы и остановимся на положи­тельной и отрицательной роли тепловых машин в жизни человека, и попытаемся наметить выход из сложившейся экологической об­становки.

I. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

А началось все в XVII веке, когда простое предложение о за­мене пробирки поршнем позволило сделать вывод о возможности поставить пар на службу человеку.

Эксперты-историки кратко напомнят историю создания тепло­вых машин и сообщат об общем принципе их действия. Итак, выступление первого эксперта-историка.

ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ВЫСТУПЛЕНИЯ

ПЕРВОГО ЭКСПЕРТА-ИСТОРИКА

Я расскажу об истории создания тепловых машин.

ВXVII веке наблюдается развитие производств, требую­щих совершенствования техники. Был нужен такой источник энергии, который не был бы «привязан» к одному месту, как энергия падающей воды, не зависел бы от погоды, как энергия ветра. И такой вид энергии нашли — тепло, а именно энергия во­дяного пара.

Французский физик Дени Папен вместе с немецким ученым Бюйгесом работал с 1682 года над созданием машины, в которой поршень внутри трубки поднимался бы при помощи взрыва по­рохового заряда, помещенного под цилиндром. После длитель­ных экспериментов в 1690 году они нашли идеально работающее тело — воду. Также он обнаружил увеличение температуры кипе­ния с ростом давления воды и применил это открытие для полу­чения воды при температуре выше 100 градусов по Цельсию, на­гревая ее в закрытом котле. Во избежание взрыва из-за слишком большого давления он применил изобретенный им предохрани­тельный клапан.

История создания паровых двигателей. В 1698 году анг­личанин Томас Севери изобрел паровой насос для откачки воды из шахт. А в 1705 году, познакомившись с работами Папена, сле­сарь Томас Ньюкомен получил патент на изобретенную им тепло­вую машину. Она была первой машиной, которая с успехом при­менялась для подъема воды из шахт. Принцип ее работы был та­ким: пар из котла выходил в цилиндр и поднимал его доверху. За­тем в цилиндр под поршень пускали воду, пар конденсировался, давление понижалось, и атмосферное давление опускало поршень вниз. Однако машина была крайне громоздкой и требовала огром­ного количества угля. Поэтому ее можно было использовать только для откачки воды на шахтах. Понадобилось более 50 лет, прежде чем появился первый паровой двигатель непрерывного действия. Его создал наш соотечественник Иван Иванович Ползунов (в 1766 году) — русский ученый, механик. В первом из двух проектов Ползунова была разработана (впервые в мире) универсальная двухцилиндровая паровая машина непрерывного действия с рабочим ва­лом, во втором конструкция была переработана и несколько упро­шена применительно к конкретной задаче — приведению в движе­ние воздуходувных мехов плавильных печей. При этом вторая ма­шина была в 10 раз больше и в 15 раз мощнее первой.

По расчетам исследователей, ее мощность составляла от 32 до 40 л. с. Второй проект был воплощен самим Ползуновым, отдавшим этой работе все свои силы. Машина была выполнена це­ликом из металла (впервые в мире), проработала всего два месяца, но даже за этот короткий срок не только окупила все затраты, но и принесла немалый доход. Была пущена в Барнауле, с помощью нее было расплавлено 9000 пудов серебряной руды.

Создателем универсального парового двигателя, который по­лучил широкое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт. Он намеревался прежде всего исключить потерю те­пла за счет охлаждения цилиндра. В 1784 году ему пришла идея выводить пар из цилиндра, соединив в надлежащий момент ци­линдр с пустым резервуаром, куда пар сам бы устремлялся. Так был изобретен конденсатор. Также Уатт внес в свою машину такие усовершенствования, как центробежный регулятор ввода пара, зо­лотник, паровая рубашка вокруг цилиндра, индикатор давления. Машина была двойного действия, то есть пар поступал по обе сто­роны от поршня.

Для расширяющегося машинного производства нужен был и механический транспорт. И такой появился, в его основе лежал универсальный паровой двигатель. В 1803 году в Париже на реке Сене американец Р. Фультон впервые испытал судно, движимое силой пара. А через 4 года по реке Гудзон уже ходил первый в ми­ре колесный пароход «Клермонт» с двигателем мощностью 20 л. с.

В 1814 году англичанин Джордж Стеферсон создал паровоз, который двигал состав весом 30,5 т со скоростью 6 км/ч. В России отец и сын Черепановы, крепостные мастера уральского завода, тоже построили паровоз (в 1834 году). Он вез состав весом 32 т со скоростью 13-16 км/ч.

В конце XIX века коренным образом изменился паровой дви­гатель. Изобретатели решили использовать не давление пара, а скорость его движения. Так была создана в 1884 году англичани­ном Парсоном первая многоступенчатая паровая машина.

Учитель физики. Мы предоставляем слово второму эксперту — историку

ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ВЫСТУПЛЕНИЯ

ВТОРОГО ЭКСПЕРТА-ИСТОРИКА

Я расскажу об истории создания двигателя внутреннего сгорания. На определенном этапе развития техники стало очевид­ным, что пользоваться теплом огня непосредственно для производ­ства работы лучше, чем затрачивать его на получение пара, а затем использовать тепло пара. Но с самых же первых опытов возникли большие препятствия. Достаточно упомянуть разработки Ж. Гот-фейля (1678-1682) и X. Гюйгенса (1681). Оба ученых предлагали такназываемый атмосферный двигатель, у которого поршень подни­мался взрывом пороха вверх и фиксировался. После охлаждения продуктов сгорания под поршнем создавалось разряжение. У дви­гателя Гюйгенса под действием атмосферного давления поршень опускался, совершая полезную работу. У двигателя Готфейля раз­ряжение в подпоршневой полости использовалось для всасыванияводы, а после того как поршень переставали удерживать, он, опус­каясь, вытеснял воду. Реализовать эти предложения в то время не представлялось возможным из-за низкого уровня развития техники.

Разработки Папена, Севери, Ползунова, Уатта и др. привели к тому, что к концу XVII столетия паровая машина стала универ­сальным двигателем, и казалось, замены пару нет.

Представить себе двигатель, работающий не так, как паровая машина, было трудно. Возникло представление, что любое рабочее тело должно обладать свойствами пара и попадать в цилиндр в виде однородной массы с одинаковыми температурой и давлением. Та­ким рабочим телом могли стать продукты сгорания.

Решение задачи использования продуктов сгорания заключа­лось в поиске соответствующего горючего. Очевидно, таких попыток заменить пар было немало, но история сохранила лишь некоторые из них, да и то в очень неполном объеме. Например, работы братьев Ньепсов.(Известны благодаря своему вкладу в развитие фотогра­фии.)

Идея замены дефицитного во Франции угля иным топливом витала в воздухе. Братья занимались поисками такого топлива, продукты сгорания которого можно было бы использовать в качестве рабочего тела, подобного пару. В качестве такового они применили ликоподий — семена спорового растения-плауна. Этот чрезвычайно сухой, легкий и легковоспламеняющийся порошок использовался для эффектных вспышек во время театральных представлений. Счи­тать его конкурентом угля было нельзя, урожай плауна был очень ог­раничен.

Можно считать, что первая официально зарегистрированная попытка создания ДВС (двигателя внутреннего сгорания) была сде­лана почти одновременно с началом работ Ньепсов. В 1794 г. изо­бретатель Роберт Стрит получил в Англии патент № 1983 на атмо­сферный двигатель, работающий на продуктах сгорания горючей жидкости (терпентин или спирт). Жидкость наливалась на дно вер­тикального цилиндра, при нагреве испарялась, и ее пары смешива­лись с воздухом. После воспламенения горючей смеси продукты ее сгорания поднимали поршень и совершали работу.

В 1833 г. Вельмант Райт получает в Англии патент № 6526, в котором оговорено охлаждение цилиндров с помощью водяной ру­башки (двигатель двойного действия).

В 1838 г. в Англии выдан патент № 7615, согласно которому газ и воздух предварительно сжимают в отдельных цилиндрах, а смесь перед воспламенением дожимают в рабочем цилиндре. Вос­пламенение должно было производиться в мертвой точке с помо­щью раскаленной губчатой пластины или же пламенем через зо­лотник.

Были предложения использовать водород (1820, англичанин Сесиль). В 1841 г. Дж. Джонстон получил патент № 8841 на двига­тель, работающий на смеси водорода с кислородом.

На всемирной выставке в Париже в 1867 г. немецкий ком­мерсант Отто представил новый газовый двигатель, созданный в содружестве с инженером Лангеном.

Успешные опыты по замене светильного газа другими про­дуктами газификации вызывали желание попробовать применить пары жидкого топлива. Еще в 1873 г. американец Брайтон пытался использовать керосин. Но керосин плохо испаряется, и Брайтон перешел на бензин. Он же изобрел для своего двигателя первый испарительный карбюратор. Важно, что горение у Брайтона про­исходило при постоянном давлении.

На всемирной выставке в 1893 г. в Чикаго был удостоен выс­шей награды образец двигателя первого русского завода керосино­вых и газовых двигателей, в котором керосин подтекал к испарите­лю самотеком и воспламенялся с помощью металлической тру­бочки.

Первый бензиновый двигатель был построен в России в 1884 г. моряком русского флота Костовичем для дирижабля.

Импульсом для развития бензиновых двигателей послужило стремление использовать их на автомобиле. Решающий вклад в создание этих двигателей приписывают немецким инженерам Даймлеру и Майбаху.

Совершенствование двигателей шло в тесном взаимодейст­вии с совершенствованием производства.

Автором одного из самых крупных изобретений является Ру­дольф Дизель. По замыслу Дизеля, если воздух сжать до давления не ниже 33-35 атм. и повысить вследствие этого его температуру до 500-700 °С, то топливо, вводимое туда, будет воспламеняться от соприкосновения с горячим воздухом. Но Дизель предлагал не просто постепенное сгорание, он имел в виду регулируемое сгора­ние с обеспечением постоянства температуры и давления. В ре­зультате многолетней работы был создан новый высо­кокачественный двигатель, носящий его имя. Первый же двигатель с воспламенением впрыскиваемого топлива от сжатия воздуха, по­строенный на заводе Нобеля, получил название «дизель», прочно закрепившееся за двигателями такого типа.

Конструкция дизелей претерпела существенные изменения. В 30-х годах XX в. появляются мощные авиационные ДВС конструк­торов Микулина и Чаромского. Во время Великой Отечественной войны применялся авиационный дизель большой мощности АЧ-30 конструкции Чаромского.

Двигатели на легком топливе и дизели прочно занимают по­зиции практически единственного вида силовой установки для наземного транспорта и составляют существенную долю среди силовых установок водного транспорта. Конечно, современные ДВС конст­руктивно отличаются от самых первых образцов, но принципы пре­образования теплоты в работу остались неизменными.

Учитель физики. Мы предоставляем слово третьему экс­перту-историку.

ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ВЫСТУПЛЕНИЯ

ТРЕТЬЕГО ЭКСПЕРТА — ИСТОРИКА

Я расскажу об истории создания реактивных двигателей, которая не так продолжительна, как история паровых турбин и ДВС. Свое начало она берет в нашем столетии. Это один из самых прогрессивных и перспективных видов тепловых машин.

В разгар первой мировой войны А. И. Тихомиров посылает прошение о предоставлении ему привилегии на разработку само­движущихся в воде и на воздухе мин, в которых использовались ракетные двигатели.

Под руководством Валентина Петровича Глушко создается целая серия ОРМ. Первый — с цилиндрическим соплом, с водяным охлаждением и тягой до 20 кгс. В ОРМ-3 и ОРМ-5 двигатели охла­ждались одним из компонентов топлива. В качестве окислителей использовались: жидкий кислород, азотный тетроксид, азотная ки­слота, а в качестве горючего — бензин, керосин.

В 1933 году созданы ОРМ-50 с тягой 150 кгс, с химическим зажиганием азотно — кислотно-керосинового топлива. После 10 запус­ков сохраняли полную работоспособность. Предназначались они для ракет и торпед.

В 1931 году Ф. А. Цандер совершенствовал свой ОР-1 — па­яльную лампу, переделанную в РД, — работавший на воздушно-бензиновой смеси с тягой до 145 гс. В 1933 году Цандер хотел, чтобы топливо для двигателей присутствовало уже в конструкции. Но эта идея до нашего времени так и не реализована. ЖРД испытывались, создавались и проектировались с использованием в каче­стве окислителя жидкого кислорода и азотной кислоты, которая в отличие от кислорода остается жидкой при нормальной температуре. В 1936-1937 годах были разработаны двигатели ОРМ-65: с ручным и автоматическим пуском, регулируемой в полете тягой, на высококипящем топливе; отличался высокими характеристиками и выдержи­вал до 50 запусков. В 1940 году было разработано, для форсирова­ния маневров боевых самолетов, семейство ЖРД с максимальной тя­гой от 300 до 900 кгс. Первые три двигателя прошли официальные испытания на самолетах Пе-2Р, Як-7Р, Су-6, Су-7. Но в боевых дейст­виях не применялись.

Валентин Петрович Глушко был разработчиком электрореак­тивных двигателей. Он удостоверился, что они понадобятся только на следующем этапе освоения космоса, а чтобы проникнуть в кос­мос, потребуются жидкостные реактивные двигатели, о которых пи­сал К. Э. Циолковский. В 1930 году началась разработка ЖРД (ци­линдрическое сопло, с водяным охлаждением и тягой до 20 кгс). В марте 1933 года бригада Цандера провела испытания ОР-2.

В 1954 году М. К. Тихонравов с С. П. Коряевым предложили создание искусственных спутников Земли.

Основным показателем совершенства РД является его эконо­мичность. РД был применен в космической ракете РД-107; ее удельный импульс в пустоте составлял 310 с при тяге в 102 гс и давлении в камерах сгорания 60 атмосфер. РД-107 состоял из двух небольших рулевых камер. Многокамерность позволила уменьшить длину двигателя и массу ракеты.

Учитель физики. Теперь можно подвести итоги выступленийэкспертов-историков.

Какими бы ни были различными паровые машины, ДВС и ре­активные двигатели, работа их сводится к преобразованию внут­ренней энергии в механическую энергию, при наличии рабочего тела, нагревателя и холодильника.

А сейчас мы продолжаем нашу работу и переходим к следую­щему вопросу.

П. ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ РОЛЬ ТЕПЛОВЫХ МАШИН

Каким же образом были реализованы проекты ТД (тепловых двигателей), предложенные учеными?

Итак, слово предоставляется экспертам-физикам с выступле­ниями о положительной роли ТМ.

ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ВЫСТУПЛЕНИЯ

ПЕРВОГО ЭКСПЕРТА-ФИЗИКА

Огромное значение имели паровые двигатели до середины XX века, так как были основными на железной дороге. Сегодня там большее распространение получили дизельные двигатели, то есть ДВС. Мошные паровые турбины используются и на водном транс­порте, и на всех АЭС, где для получения пара высокой температуры используют энергию атомных ядер. Паровые турбины установлены и на ТЭЦ, которые вырабатывают более 80 % энергии для страны. Именно паровые турбины приводят в движение роторы генераторов электрического тока.

ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ВЫСТУПЛЕНИЯ

ВТОРОГО ЭКСПЕРТА-ФИЗИКА

С момента их изобретения тепловые двигатели стали играть большую роль в жизни и деятельности человека. Так, ДВС широкоиспользуются в автомобильном транспорте: их устанавливают на автомашинах, мотоциклах, мопедах, грузовых автомобилях. Кроме автотранспорта, ДВС используют на железнодорожном транспорте, в легкой авиации, в бензопилах, газонокосилках, на различном сельскохозяйственном оборудовании, тракторах, комбайнах. Этот вид двигателей хорош своей сравнительно высокой мощностью при относительно небольших размерах.

ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ВЫСТУПЛЕНИЯ

ТРЕТЬЕГО ЭКСПЕРТА-ФИЗИКА

И, наконец, перейдем к третьему типу тепловых двигате­лей, реактивных. Преимуществом РД перед паровыми и ДВС явля­ется высокий КПД, до 60 %. Следовательно, РД целесообразно ус­танавливать на авиационном и космическом транспорте.

На лёгких самолётах используются поршневые двигатели, а на больших лайнерах устанавливают реактивные двигатели. Это очень выгодно, так как если реактивный двигатель заменить порш­невым такой же мощности, то из-за громоздкости и тяжести послед­него его будет невозможно установить на самолёт. Яркий пример применения в авиации реактивных двигателей — «ТУ-144» и британ­ский «Конкорд».

Для космического транспорта также используют реактивные двигатели. Они позволяют развить высокую скорость, чтобы мно­готонный космический корабль смог преодолеть гравитационные силы Земли и выйти на околоземную орбиту.

Таким образом, тепловые двигатели играют положительную роль в жизни и развитии человечества, находят широкое примене­ние в транспорте, торговле, выработке электроэнергии, исследова­нии космоса и планет.

Учитель физики. Спасибо экспертам-физикам за столь чет­кую информацию. А мы продолжаем нашу работу и переходим к следующему вопросу.

Ш. ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ РОЛЬ ТЕПЛОВЫХ МАШИН

Учитель физики. Открытие ТМ приходится на индустриальный период в истории взаимодействия общества и природы и является куль­минацией техногенной эпохи. Этот период охватывает время с XVII до середины XX века.

Для улучшения своего благосостояния человек изобретает не только машины. Качественно изменяется химическое воздей­ствие человека на биосферу вследствие синтеза новых веществ, рассеивания загрязнений на огромные территории. Многократно превышается выработка тепла за счет сжигания горючего.

Мы видим, что кроме положительного эффекта от использо­вания ТМ проблема имеет и другую сторону.

Ученые, делая открытия, не задумывались об их последстви­ях для окружающей среды. На первых порах экосистемы биосфе­ры, благодаря естественным процессам саморегуляции, в основном справлялись с этими воздействиями, но по мере возрастания мас­штабов и темпов производственной деятельности возможностивосстановления экосистем оказались исчерпаны. Стали наблюдать­ся заметные изменения в биологических, химических, физических показателях биосферы.

Экспертам-экологам было дано задание выявить отрицатель­ное воздействие ТМ, в частности автотранспорта, на экологиче­скую обстановку и влияние ее на здоровье человека.

ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ВЫСТУПЛЕНИЯ

ПЕРВОГО ЭКСПЕРТА-ЭКОЛОГА

Человек долго использовал двигатель внутреннего сгорания, не зная о его отрицательном воздействии на человека, животных, растения. Лишь в последнее время это отрицательное воздействие заметили и начали с ним бороться. Основными загрязнителями ат­мосферы являются машины, особенно грузовики. Количество и кон­центрация вредных веществ в выхлопах зависят от вида и качества топлива. В основном это такие вещества, как углекислый газ, угар­ный газ, оксиды азота, гексен, пентен, кадмий, серный ангидрид, сернистый ангидрид, свинец, хлор и некоторые его соединения. Эти вещества отрицательно воздействуют на человека, животных, расте­ния и вызывают глобальные изменения в биосфере.

Теперь конкретно рассмотрим их воздействие. Углекислый газ, угарный газ, оксиды серы, оксиды азота являются «парниковы­ми» газами, то есть вызывают парниковый эффект, выражающийся в повышении температуры у поверхности Земли. Его механизм за­ключается в образовании особого слоя в атмосфере, который отра­жает тепловые лучи, идущие от Земли, не давая им уходить в косми­ческое пространство. Это может привести к таянию льда в полярных областях и, как следствие, к повышению уровня Мирового океана. Но надо сказать, что тепловой эффект почти компенсируется ледни­ковым эффектом. Последний вызывается слоем пылевых частиц, ко­торые отражают тепловые лучи, идущие от Солнца, обратно в космос.

В год образуется 2,4-10 тонн СО, 7 млн тонн СО2. Угарный газ токсичен, образует с гемоглобином крови прочное соединение — карбоксигемоглобин, что препятствует поступлению достаточного ко­личества О2 в мозг и, как следствие, увеличивает число психиче­ских заболеваний. SO2,NO являются мутагенами, тератогенами, образуют с туманом или дождем смог и кислотные дожди. Оксиды серы с водой образуют серную кислоту, а оксид азота образует азотную и азотистую кислоты. У человека они вызывают поражения кожи, обструктивный рахит, отёк лёгких. У животных также наблюдаются нарушения жизнедеятельности и даже гибель. У рас­тений в первую очередь поражаются листья, а в дальнейшем гибнетвсе растение. Так, в Скандинавии наблюдается массовая гибель лесов по этой причине. Также эти дожди вызывают коррозию ме­таллов и разрушение зданий. Кроме того, оксиды азота способст­вуют разрушению озонового слоя.

Кадмий отрицательно воздействует на костную и половую системы, кору надпочечников, зубы, нарушает углеродный обмен. При большой концентрации он вызывает болезнь «итай-итай».

Свинец является тератогеном, вызывает у грудных детей на­рушение ЦНС, костной системы, слуха, зрения — и в дальнейшем смерть. У взрослых он вызывает нарушение кровеносной системы, импотенцию.

Также ДВС поглощают кислород, уменьшая его концентра­цию в атмосфере.

ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ВЫСТУПЛЕНИЯ

ВТОРОГО ЭКСПЕРТА-ЭКОЛОГА

Мы провели анализ негативного воздействия ДВС на окру­жающую среду. Рассмотрим частный случай — автомобиль. Да, че­ловек не мыслит сейчас своего существования без автотранспорта, но если посмотреть на это удобство с другой точки зрения, то ко­личество выбрасываемых автомобилем продуктов сгорания застав­ляет ужаснуться.

Один легковой автомобиль ежегодно поглощает из атмосфе­ры больше 4 тонн О2, выбрасывает с выхлопными газами около800 кг СО, 40 кг оксидов азота, 200 кг различных углеводородов.

Автомобильные выхлопные газы — смесь примерно 200 ве­ществ. В них содержатся углеводороды — не сгоревшие или не пол­ностью сгоревшие компоненты топлива, среди которых большое место занимают непредельные углеводороды этиленового ряда, особенно гексен и пентен. Их доля возрастает в 10 раз, когда двига­тель работает на малых оборотах или в момент увеличения скорости, то есть во время заторов или у красного сигнала светофора.

СО2 и большинство других выбросов тяжелее воздуха, поэтому они скапливаются у поверхности земли.

Оксид углерода (I) соединяется с гемоглобином крови и меша­ет ему нести кислород в ткани организма.

Оксиды азота играют большую роль в образовании продуктов превращения углеводородов в атмосферном воздухе.

Из-за неполного сгорания топлива в двигателе автомашины часть углеводородов превращается в сажу, содержащую смолистые вещества.

В 1 л бензина может содержаться 1 г тетраэтилсвинца, кото­рый разрушается и выбрасывается в атмосферу в виде соединений свинца.

Свинец — один из основных загрязнителей внешней среды, его поставляют главным образом современные двигатели с высокой степенью сжатия, выпускаемые автомобильной промышленностью.

ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ВЫСТУПЛЕНИЯ

ТРЕТЬЕГО ЭКСПЕРТА-ЭКОЛОГА

А втомобильный транспорт является одним из крупнейших загрязнителей окружающей среды в Российской Федерации. Его доля в общем объёме выбросов в атмосферу составляет в среднем по стране 35-40 %. В крупных городах эта цифра достигает 80-90 %.

Моя группа занималась изучением зависимости загрязнения атмосферного воздуха от интенсивности движения автотранспорта.

Отработанные газы двигателей внутреннего сгорания содер­жат более 200 наименований вредных веществ и соединений, в том числе таких, как оксиды углерода, оксиды азота, углеводоро­ды, канцерогенные вещества, сажа и др.

Изучая различные исследования в области загрязнения окружающей среды мы пришли к выводу, что главной причиной загрязнения воздуха в городах являются автомобили. В Тольятти также на­блюдается увеличение транспортных загрязнений окружающей среды. В настоящее время в городе эксплуатируется более 100 тыс. единиц автотранспорта. Ежегодно парк автомобилей пополняется на 10 тыс. единиц.

Учитель физики. Эксперты-экологи наглядно представили все отрицательные стороны использования ТМ.

А сейчас предоставляем слово экспертам-лаборантам, кото­рые исследовали рост заболеваемости бронхиальной астмой, аллер­гическим бронхитом, кожными инфекциями от токсических вы­бросов транспорта на перекрестке ул. Второй Продольной и Ткаче­ва, используя методику «У светофора». Слово эксперту-лаборанту

ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ВЫСТУПЛЕНИЯ

ПЕРВОГО ЭКСПЕРТА-ЛАБОРАНТА

Обобщая выступление своих коллег, я хотела бы сказать, что автотранспорт, как один из основных источников загрязнения, ока­зывает влияние на воздух, воду и почву, что отражено в моей таб­лице.

Воздух загрязняют вредные вещества, содержащиеся в отра­ботанных газах автомобилей, твёрдые частицы, поднимаемые с пылью колёсами автомашин. Воду загрязняют стоки с автомоек, стоянок, гаражей, АЗС, автодорог, хлориды, используемые для борьбы с гололёдом в зимний период. Почву загрязняют промыш­ленные отходы, содержащие нефтепродукты, сажевые частицы, об­разующиеся при истирании автошин на дорогах.

Параллельно с экспертами-экологами я выявила последствия воздействия загрязнителей на здоровье человека.

Количество окислов азота, способных оказывать вредное воз­действие на организм человека, составляет 0,15-0,2 мг/м3.

Учитель физики. А теперь познакомьте нас с вашими вычис­лениями содержания токсичных продуктов, выбрасываемых в атмо­сферу при работе автотранспорта. Слово эксперту-лаборанту

ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ВЫСТУПЛЕНИЯ

ВТОРОГО ЭКСПЕРТА-ЛАБОРАНТА

В своем исследовании мы вычислили количество токсичных продуктов, образующихся при работе транспорта, а наши коллеги охарактеризовали их действие на живые организмы и окружаю­щую среду. Результаты нашей работы представлены в таблице. Вычисление содержания в воздухе

токсичных продуктов, образующихся при работе транспорта (на одном перекрестке)

Машины

t,мин

n

k

Легковые

10

193

3

Грузовые

10

9

3

Автобусы

10

6

3

m(CO)

г/мин

т(СО2)

г/мин

m(NO2)г/мин

т(сажи)

г/мин

М, г

0,035

0,217

0,002

0,04

1702

0,017

0,2

0,001

1,1

356

0,017

0,2

0,001

и

237

М = tnk (т(СО) г/мин + т(СО2) г/мин + m(N02) г/мин + т(сажи) г/мин), где

n — количество машин, остановившихся у светофора;

k — максимальное число переключений.

Подсчитаем общую массу выделившихся токсичных про­дуктов: М = 1702 г + 356 г + 237 г ≈2 кг.

Таким образом, за 10 минут в окружающую среду выделя­ется до 2 кг токсичных продуктов. Нетрудно подсчитать, что в су­тки выбрасывается « 290 кг, а в год до 105 кг.

И это только на одном перекрестке, а таких перекрестков в городе много, а в мире…

Нужно задуматься!

Учитель физики. Так что же, нам теперь отказаться от всехдостижений цивилизации и, вместо того чтобы ездить на авто­мобиле, опять ходить пешком?

Конечно же, нет, отрицательные последствия следует пре­одолевать, не отказываясь от технического прогресса вообще, а путем качественного изменения существующих технологий.

Мы живем в то время, когда человек уже осознал, что природе необходимо помочь, что состояние окружающей среды зависит от нас, от нашего отношения к ней.

Обратимся же к специалистам по решению экологическихпроблем. И предоставим слово одному из них.

ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ВЫСТУПЛЕНИЯ

ПЕРВОГО СПЕЦИАЛИСТА ПО РЕШЕНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

Я, как эксперт по решению экологических проблем, сдела­ла следующий вывод из всего сказанного на сегодняшней кон­ференции.

Интенсивность дорожного движения везде огромна. Оно да­ет такое загрязнение воздуха, что его не сравнить даже с выброса­ми промышленных объектов. Транспорт создаёт 45-50 % всего за­грязнения.

Итак, есть два способа уменьшения загрязнения воздуха до­рожно-транспортными средствами. Первый — сократить количествовредных веществ, выбрасываемых в атмосферу каждым автомоби­лем. Второй — использовать как можно больше те транспортные средства, которые потребляют меньше горючего и, следовательно, меньше загрязняют атмосферу. Чтобы остановить загрязнение, не­обходим более строгий всесторонний контроль за дорожно-транспортными средствами. Примером может служить следующее начинание: с 1 января 1993 года все новые автомобили, предназна­ченные для продажи в страны Европейского Сообщества, должны быть снабжены каталитическими контакторами. Это маленькое устройство устраняет большую часть углеводородов и окисей азота и углерода, вредных для организма человека. А как мы уже гово­рили, их присутствие в атмосфере в больших количествах создает парниковый эффект, что грозит глобальным потеплением на пла­нете. Ещё одна проблема — свинец, добавляемый к бензину для большей эффективности работы двигателя. Он очень ядовит и опа­сен, особенно для организма маленьких детей.

Огромную помощь в борьбе с загрязнением воздуха могли бы оказать и сами владельцы автомобилей, если бы начали чаще пользоваться общественным транспортом или ездить с малой ско­ростью, ведь это уменьшит выброс токсичных соединений. Недав­ний опрос владельцев автомобилей показал, что их личный транс­порт — главный виновник загрязнения воздуха, ездить медленнее или, тем более, отказаться от личного транспорта они не желают.Для того чтобы такое желание появилось, надо основательно улуч­шить работу общественного транспорта. А поскольку она пока да­лека от совершенства, нечего удивляться тому, что частные авто­мобили наводняют городские улицы.

Иногда с их количеством приходится вести непримиримую борьбу. Способы бывают самые оригинальные. В Афинах, напри­мер, машинам с четными номерами разрешено появляться в центре города только по четным дням, а машинам с нечетными — по не­четным. Роскошь иметь автомобиль может дорого обойтись.

Учитель физики. Какими же транспортными средствами, на ваш взгляд, разумно пользоваться в больших городах? Приглашаем второго эксперта по решению экологических проблем .

ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ВЫСТУПЛЕНИЯ

ВТОРОГО СПЕЦИАЛИСТА ПО РЕШЕНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

В настоящее время, когда автомобиль с бензиновым двигате­лем стал одним из существенных факторов, приводящим к загряз­нению окружающей среды, специалисты все чаще обращаются к идее создания «чистого» автомобиля — электромобиля. В некоторых странах начинается их серийное производство.

В нашей стране производятся электромобили пяти марок. Электромобиль Ульяновского автозавода (УАЗ-451-МИ) отличается от остальных моделей системой электродвижения на переменном токе и встроенным зарядным устройством. Зарядное устройство снабжено преобразователем тока, допускающим применение лег­кого и низкооборотного тягового двигателя. Машины этой марки уже используются в Москве для доставки продуктов в магазины и школы. В 1982 году в столице было создано первое хозяйство, в ко­тором работали 25 электропогрузчиков. Этот год стал датой нача­ла серийного выпуска электромобилей в стране.

В интересах защиты окружающей среды считается целесооб­разным постепенный перевод автотранспорта на электротягу, осо­бенно в крупных городах. Предлагается, используя существующие типы источников тока, с определенным их усовершенствованием, создать и передать в эксплуатацию электромобили, могущие эконо­мически и технически конкурировать с обычными автомобилями. Прогноз таков: если в 2000 году существовало 5 % электромобилей от всего числа автомобилей, то в 2025-м ожидается рост их числа до 15%.

Учитель физики. Как наши знания по электричеству могутпомочь в решении проблемы? Слово третьему специалисту по реше­нию экологических проблем .

ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ВЫСТУПЛЕНИЯ

ТРЕТЬЕГО СПЕЦИАЛИСТА ПО РЕШЕНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

Как было сказано моими коллегами, основным источником загрязнения атмосферы являются выхлопные газы. Но эта проблема решаема, если ДВС заменить на электродвигатели, используемые в электромобилях.

Электродвигатели, преобразуя электрическую энергию в ме­ханическую, применяются в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и в быту. Толчком для создания электродвигателей явилось изобретение шотландского священника Роберта Стирлинга в 1816г. Его машина, которую он назвал «экономайзер», получила признание как надёжная паровая машина, которая никогда не взрывалась, как это довольно часто случалось с другими типами паровых двигателей в те времена.

Позже, в 1889 г., талантливым инженером Доливо — Добровольским был изобретён асинхронный двигатель.

Эти машины, пройдя испытания временем, используются и в наши дни. Так, асинхронный двигатель необходим для привода различных станков, насосно-компрессорных, кузнечно-прессовых, подъёмно-транспортных и других механизмов. А двигатель Стир­линга сегодня используют на атомных подъёмных лодках, так как высокий КПД и надёжность делают его идеальным для преобразо­вания тепловой энергии, вырабатываемой атомным реактором, в электрическую.

Известен один любопытный факт: специалистами МАЗа был разработан проект создания обитаемой базы на Луне. Проектом пре­дусматривается постепенное строительство: начиная с маленького обитаемого модуля и до большой производственной базы. Но вот что интересно: для работ был выбран атомный реактор 8Р-100 и 8 электрических генераторов, работающих от двигателя Стирлинга. В качестве дополнительного источника на первом этапе строитель­ства предусмотрено использование солнечных батарей.

Итак, мы видим, что без ДВС можно обойтись, заменив их на электродвигатели. Но примеры, приводимые мной выше, относятся к использованию электродвигателей в космосе, промышленности. А как же быть с транспортом, ведь больше всего вреда от него? И здесь выход есть. Нужно всего лишь заменить автобусы и мар­шрутные такси на троллейбусы и трамваи. А в качестве индивиду­ального транспорта, как это ни парадоксально, использовать вело­сипед. Конечно, автомобиль гораздо комфортнее и удобнее, но представьте, что вам придется выбирать между велосипедом и тем вредом, который причиняется нашему здоровью выхлопными газа­ми. Я думаю, что большинство выберет велосипед.

Учитель физики. Как же улучшить местную экологическую ситуацию? Мы приглашаем последнего эксперта по решению эко­логических проблем.

ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ВЫСТУПЛЕНИЯ

ЧЕТВЕРТОГО ЭКСПЕРТА ПО РЕШЕНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

Ежедневно от экологического иммунодефицита умирают бо­лее 250 тысяч россиян, сотни тысяч заболевают. Причина — в непо­средственном воздействии токсикантов, аллергенов, мутагенов при неблагоприятной экологической обстановке. Я, как эксперт, хочу затронуть следующие проблемы.

Загрязнение почв и причины этого:

— металлы и их соединения;

— удобрения и ядохимикаты;

— эрозия почв.

Необходимо применять следующие комплексные меры: поч­возащитные севообороты, вспашка поперёк склона, выравнивание колеи, применение удобрений, клейких веществ, удерживающих частицы почвы, и др.

2.Отрицательное влияние человеческой деятельности на животный мир планеты:

— разрушение мест обитания;

— вытеснение и уничтожение отдельных видов;

— загрязнение территорий токсичными веществами.

Возможно следующее решение проблемы: создание охраняе­мых территорий, в которых бы сохранялись и восстанавливались исчезающие виды животных.

Загрязнение водоёмов, причины этого:

— металлы: ртуть, свинец, кадмий;

— хлорорганические и фосфорорганические соединения;

— поверхностно-активные вещества;

— нефть.

Влияние загрязнений окружающей среды на организм человека.

Попадая в организм человека, соединения металлов вызыва­ют тяжелые заболевания:

-ионы ртути вступают в соединение с группами белков и прочно удерживаются в организме. Ртуть вызывает расстройства ЦНС, такие как паралич, нарушение слуха, зрения;

— кадмий вызывает различные формы рака, хрупкость и лом­кость костей, поражение почек;

— свинец отравляет клетки мозга, угнетает функции нервной системы, снимает быстроту реакций;

— стронций: замена кальция в костях на этот металл приводит к рыхлости и ломкости костей, расстройству опорно-двигательной системы, облучению костного мозга.

Каковы же задачи восстановления природных ресурсов и ох­раны окружающей среды?

Локальный и глобальный экологический мониторинг;

— восстановление и охрана лесов от пожаров, вредителей;

— охрана и разведение редких видов растений и животных;

— международное сотрудничество по охране природы;

— расширение и увеличение числа заповедных зон;

— рациональный подход к использованию биологических и минеральных ресурсов.

Экологическая обстановка в Волгограде также довольносложная. Для подтверждения этих слов я не буду приводить какие-либо цифры, а поделюсь некоторыми моими наблюдениями.

Если выехать за город и подняться на возвышение, то можно увидеть, что город окутан серой дымкой.

Возвращаясь с прогулки по лесу в город, мы чувствуем, что нам довольно трудно дышать.

Недавно был сильный туман. Природные газы, примеси, СО2,содержащиеся в атмосфере, сконцентрировались, и в результате на улице стоял очень неприятный запах.

По-моему, эти примеры достаточно ясно характеризуют ны­нешнюю экологическую обстановку в городе. Необходимо прини­мать меры по её улучшению. Я предлагаю несколько путей выхода из этой ситуации.

Озеленение города. Растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород.

Уничтожение пустырей, что способствует уменьшению выветривания почв, а следовательно, содержание пыли в воздухе уменьшается.

Проводить техосмотр автомобилей 2 раза в год, так как от состояния двигателя зависит количество вредных веществ, выбра­сываемых автомобилем в атмосферу.

Сделать более доступным ремонт автомобиля.

Ужесточить санкции по отношению к нарушителям.

Учитель физики. Итак, наша конференция подходит к концу.

Главный вывод: каждый человек в ответе за состояние земной природы перед будущим!

Если не думать о последствиях своей деятельности, можно нанести природе невосполнимый ущерб, а то и погубить ее, а зна­чит и жизнь на Земле.

В вопросе, который мы сегодня обсуждали, не поставлена точка, мы только начали об этом говорить. Раз мы это сделали — человечеству жить.

Писатель Анатоль Франс сказал: «Разум, если даже его при­тесняют, пренебрегают им, в конечном счете, всегда одерживает верх, ибо жить без него невозможно».

Так будем же жить честно и с честью выполним возложен­ные на нас обязанности по охране окружающей среды. Ибо мы су­щества разумные.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/110471-urok-teplovye-mashiny-v-zhizni-cheloveka

Тепловые и холодильные машины | АквилонСтройМонтаж

Тепловые и холодильные машины широко используются в современной промышленности. Существует несколько разновидностей машин и каждая их них имеет свое назначение и технические особенности.

  1. Тепловые машины способны преобразовывать работу в теплоту или теплоту в работу. Они бывают двух типов в зависимости от того, в каком направлении протекают в них процессы.
  2. Тепловые двигатели – машины, преобразующие в работу, поступающую извне теплоту.
  3. Холодильные машины осуществляют перенос от менее нагретого тела к более нагретой среде, используя механические усилия внешнего источника. Н
  4. Они применяются чаще всего – на перерабатывающих предприятиях, в торговле и быту. Одна из распространенных сфер – кондиционирование помещений.

А теперь рассмотрим тепловые и холодильные машины более подробно.

5 причин приобрести Холодильные машины у Компании АквилонСтройМонтаж

 

  1. Стремление к внедрению Российских комплектующих

 

  1. Разработка опытными конструкторами без сварочных работ

 

  1. Прохождение ОТК на всех стадиях сборки

 

  1. Действительно низкие цены

 

  1. Срок изготовления от 3 рабочих дней

ОСТАВИТЬ ЗАЯВКУ

Тепловые двигатели

Так называют машины, извлекающие полезную работу из внутренней хаотической энергии тела. Его изобретение очень много значит для науки. Оно открыло новые перспективы и возможности. Принцип действия описать достаточно просто.

В качестве рабочего тела выступает газ. При его расширении поршень начинает двигаться. Но для того, чтобы он расширился, его необходимо нагреть до определенной температуры, что делается при помощи нагревателя – сгорающего топлива.

В результате горения выделяется энергия, газ нагревается, расширяется, расширяется и обеспечивает полезную работу. Согласно первому закону термодинамики при однократном расширении тепло можно использовать максимально эффективно. Но для стабильного функционирования машины требуется циклическое действие, то есть постоянное повторение. Поэтому после расширения газ требуется возвращать в исходное состояние, то есть сжимать. Для этого потребуется его охлаждение при помощи холодного воздуха или воды.

КПД всегда будет меньше единицы.

Холодильные машины

Как уже было сказано, теплообмен протекает с передачей теплоты более нагретому телу от менее нагретого. Самопроизвольно энергия вообще не может передаваться. Для того чтобы передать тепло от холодного тела к горячему и тем самым еще сильнее охладить его, нужен внешний источник энергии. Для этого и были разработаны холодильные машины. По сравнению с рассмотренной тепловой машиной все процессы в этом агрегате протекают в противоположном направлении.

Хладагент – рабочее тело машины. В виде газа во время расширения он поглощает теплоту и отдает ее во время сжатия. Холодильником  считается тело, от которого отводится теплота.

Основное назначение таких машин – охлаждение определенного пространства. Например, морозильной камеры. Холодильный коэффициент является показателем эффективности функционирования установки. Он высчитывается по отношению произведенной механической или иной работы к отведенной теплоте. Если речь идет о тепловом насосе, то за основную единицу принимается отопительный коэффициент.

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Использование тепловых двигателей не проходит незаметно для окружающей среды. Повсеместное использование этих машин дает целый ряд негативных эффектов.

  • В атмосферу рассеивается большое количество тепловой энергии. Это в целом сказывается на повышении температуры на планете.
  • Также на глобальном потеплении сказывается скопление углекислого газа в атмосфере, что приводит к созданию парникового эффекта.
  • В целом ухудшается экологическая обстановка.

Чтобы снизить пагубное воздействие подобных машин постоянно проводятся исследования, внедряются передовые разработки, используются иные, более безопасные хладагенты. Производители стремятся к тому, чтобы оборудование постепенно становилось более безопасным для людей и природы. Потому что обойтись без всех этих видов машин в промышленности и прочих сферах деятельности уже не представляется возможным, в силу их обширного спектра действия и применения.

Роль тепловых двигателей в народном хозяйстве. Экологические проблемы, связанные с их использованием — ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ — УРОКИ ФИЗИКИ В 10 КЛАССЕ. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА — конспекты уроков — План урока — Конспект урока — Планы уроков — разработки уроков по физике

ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ*

 

Урок № 6

Тема. Роль тепловых двигателей в народном хозяйстве. Экологические проблемы, связанные с их использованием

 

Цель: углубить знания учащихся о физические принципы работы тепловых двигателей,их хозяйственное применение, ознакомить учащихся с достижениями науки и техники в деле совершенствования тепловых двигателей; развивать коммуникативные компетенции, умение анализировать, делать выводы; формировать сознательное отношение к охране окружающей среды, воспитывать заинтересованность учеников физикой, стимулировать творческую активность учащихся.

Тип урока: урок обобщения и систематизации знаний.

Форма проведения: урок-семинар.

Оборудование: карточки с надписями: историки, экологи, портреты физиков.

ХОД УРОКА

I. Вступительное слово учителя

— Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы достаточного количества энергии и были бы лишены почти всех видов транспорта. Поэтому обобщим знания о основные принципы работы тепловых машин, выясним их влияние на окружающую среду.

Прошлого урока вы получили перечень вопросов, над которыми работали самостоятельно. Сегодня каждый из вас может присоединиться к любой группе (механики, экологи, историки) и выразить свое мнение по определенной проблеме.

Давайте вспомним, где и когда появились первые тепловые машины.

 

II. Выступления групп

Историк. в 1696 году английский инженер Томас Севери (1650-1715) изобрел паровой насос для подъема воды. Он применялся для откачки воды в оловянных шахтах. Его работа была основана на охлаждении разогретого пара, что, сжимаясь, создавала вакуум, который втягивал в трубу воду из шахты.

1707 года насос Севери был установлен в Летнем саду в Петербурге. Английский механик Томас Ньюкомен (1663-1729) создал 1705 году паровую машину для откачки воды из шахт. 1712 года, использовав идеи Папена и Севери, Ньюкомен построил машину, которая применялась на шахтах Англии до середины XVIII в.

Первые практически действующие универсальные машины были созданы русским изобретателем И. Ползуновим (1766 г.) и англичанином Д. Уаттом (1774 г.)

Паровая машина Ползунова имела высоту 11м, объем котла 7 м3, высоту цилиндров 2,8 м, мощность 29 кВт. Эта машина долгое время работала на одном из горно-добывающих заводов России.

Историк. в 1765 году Дж. Уатт сконструировал, а позже усовершенствовал паровой двигатель принципиально нового типа. Его машина могла не только откачивать воду, но и предоставлять движения станкам, кораблям и экипажам. До 1784 года создание универсального парового двигателя было фактически закончено, и он стал основным средством получения энергии в промышленном производстве. В течение 1769-1770 годов французский изобретатель Никола Жозеф Кюньо (1725-1804) сконструировал паровая повозка — предок автомобиля. Он до сих пор хранится в Музее искусств и ремесел в Париже.

Американец Роберт Фултон (1765-1815) провел в 1807 году построенный им колесный пароход «Клермонт» по реке Гудзон. 25 июля 1814 года локомотив английского изобретателя Джорджа Стефенсона (1781-1848) сквозняк по узкоколейке 30 т груза в 8 вагонах со скоростью 6,4 км/ч. в 1823 году Стефенсон основал первый паровозостроительный завод. 1825 года начала действовать первая железная дорога от Стоктона до Дарлингтона, а в 1830 году — железнодорожная линия общественного пользования между промышленными центрами Ливерпулем и Манчестером. Джеймс Несміт (1808-1890) создал в 1839 году чрезвычайно мощный паровой молот, что сделал настоящий переворот в металлургическом производстве. Он же разработал несколько новых металлообрабатывающих станков.

Так начался расцвет индустрии и железных дорог — сначала в Великобритании, а затем в других странах мира.

Учитель. Давайте вспомним принцип работы тепловой машины.

Механик. Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия превращается в механическую энергию.

Есть несколько видов тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Во всех этих двигателях энергия топлива сначала превращается в энергию газа (пара). Расширяясь, газ (пар) выполняет работу и при этом охлаждается, часть его внутренней энергии превращается в механическую. Следовательно, тепловая машина имеет нагреватель, рабочее тело и холодильник. Это было установлено в 1824 г. французским ученым Сади Карно. Принцип действия такой машины можно изобразить схемой (рис. 1).

 

 

Рис. 1

 

Кроме того, Карно установил, что двигатель должен работать по замкнутому циклу и самым выгодным является цикл, состоящий из двух изотермических и двух адіабатичних процессов. Он получил название цикла Карно и его можно изобразить графически (рис. 2).

 

 

Рис. 2

 

Из графика видно, что рабочее тело совершает полезную работу, которая численно равна площади, описанной циклом, т.е. площади 1 — 2 — 3 — 4 — 1.

Закон сохранения и превращения энергии для цикла Карно заключается в том, что энергия, полученная рабочим телом от окружающей среды, равна энергии, переданной им окружающей среде. Работу тепловые двигатели выполняют благодаря разности давлений газа на поверхностях поршней или лопаток турбины. Эта разность давлений создается с помощью разницы температур. Таков принцип работы тепловых двигателей.

Механик. Одним из самых распространенных видов тепловой машины является двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который сейчас используется в различных транспортных средствах. Вспомним строение такого двигателя: основным элементом является цилиндр с поршнем, внутри которого сгорает топливо.

 

 

Рис. 3

 

Цилиндр имеет два клапана — впускной и выпускной. Кроме того, работа двигателя обеспечивается наличием свечи, шатунного механизма и коленчатого вала, соединенного с колесами автомобиля. Работает двигатель в четыре такта (рис. 3): И такт — впуск горючей смеси; II такт — сжатие, в конце его топливо воспламеняется искрой от свечи; III такт — рабочий ход, во время этого такта газы, образующиеся от сгорания топлива, выполняют работу, толкая поршень вниз; IV такт — выпуск, когда отработаны и охлажденные газы выходят наружу. График замкнутого цикла, который характеризует изменения состояния газа во время работы этого двигателя, изображен на рис. 4.

 

 

Рис. 4

 

Полезная работа за один цикл примерно равен площади фигуры 2 — 3 — 4 — 5 — 6 — 2. Распространение таких двигателей обусловлено тем, что они имеют малую массу, компактны, отличаются сравнительно высоким КПД (теоретически до 80 %, а практически — только 30 %). Недостатками является то, что они работают на дорогом топливе, сложные по конструкции, имеют очень большую скорость вращения вала двигателя, их выхлопные газы загрязняют атмосферу.

Эколог. Для повышения эффективности сгорания в двигателях бензина (увеличения его октанового числа) в него добавляют различные вещества, преимущественно этиловую жидкость, в состав которой входит свинец тетраетил, что играет роль антидетонатора (около 70 % соединений свинца выбрасывается в воздух, когда работают двигатели). Наличие в крови даже незначительного количества свинца приводит к тяжелым заболеваниям, снижение интеллекта, перевозбуждение, развития агрессивности, невнимательности, глухоты, бесплодия, задержки роста, нарушения вестибулярного аппарата и т.д.

Еще одной проблемой являются выбросы карбон (II) оксида. Можно представить объем ущерба от СО, если только один автомобиль за сутки выбрасывает в воздух около 3,65 кг карбон (II) оксида (парк автомобилей превышает 500 млн, а плотность потоков машин, например, на автомагистралях Киева достигает 50-100 тыс. автомобилей в сутки с выбросом ежечасно 1800-9000 кг СО в воздух!).

Токсичность СО для человека заключается в том, что, попадая в кровь, он лишает эритроциты (красные кровяные тельца) способности транспортировать кислород, вследствие чего наступает кислородное голодание, удушье, головокружение и даже смерть. Кроме того, ДВС вносят свою долю и в тепловое загрязнение атмосферы, температура воздуха в городе, где есть большое количество автомобилей, всегда на 3-5 °С выше от температуры за городом.

Историк. В 1896-1897 гг. немецким инженером Г. Дизелем был предложен двигатель, который имел высокий КПД, чем был в предыдущих. В 1899 г. дизельный двигатель был приспособлен к работе на тяжелом жидком топливе, что повлекло его дальнейшее широкое использование.

Учитель. Какие различия между дизельным и карбюраторным ДВС?

Механик. Дизельные двигатели не уступают по распространению карбюраторным двигателям. Строение их почти одинакова: цилиндр, поршень, впускной и выпускной клапаны, шатун, коленчатый вал, маховик и отсутствует свеча.

Это связано с тем, что топливо загорается не от искры, а от высокой температуры, которая создается над поршнем вследствие резкого сжатия воздуха. В это раскаленный воздух впрыскивается топливо, и оно сгорает, образуя рабочую смесь. Этот двигатель является чотиритактовим, диаграмма его работы изображена на рис. 5.

 

 

Рис. 5

 

Полезная работа двигателя равна площади фигуры 2 — 3 — 4 — 5 — 6 — 2. Такие двигатели работают на дешевых сортах топлива, их КПД составляет около 40 %. Основным недостатком является то, что их работа очень связана с температурой окружающей среды (при низких температурах они не могут работать).

Эколог. Значительный прогресс в дизелебудуванні сделал эти двигатели «чище», чем бензиновые; их уже успешно используют на легковых автомобилях.

В выхлопных газах дизелей почти не содержится ядовитого карбон оксида, так как дизельное топливо не содержит свинец тетраетилу. То есть дизели загрязняют окружающую среду гораздо меньше, чем карбюраторные двигатели.

Историк. Следующими тепловыми двигателями, которые мы рассмотрим, будут паровые и газовые турбины. Поскольку такие машины используют в основном на электростанциях (тепловых и атомных), то время их внедрения в технику следует считать вторую половину 30-х годов XX ст., хотя первые небольшие проекты таких агрегатов предпринимались еще в 80-е годы XIX в. Конструктором первой промышленной газовой турбины следует считать В. М. Маховского.

В 1883 году шведский инженер Г. Дач предложил первую конструкцию одноступеневої паровой турбины, а в 1884-1885 гг. англичанин Ч. Парсон сконструировал первую многоступенчатую турбину. Ч. Парсон в 1899 г. использовал ее на ГЭС в Эльберфельде (Германия).

Механик. В основу действия турбин возложена вращения колеса с лопастями под давлением водяного пара или газа. Поэтому главной рабочей частью является ротор турбины — закрепленный на валу диск с лопатками по его ободу. Пара от парового котла направляется специальными каналами (соплами) на лопасти ротора. В соплах пар расширяется, давление его падает, но возрастает скорость истечения, т.е. внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию струмени.

Паровые турбины бывают двух типов: турбины активного действия, вращения роторов которых происходит в результате удара струмини в лопасти и турбины реактивного действия, в которых лопасти размещены так, что пара, вырываясь из щели между ними, создает реактивную тягу. К преимуществам паровой турбины следует отнести быстроходность, значительную мощность и большую удельную мощность. КПД паровых турбин достигает 25 %. Его можно повысить, если турбина имеет несколько степеней давления, состоящие из сопел и рабочих лопаток, которые чередуются. Скорость пара в такой турбине уменьшается на рабочей лопасти, а затем (после прохождения через сопло) вновь увеличивается вследствие уменьшения давления. Таким образом, от степени к степени давление пара последовательно уменьшается, и она многократно выполняет работу. В современных турбинах количество ступеней достигает 30.

Недостатком турбин является инерционность, невозможность регулирования скорости вращения, отсутствие обратного хода.

Эколог. Применение паровых турбин на электростанциях требует отвода больших площадей под пруды, в которых охлаждается отработанный пар. С увеличением мощностей электростанций резко возрастает потребность в воде, кроме того, в результате охлаждения пара большое количество теплоты выделяется в окружающую среду, что приводит, опять же, к тепловому возбуждению и повышению температуры Земли.

Историк. К тепловым машинам относятся реактивные двигатели. Теория таких двигателей воспроизведена в трудах Е. К. Циолковского, которые написаны в начале XX ст., а внедрение их связано с именем другого украинского изобретателя — С. П. Королева. В частности, под его руководством были созданы первые реактивные двигатели, применявшиеся на самолетах (1942), а позже (1957) был запущен первый космический спутник и первый пилотируемый космический корабль (1961). Какой же принцип действия реактивных двигателей?

Механик. Тепловые двигатели, которые используют реактивную тягу утечка газов, называют реактивными. Принцип их действия заключается в том, что топливо, сгорая, превращается в газ, который с большой скоростью вытекает из сопел двигателя, заставляя двигаться летательный аппарат в противоположном направлении. Рассмотрим несколько типов таких двигателей.

Одним из простейших по конструкции является прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Это труба, в которую встречный поток нагнетает воздух, а жидкое топливо впрыскивается в нее и поджигается. Раскаленные газы вылетают из трубы с большой скоростью, придавая ей реактивной тяги. Недостатком этого двигателя является то, что для создания тяги он должен двигаться относительно воздуха, то есть самостоятельно он взлететь не может. Наибольшая скорость составляет 6000 — 7000 км/ч.

Если в реактивном двигателе есть турбина и компрессор, то такой двигатель называют турбокомпресорним. Во время работы такого двигателя воздух через заборник попадает в компрессор, где сжимается и подается в камеру сгорания, куда впрыскивается топливо. Здесь оно поджигается, продукты сгорания проходят через турбину, которая вращает компрессор, и вытекают через сопло, создавая реактивную тягу.

В зависимости от распределения мощностей эти двигатели делятся на турбореактивные и турбовинтовые. Первые большую часть мощности затрачивают на реактивную тягу, а вторые — на вращения газовой турбины.

Преимуществами этих двигателей является то, что они имеют большую мощность, которая обеспечивает большие скорости, необходимые для поднятия в космос. Недостатки — большие габариты, малый КПД, а также вред, который они наносят окружающей среде.

Эколог. Поскольку в реактивных двигателях также сгорает топливо, то они, как и все тепловые двигатели, загрязняют окружающую среду вредными веществами, которые выделяются во время сгорания. Это диоксид углерода (СO2), угарный газ (СО), сернистые соединения, азот оксиды и другие. Если во время работы автомобильных двигателей массы этих веществ составляли килограммы, то теперь — это тонны и центнера. Кроме того, высотные полеты самолетов, запуски космических ракет, полеты военных баллистических ракет негативно влияют на озоновый слой атмосферы, разрушая его. Подсчитано, что сто запусков подряд космического челнока «Спейс-Шаттл» могли бы почти полностью разрушить защитный озоновый слой атмосферы Земли, Учитель. Какими же должны быть двигатели будущего? Механик. Большинство специалистов считает, что это должны быть водородные двигатели, то есть такие, в которых водород вступать в реакцию с кислородом, в результате чего будет образовываться вода. Разработки, которые ведутся в этом направлении, дают много различных конструкций подобных двигателей: от таких, где баки заправляются соответствующими газами, к машинам, где топливом является сахарный сироп. А еще есть конструкции, где топливом является масло, спирт и даже биологические отходы. Но пока что все эти двигатели существуют только в виде экспериментальных образцов, которым еще далеко до внедрения в промышленное производство. Однако даже эти разработки дают надежду на то, что в будущем мы получим экологически гораздо более «чистые» машины, чем современные. И хотя создать тепловую машину, которая совсем не загрязнял бы окружающую среду, нам еще не удается, но стремиться к этому мы будем.

 

III. Домашнее задание

Выполнить домашнюю контрольную работу

Вариант 1

1. Давление газа под поршнем составляет 490 кПа. Какую работу выполняет газ, если его при постоянном давлении нагревают до температуры, вдвое большей от начальной? Начальный объем газа 10 л.

2. Пар поступает в турбину при температуре 500 °С, а выходит при температуре 30 °С. Считая турбину идеальной тепловой машиной, вычислите ее КПД.

3. Или остынет воздух в комнате, если держать открытой дверцу включенного в сеть холодильника?

Вариант 2

1. На сколько изменяется внутренняя энергия 200г гелия при увеличении температуры на 20 К?

2. Температура нагревателя идеальной машины 117 °С, а холодильника 27 °С. Количество теплоты, что ее получает машина от нагревателя за 1 с, равно 60 кДж. Вычислить КПД машины, количество теплоты которую забирает холодильник за 1 с, и мощность машины.

3. Когда КПД теплового двигателя выше: в холод или жару?

 

Приложение 1

 

 

Паровая машина И. Ползунова

 

 

Джеймс Уатт усовершенствовал паровой насос Ньюкомена, повысив эффективность его работы. Его паровые машины, изготовленные 1775 года, работали на многих заводах Великобритании

 

Приложение 2

 

Основные характеристики карбюраторного и дизельного двигателей

 

Некоторые данные о двигателе

Карбюраторный двигатель

Дизельный двигатель

Рабочее тело

Продукты сгорания бензина

Продукты сгорания дизельного топлива

Топливо

Бензин

Дизельное топливо

Давление в цилиндре

6·105 Па

1,5·106-3,5·106 Па

Температура сжатого воздуха

360-400 °С

500-700 °С

Температура продуктов сгорания

1800 °С

1900 °С

КПД

20-25 % (до 35 %)

30-38 % (до 45%)

Использование

В легких мобильных машинах сравнительно небольшой мощности (легковые автомобили, мотоциклы и т.д.)

В грузовых автомобилях большой мощности, тракторах,тягачах, тепловозах, на стационарных установках ТЭС

История создания

Впервые запатентован в 1860 г. французом Ленуаром; в 1878 г. был построен двигатель с КПД = 2 % (немецкий изобретатель Отто и инженер Ланген)

Созданный в 1893 г. немецким инженером Р. Дизелем

 

Приложение 3

 

 

Схема устройства реактивного двигателя

Повышение мощности тепловых двигателей за счет коррелированной термализации в трехуровневом «рабочем теле»

Энергия, непрерывно обмениваемая между трехуровневой системой и тепловыми ваннами, связана по первому закону с производительность Вт извлекаемая поршнем) по 44

В это выражение входит сумма тепловых потоков от обеих ванн, которая может быть получена из динамической версии второго закона 2 .Их явное выражение для i -й ванны ( i  ∈ {c, h}) имеет вид , где тепловой поток для q -й гармонической «подванны» () в уравнении (9) читает 2,37

здесь, обозначает локальный Устойчивое состояние для одиночных Тепловая ванна при температуре T I Оценивается в боковой полосе Ω 0 + Q Ω , т. е. . Подчеркнем, что глобальное стационарное состояние ρ ss (выполнение ) обеспечивает правильное описание переноса тепла в этой коррелированной системе с тремя состояниями, избегая противоречий со вторым законом из-за неправильного использования локальных переменных, как обсуждалось в 45 .Поскольку каждый лиувиллиан в основном уравнении (8) имеет одинаковую функциональную зависимость (9) от атомарных операторов, правильное глобальное решение может быть получено непосредственно из локального.

Здесь мы ищем стационарное решение основного уравнения (8) и результирующие выражения для J h(c) . На данный момент мы еще не знаем границы этих токов и их зависимости от юстировки. Поэтому эти тепловые потоки сравниваются с соответствующими выражениями (5)–(6) для двухуровневой системы (ДУС) с той же силой диполя перехода d и модулированной частотой перехода ω 0  + ω( t ) 21 .

Управляющее уравнение (8) может быть сведено к аналитически решаемой неоднородной системе линейных дифференциальных уравнений

для вектора матричных элементов

Это система обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ), где матрица и вектор b определяются в уравнениях. (31) и (32) в разделе «Методы» описывают два очень разных динамических режима, соответствующих выровненным и смещенным переходным диполям, как подробно описано ниже.

(i) Рассмотрим сначала очень общий стационарный режим, полученный для несоосных переходных диполей , .Отметим, что этот режим также включает случай ортогональных диполей (). Затем трехуровневая система термализуется в диагональное стационарное состояние (без когерентности)

с эффективной обратной температурой β eff , определяемой коэффициентом Больцмана

Эта эффективная температура определяет стационарную населенность периодически модулируемой системы, связанной с обе бани. Мы можем контролировать β eff путем разработки модуляционных коэффициентов Флоке P ( q ), которые определяют перекрытие пиков боковых полос ( q  = ±1, ±2,…) на частотных гармониках ω 0 +  q Ом со спектрами отклика G i (ω) двух ванн, как показано на рис.2а.

Рисунок 2

( a ) «Разработка» эффективной температуры T эфф путем управления весами боковых полос гармоник (через модуляцию) в двух спектрах ванны. ( b ) Абсолютное значение максимального отбора мощности (снизу вверх: TLS, невыровненная трехуровневая система, выровненная трехуровневая система при оптимальных начальных условиях) для T c  = 0,1 T ч . ( c ) Модуль стационарной когерентности для параллельных диполей.Максимальный прирост мощности [происходящий при нулевой начальной популяции в темном состоянии в соответствии с уравнением (26)] соответствует относительно малым стационарным когерентностям. Наивысшая стационарная когерентность реализуется для темного начального состояния, которое дает нулевую мощность.

Вычисляя тепловые потоки (12), мы находим, что Дж h , Дж c и мощность модифицированы (относительно их аналогов TLS в уравнениях (5) и (6) 21 ) на тот же коэффициент

Это означает, что повышение мощности по сравнению с тепловой машиной TLS определяется отношением стационарной населенности основного состояния в системе V к ее аналогу TLS.А именно, в этом полностью термализованном некогерентном режиме коэффициент усиления (18) зависит только от эффективной температуры (17).

(ii) Для полностью вырожденных возбужденных состояний мы находим, что матрица коэффициентов (31) приведенного выше ОДУ является сингулярной () для выровненных дипольных моментов ( = 1). Тот же результат справедлив для антипараллельных диполей, что оправдывает ограничение неотрицательными значениями. Эта сингулярность означает, что может существовать бесконечное число стационарных решений. Действительно, в этом режиме динамика ограничена наличием темнового состояния , для которого

делает стационарное решение зависимым от начальных условий (согласно выражениям, найденным для одиночной ванны в работах34 и 46). Стационарное решение теперь зависит от перекрытия начального состояния ρ(0) с нетемными состояниями (т. е. основным состоянием и светлым состоянием) полного лиувиллиана в уравнениях. (8) и (9). Роль этих состояний становится очевидной при диагонализации стационарного решения, которое дает населенности

в базисе, натянутом на . Здесь

и

обозначают светлое и темное состояния соответственно. В то время как население темного состояния не может измениться, т.е.т. е., это постоянная движения (согласуется с полученной в 35 для одиночной нулевой температуры ванны и внешнего привода), заселенности яркого и основного состояния, ρ bb и ρ 00 соответственно , термализация. Те же результаты справедливы для антипараллельных диполей ( = −1) при смене местами темного и светлого состояний.

Поступая так же, как и в случае невыстроенного режима, находим отношение мощностей

Следовательно, мощность, а также тепловые потоки увеличиваются в выровненном режиме по сравнению с их эквивалентами TLS не более чем в два раза, как и в смещенном режиме [уравнение.(18)]. Однако, в отличие от последнего, соотношение (26) зависит не от спектров ванны или температуры окружающей среды, а только от начальных заселенностей нетемновых состояний. Улучшение в уравнении (26) требует , или, что то же самое, , т. е. по крайней мере половина населения в начальном состоянии должна быть нетемной. Максимальное усиление происходит, когда начальное состояние поддается полной термализации, т. е. не является темным.

При заданной начальной населенности основного состояния ρ 00 (0) состояния, обеспечивающие максимально возможный прирост мощности, характеризуются .Это состояния с максимально допустимым модулем когерентности ρ 21 (0) (при фиксированной населенности основного состояния) и правильной фазой. Мы построили график максимальной выходной мощности при синусоидальной модуляции для TLS, невыровненной и выровненной системы В на рис. 2б. Спектры выбраны, как в исх. 21, так что только G c 0 ) и G h 0  + Ω) вносят свой вклад (как показано на рис. 2а), а частота модуляции настроена на максимизация выходной мощности.

Подчеркнем, что нетемное начальное состояние не соответствует устойчивому состоянию с максимальной когерентностью при вращении уравнения. (21) вернуться к исходному базису, натянутому на . Фактически когерентность максимальна для начального темного состояния, которое не обменивается энергией с ваннами и дает нулевую мощность, см. рис. 2в.

Естественно задаться вопросом: насколько допустимо начальное перекрытие с темным состоянием, чтобы выровненная конфигурация по-прежнему превосходила свою несогласованную копию? Ответ: для

Значение на r.ч.с. — начальное перекрытие, при котором стационарные когерентности исчезают в совмещенном случае (см. рис. 2в).

До сих пор мы проводили сравнение между тепловыми потоками и мощностью соответственно, полученными для трехуровневой системы по сравнению с двухуровневой системой. Теперь мы пытаемся провести прямое сравнение коэффициентов усиления (18) и (26) для режимов смещенного ( < 1) и выровненного ( = 1) режимов. Их отношение определяется соответствующими стационарными населенностями в основном состоянии, которое напрямую связано с отношением мощности или теплотока через

. Мы рассматриваем это отношение в двух предельных случаях (при условии отсутствия выровненный случай):

(i) Поскольку β eff  → 0 (высокая эффективная температура), термализованное состояние соответствует равнораспределению между уровнями.Для параллельных диполей термализованная трехуровневая система ведет себя как ДУС (образованная основным и ярким состояниями) с эффективным дипольным переходом, усиленным количеством путей термализации, в данном случае двумя. Следовательно, в стационарном состоянии половина популяции находится на уровне (если в начальном состоянии не было темнового компонента). Для несоосных диполей, напротив, тепловое равновесие соответствует равнораспределению между тремя уровнями , и . Следовательно, только треть популяции находится в основном состоянии.Отношение 3/2 соответствующих населенностей основного состояния в соответствии с формулой. (28) объясняет соотношение максимальных коэффициентов усиления в совмещенном и рассогласованном режимах при высоких T эфф .

(ii) Для больших β eff , т. е. низких T eff , однако, уравнение. (28) подразумевает, что максимальное усиление для смещенных диполей совпадает с его аналогом для выровненных диполей (последний максимален для начального состояния, перпендикулярного темному состоянию), поскольку только тогда оно заметно заселяется в любом режиме.

Оба режима по-прежнему сохраняют максимальный коэффициент усиления 2, обусловленный их двойными путями термализации вместо одного для подлинного TLS. Мы суммировали эти результаты на рис. 3. Положительное влияние юстировки на выходную мощность ожидается только для эффективных температур . Для оптических переходов это соответствует нескольким сотням кельвинов, тогда как для микроволновых переходов выгода от юстировки уже ожидается при нескольких сотнях милликельвинов.

Рисунок 3

Предельные режимы тепловых потоков при высоких (слева) и низких (справа) эффективных температурах.

В случае параллельных диполей ( = 1) мы предполагаем, что начальное состояние ортогонально темному состоянию, чтобы обеспечить максимальную способность термализации. Тепловые потоки связаны со стационарной заселенностью основного состояния уравнением (28).

Тепловое проектирование и оптимизация тепловых двигателей и тепловых насосов

  • Абусоглу А., Каноглу М. (2008) «Анализ первого и второго закона систем когенерации с дизельным двигателем», Преобразование энергии и управление в Турции, том.49, 2026–2031 гг.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Ачиккалп Э. (2014) «Анализ энтранзиуса необратимых циклов теплового двигателя Карно и циклов охлаждения и взаимосвязи между различными термодинамическими параметрами», Преобразование энергии и управление , том. 80, стр. 535–542.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Ахмад С.А. и Сунтирам Д. (2018) «Оптимизация производительности дизельного двигателя с помощью пчелиного алгоритма », в серии конференций IOP: Материаловедение и инженерия, Vol.319, № 1, с. 012064.

    Перекрестная ссылка Google ученый

  • Ахмади М.Х., Ахмади М.А., Меллит А., Пурфайаз Ф., Фейдт М. (2016a) «Термодинамический анализ и многоцелевая оптимизация производительности двигателя Стирлинга на солнечной тарелке за счет централизации энтранзии и генерации энтропии», International Journal of Электроэнергия, Том. 78,88–95.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Ахмади М.Х., Ахмади М.А., Пурфайаз Ф., Биди М., Хоссейнзаде Х., Фейдт М. (2016b) «Оптимизация теплового двигателя Стирлинга с термодинамикой с конечной скоростью», Energy Conversation and Management , vol. 108, 96–105.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Ахмади М.Х., Хоссейнзаде Х., Сайяди Х., Мохаммади А.Х., Кимиагалам Ф. (2013a). Применение метода многокритериальной оптимизации для проектирования теплового двигателя Стирлинга с механическим приводом: проектирование с максимальной мощностью, тепловым КПД и минимальными потерями давления. Возобновляемые источники энергии , том. 60, 313–322.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Ахмади М.Х., Мохаммади А.Х., Дегани С., Барранко-Хименес М.А. (2013b), «Многоцелевая термодинамическая оптимизация выходной мощности солнечного двигателя Стирлинга путем реализации эволюционного алгоритма», Energy Conversation and Management , том. 75, 438–445.

    Google ученый

  • Ахмади М.Х., Сайяади Х., Дехгани С., Хоссейнзаде Х. (2013c) «Проектирование теплового двигателя Стирлинга на солнечной энергии на основе нескольких критериев: максимальная тепловая эффективность и мощность», Energy Conversation and Management vol. 75, 282–291.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Ахмади М.Х., Сайяади Х., Мохаммади А.Х., Барранко-Хименес М.А. (2013d) «Термоэкономическая многоцелевая оптимизация солнечного двигателя Стирлинга путем реализации эволюционного алгоритма» , Energy Conversation and Management , vol.73, 370–380.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Ахмади М.Х. и Ахмади М.А. (2016) «Термодинамический анализ и оптимизация необратимого теплового двигателя радиационного типа с использованием генетического алгоритма недоминируемой сортировки» . Международный журнал Ambient Energy , vol. 37(4), стр. 403–408.

    Google ученый

  • Ахмади М.Х., Ахмади М.А., Баят Р., Ашури М. и Фейдт М. (2015a) «Термоэкономическая оптимизация теплового насоса Стирлинга с использованием генетического алгоритма сортировки без доминирования», Energy Conversion and Management , vol. 91, стр. 315–322.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Ахмади М.Х., Ахмади М.А., Мехрпуя М. и Самети М. (2015b) «Термоэкологический анализ и оптимизация характеристик необратимого абсорбционного теплового насоса с тремя источниками тепла», Energy Conversion and Management , vol.90, стр. 175–183.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Ахмади М.Х., Ахмади М.А., Мехрпуя М., Хоссейнзаде Х. и Фейдт М. (2014a) «Термодинамический и термоэкономический анализ и оптимизация производительности необратимого четырехтемпературного абсорбционного охлаждения», Energy Conversion and Управление , том. 88, стр. 1051–1059.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Ахмади М.Х., Ахмади М.А., Мохаммади А.Х., Мехрпуя М. и Фейдт М. (2014b). «Термодинамическая оптимизация теплового насоса Стирлинга на основе нескольких критериев», Energy Conversion and Management , vol. 80, стр. 319–328.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Ахмади М.Х., Ахмади М.А., Пурфайаз Ф. и Биди М. (2016c) «Термодинамический анализ и оптимизация необратимого теплового насоса, работающего по обратному циклу Брайтона», Energy Conversion and Management , vol.110, стр. 260–267.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Анджелино Г. и Инверницци К. (1995) «Перспективы использования тепловых насосов с обратным циклом Брайтона на реальном газе», International Journal of Refrigeration , vol. 18(4), стр. 272–280.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Ангуло-Браун Ф. (1991a) «Критерий экологической оптимизации для тепловых двигателей с конечным временем», Journal of Applied Physics , vol.69 (11), 7465–7469.

    Google ученый

  • Ангуло-Браун Ф. (1991b) «Критерий экологической оптимизации для тепловых двигателей конечного времени», Journal of Applied Physics , vol. 69 (11), 7465–7469.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Араоз Дж. А., Кардозоа Э., Саломона М., Алехо Л., Франссон Т. Х. (2015) «Разработка и проверка термодинамической модели для анализа производительности прототипа гамма-двигателя Стирлинга», Applied Thermal Engineering , vol.83, 16–30.

    Google ученый

  • Арора Р., Каушик С.К., Кумар Р., Арора Р. (2016) «Многоцелевая термоэкономическая оптимизация солнечной параболической тепловой машины Стирлинга с регенеративными потерями с использованием NSGA-II и принятием решений», International Journal of Электроэнергетика , т. 1, с. 74,25–35.

    Google ученый

  • Бабаэлахи М., Сайяади Х. (2015) «Новая тепловая модель, основанная на политропическом численном моделировании двигателей Стирлинга», Applied Energy, vol.141, 143–159.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Бодеску В. (1992) «Оптимальная работа солнечного преобразователя в сочетании с тепловым двигателем Стирлинга или Эрикссона», Energy , vol. 17(6), 601–607.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Бадеску В. (2004) «Оптимальные пути для минимизации потерянной доступной работы во время обычного процесса теплопередачи за конечное время» , Журнал неравновесной термодинамики , том.29; 53–73.

    Google ученый

  • Bi Y., Chen L. и Sun F. (2010) «Экзергетическая оптимизация эффективности необратимого теплового насоса, работающего по обратному циклу Брайтона», Pramana , vol. 74 (3), стр. 351–363.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Бланк Д.А., Дэвис Г.В., Ву С. (1994) «Оптимизация мощности эндообратимого цикла Стирлинга с регенерацией», Energy , vol.19, 125–133.

    Google ученый

  • Бланк Д. А. и Ву С. (1996) «Предел мощности эндообратимого цикла Эрикссона с регенерацией», Energy Conversion and Management , vol. 37(1), стр. 59–66.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Бланк Д. А. и Ву К. (1998) «Ограничение мощности с конечным временем для двигателей Ericsson, работающих на солнечной энергии, в космических приложениях», Applied Thermal Engineering , vol.18 (12), стр. 1347–1357.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Бойич М. (1997) «Когенерация электроэнергии и тепла с использованием эндореверсивного двигателя Карно», Преобразование энергии и управление , том. 38 (18), стр. 1877–1880.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • К.Ю. Ченг, К.К. Чен (1997) «Экологическая оптимизация необратимой тепловой машины Карно» , Journal of Physics D: Applied Physics , vol.30, 1602–1609.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • ок. Ордонез (2000) «Криогенный тепловой двигатель с замкнутым циклом Брайтона, работающий на жидком азоте», Energy Conversion and Management , vol. 41, 331–341.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Campos MC, Vargas JVC, Ordonez JC. (2012) «Термодинамическая оптимизация двигателя Стирлинга», Energy , vol.44 (1), 902–910.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Чен Дж. и Андресен Б. (1995) «Оптимальный анализ основных рабочих параметров эндореверсивного абсорбционного теплового насоса», Системы рекуперации тепла и ТЭЦ , том. 15 (8), стр. 723–731.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Чен Дж. (1994) «Максимальная выходная мощность и максимальная эффективность необратимой тепловой машины Карно», Journal of Physics D: Applied Physics , vol.27(6), с. 1144.

    Google ученый

  • Chen Jincan, (1999) Общие рабочие характеристики необратимого абсорбционного теплового насоса, работающего между четырьмя температурными уровнями. Journal of Physics D: Applied Physics , 32 (12): 1428–1433.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Чен Дж., Ву С. и Кианг Р.Л. (1996) «Максимальная удельная выходная мощность необратимого лучистого теплового двигателя», Energy Conversion and Management , vol.37(1), стр. 17–22.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Чен Л., Ни Н., Ву С. и Сун Ф. (1999) «Анализ производительности закрытого регенерируемого теплового насоса Брайтона с внутренней необратимостью» International Journal of Energy Research , vol. 23 (12), стр. 1039–1050.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Чен Л., Цинь С., Сунь Ф. и Ву С. (2005) «Необратимый абсорбционный тепловой насос и его оптимальная производительность», Applied Energy , vol.81 (1), стр. 55–71.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Чен Л., Сонг Х. и Сун Ф. (2010) «Конфигурация эндореверсивного радиационного теплового двигателя для максимальной эффективности», Applied Mathematical Modeling , vol. 34 (7), стр. 1710–1720.

    MathSciNet МАТЕМАТИКА перекрестная ссылка Google ученый

  • Чен Л., Сун Ф. и Ву С. (1997) «Влияние закона теплопередачи на характеристики двигателя Карно», Applied Thermal Engineering , vol.17(3), стр. 277–282.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Чен Л., Сун Ф. и Ву С. (2007) «Оптимизация мощности регенерируемого замкнутого теплового резервуара с переменной температурой цикла Брайтона», International Journal of Sustainable Energy , vol. 26(1), стр. 1–17.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Чен Л., Ся С. и Сун Ф. (2013) «Максимальная выходная мощность многоступенчатых необратимых тепловых двигателей по обобщенному закону теплопередачи с использованием динамического программирования», Scientia Iranica , vol.20(2), стр. 301–312.

    Google ученый

  • Чен Л., Чжан В. и Сунь Ф. (2007) «Мощность, эффективность, скорость генерации энтропии и экологическая оптимизация для класса обобщенных необратимых универсальных циклов тепловых двигателей», Applied Energy , vol. 84 (5), стр. 512–525.

    Google ученый

  • Чен Л., Чжоу Дж., Сунь Ф. и Ву С. (2004) «Экологическая оптимизация для универсальных необратимых двигателей Карно. Applied Energy , 77 (3), стр. 327–338.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Чен Л., Чжу С., Сунь Ф. и Ву С. (2006) «Эксергетическая экологическая оптимизация необратимых двигателей Карно с линейным феноменологическим законом теплопередачи», Applied Energy , vol. 83 (6), стр. 573–582.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Чен Л.Г., Чжэн Дж.Л., Сунь Ф.Р. и Ву, К. (2001) «Анализ удельной мощности и оптимизация регенерируемого замкнутого теплового резервуара с переменной температурой, цикл Брайтона», Journal of Physics D: Applied Physics , vol. 34(11), с. 1727.

    Перекрестная ссылка Google ученый

  • Ченаб Дж., Схоутенб Дж.А. (1999) «Всеобъемлющее влияние нескольких основных необратимых явлений на характеристики теплового двигателя Ericsson», Applied Thermal Engineering , vol.19(5), 555–564.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Cheng CH, Yu YJ. (2010) «Численная модель для прогнозирования термодинамического цикла и теплового КПД двигателя Стирлинга бета-типа с ромбическим приводным механизмом», Renewable Energy , vol. 35(11), 590–601.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Ченг С.И., Чен С.К. (1999) «Экологическая оптимизация необратимой тепловой машины Брайтона», Journal of Physics D: Applied Physics , vol.32, 350–357.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Chin Wu (1991) «Оптимизация мощности реверсивного газового теплового двигателя Брайтона», Energy Conversion and Management , vol. 31, № 6, стр. 561–565.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Duan C, Wang X, Shu S, Jing C, Chang H. (2014) «Термодинамический расчет двигателя Стирлинга с использованием многоцелевого алгоритма оптимизации роя частиц», Energy Conversion and Management , vol.84, 88–96.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Эрбай Л.Б., Явуз Х. (1999) «Анализ необратимого двигателя Эрикссона с реалистичным регенератором», Applied Energy, vol. 62, 155–167.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Эсфахани И.Дж., Ли С. и Ю К. (2015) «Оценка и оптимизация многоступенчатого испарительно-абсорбционного опреснения с тепловым насосом на основе традиционных и расширенных эксергетических и эксэргоэкономических анализов», Опреснение , том.359, стр. 92–107.

    Google ученый

  • Ferreira AC, Nunes ML, Teixeira JCF, Martins LASB, Teixeira SFCF (2016) «Тепловая и экономическая оптимизация двигателя Стирлинга на солнечной энергии для целей микрокогенерации», Energy, vol. 111, 1–17.

    Google ученый

  • Гёктун С. и Озкайнак С. (1997) «Оптимальные характеристики гофрированного коллекторного необратимого теплового двигателя Карно и абсорбционного холодильника», Energy , vol.22(5), стр. 481–485.

    Google ученый

  • Гёктун С., Озкайнак С. и Явуз Х. (1993) «Расчетные параметры радиационного теплового двигателя», Energy , vol. 18 (6), стр. 651–655.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Х. Сайяади, М.Х. Ахмади, С. Дехгани, (2015) «Оптимальный дизайн теплового двигателя на солнечной энергии на основе тепловых и экологических критериев», Journal of Energy Engineering , vol.141(3), 1–7.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Х. Сонг, Л. Чен, Ф. Сунь (2007a) «Эндореверсивные тепловые двигатели для максимальной выходной мощности с фиксированной продолжительностью и радиационным законом теплопередачи», Applied Energy , vol. 84(4), 374–388.

    Google ученый

  • Х. Сонг, Л. Чен, Дж. Ли, Ф. Сунь, К. Ву (2006) «Оптимальная конфигурация класса эндореверсивных тепловых двигателей с линейным феноменологическим законом теплопередачи», Journal of Applied Physics , том.100(12), 124907.

    Google ученый

  • Хань Ю., Ван Д., Чжан С. и Чжу Ю. (2017) «Уравнения энтранзийного вырождения и энтранзийных потерь для обобщенной необратимой системы двигателя Карно», International Journal of Heat and Mass Transfer , vol. 106, стр. 895–907.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Холман Дж.П. (1980) Термодинамика , McGraw-Hill, Нью-Йорк.

    Google ученый

  • Хушанг М., Могадам Р.А., Ниа С.А., Масулех М.Т. (2015) «Оптимизация параметров конструкции двигателя Стирлинга с использованием нейронных сетей», Возобновляемая энергия , том. 74, 855–866.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Hosseinzade H, Sayyaadi H, Babaelahi M. (2015) «Новая закрытая аналитическая тепловая модель для моделирования двигателей Стирлинга на основе политропной термодинамики с конечной скоростью», Energy Conversion and Management , vol.90, 395–408.

    Google ученый

  • Huang Y., Sun D. и Kang Y. (2008) «Оптимизация производительности необратимого абсорбционного теплового насоса с четырьмя уровнями температуры», International Journal of Thermal Sciences , vol. 47(4), стр. 479–485.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Ибрагим О.М. и Кляйн С.А. (1995) «Мощные многоступенчатые циклы Ренкина», Journal of Energy Resources Technology , vol.117(3), стр. 192–196.

    Google ученый

  • Джафари М., Пархизкар М.Дж., Амани Э., Надеран Х. (2016) «Включение минимизации генерации энтропии в многоцелевую оптимизацию CFD дизельных двигателей», Energy , vol. 114, 526–541.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Каушик С.С., Кумар С. (2000) «Термодинамическая оценка необратимых циклов Эрикссона и Стирлинга с тепловым насосом за конечное время», В: Материалы 4-го Минского международного семинара по тепловым трубам, тепловым насосам и холодильникам , Минск, Беларусь, п.113–26.

    Google ученый

  • Кошик СК, Тьяги СК, Бозе СК, Сингхал М.К. (2001) «Оценка производительности необратимого цикла теплового насоса Стирлинга и Эрикссона» , International Journal of Thermal Science , vol. 41, 193–200.

    Google ученый

  • Каушик С. К. и Кумар С. (2001) «Термодинамическая оценка необратимых тепловых двигателей Эрикссона и Стирлинга за конечное время», Energy Conversion and Management , vol.42(3), стр. 295–312.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Халик А. (2004) «Анализ теплопередачи за конечное время и обобщенная оптимизация мощности эндореверсивной тепловой машины Ренкина», Applied Energy , vol. 79(1), стр. 27–40.

    Google ученый

  • Кодал А., Сахин Б. и Йилмаз Т. (2000) «Сравнительный анализ производительности необратимых тепловых двигателей Карно в условиях максимальной удельной мощности и максимальной мощности», Преобразование энергии и управление , 41(3), стр.235–248.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Кодал А., Шахин Б., Экмекчи И. и Йылмаз Т. (2003) «Термоэкономическая оптимизация для необратимых абсорбционных холодильников и тепловых насосов», Преобразование энергии и управление , том. 44 (1), стр. 109–123.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Kongtragool B, Wongwises S. (2003) «Обзор двигателей Стирлинга на солнечной энергии и низкотемпературных дифференциальных двигателей Стирлинга», Renewable and Sustainable Energy Reviews , vol.7, 131–154.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Kongtragool B, Wongwises S. (2007) «Характеристики двухпоршневого низкотемпературного дифференциального двигателя Стирлинга, работающего от имитатора солнечной энергии», Solar Energy , vol. 81, 884–895.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Кумар Р., Каушик С.К., Кумар Р. (2015) «Анализ производительности теплового двигателя Брайтона при максимальной эффективной мощности с использованием зависящей от температуры удельной теплоемкости рабочего тела», Journal of Thermal Engineering , Vol.1, № 2, стр. 345–354.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Ли В.Ю. и Ким С.С. (1992) «Оптимизация тепловой машины Ренкина за конечное время», Energy Conversion and Management , vol. 33(1), 59–67.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Леунг Д.Ю., Луо Ю. и Чан Т.Л. (2006) «Оптимизация выбросов выхлопных газов дизельного двигателя, работающего на биодизельном топливе» , Energy & Fuels , vol.20 (3), стр. 1015–1023.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Ли Р., Гросу Л., Кейрос-Конде Д. (2016) «Многокритериальная оптимизация двигателя Стирлинга с использованием метода термодинамики конечных физических размеров (FPDT)», Energy Conversion and Management , vol. 124, 517–527.

    Google ученый

  • Ли Ю., Фу Л., Чжан С. и Чжао С. (2011) «Новый тип системы централизованного теплоснабжения на основе распределенных абсорбционных тепловых насосов», Energy , vol.36 (7), стр. 4570–4576.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Лин Б., Чен Дж. (2003) «Оптимизация характеристик гармонического квантового теплового двигателя Брайтона», Journal of Applied Physics, vol. 94, 6185.

    Google ученый

  • Луо З., Султан У., Ни М., Пэн Х., Ши Б., Сяо Г. (2016) «Многоцелевая оптимизация для двигателя Стирлинга GPU3 путем объединения многоцелевых алгоритмов», Renewable Energy , vol.94, 114–125.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Лурье Э. и Крибус А. (2010) «Анализ микромасштабного «внутреннего двигателя Карно с изменением фазы насыщения», Energy Conversion and Management , vol. 51 (6), стр. 1202–1209.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Махешвари Г., А.И. Хандвавала и С.К. Каушик (2005a) «Сравнительный анализ производительности безреверсивного теплового двигателя с тепловым резервуаром конечной теплоемкости в условиях максимальной удельной мощности и максимальной мощности», International Journal of Ambient Energy, об.26, 147–154.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Махешвари Г., А. И. Хандвавала и С. К. Кошик (2005b) «Анализ максимальной плотности мощности для необратимого радиационного теплового двигателя», International Journal of Ambient Energy, vol. 26, 71–80.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Махешвари Г., Чаудхари С. и Сомани С.К. (2009) «Анализ производительности универсального радиационного теплового двигателя на основе нового подхода к максимальной эффективной мощности» International Journal of Low-Carbon Technologies , vol.4(1), стр. 9–15.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Махешвари Г., Чаудхари С. и Сомани С. К. (2007) Оптимальные критерии производительности обобщенной необратимой тепловой машины Карно на основе термоэкономического подхода, International Journal of Ambient Energy 28(4):197–204 .

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Махешвари Г., Кхандвавала А.И. и Каушик С. С. (2005c) «Анализ максимальной удельной мощности для необратимого радиационного теплового двигателя», International Journal of Ambient Energy , vol. 26(2), стр. 71–80.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Мохаммад Х. Ахмади, Мохаммад Али Ахмади, Мехди Мехрпуя, Сейед Мохсен Пуркиаи и Марьям Халили (2016) «Термодинамический анализ и эволюционный алгоритм, основанный на многоцелевой оптимизации тепловой машины с циклом Ренкина», International Journal of Ambient Энергия , вып.37(4), 363–371.

    Google ученый

  • Ни Н., Чен Л., Ву С. и Сун Ф. (1999) «Анализ производительности замкнутых регенерируемых циклов теплового насоса Брайтона с эндореверсией», Energy Conversion and Management , vol. 40(4), стр. 393–406.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Озкайнак С., Гокун С. и Явуз Х. (1994) «Термодинамический анализ радиационной тепловой машины с внутренней необратимостью в конечное время», Journal of Physics D: Applied Physics , vol.27(6), с. 1139.

    Перекрестная ссылка Google ученый

  • Пак Х. и Ким М.С. (2014) «Анализ термодинамических характеристик последовательных циклов Карно с использованием источников тепла с конечной теплоемкостью», Energy , vol. 68, стр. 592–598.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Патель В.К., Савсани В.Дж., Мудгал А. (2017) «Многоцелевая термодинамическая оптимизация тепловой машины Стирлинга», Energy, vol.125, 629–642.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Патель В.К., Савсани В.Дж. (2016) «Многокритериальная оптимизация тепловой машины Стирлинга с использованием алгоритма TS-TLBO (учебное обучение и самообучение, основанное на оптимизации на основе обучения)», Energy , vol. 95, 528–541.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Петреску С., Харман С., Костя М., Попеску Г., Петре С., Флореа Т.(2002) «Анализ и оптимизация солнечных/тарельчатых двигателей Стирлинга» , В: Труды 31-й Ежегодной конференции Американского общества солнечной энергии , 15–20, США.

    Google ученый

  • Похит Г. и Мисра Д. (2013) «Оптимизация производительности и характеристик выбросов дизельного двигателя на биодизеле с использованием метода Грея-Тагучи», Journal of Engineering ,

    Google ученый

  • Пуннатханам В., Котеча П.(2016) «Эффективная многоцелевая оптимизация систем двигателя Стирлинга», Applied Thermal Engineering , vol. 108, 261–276.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Пунов П., Мильков Н., Данел К., Перильон С., Подевин П. и Евтимов Т. (2017), «Оптимизация рекуперации отработанного тепла автомобильного цикла Ренкина при различных условиях работы двигателя», В AIP Материалы конференции , Vol. 1814, № 1, с. 020074, Издательство АИП.

    Google ученый

  • Цинь С., Чен Л., Сун Ф. и Ву С. (2005) «Частотно-зависимые характеристики эндореверсивного двигателя Карно с линейным феноменологическим законом теплопередачи», Applied Energy , vol. 81(4), стр. 365–375.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Раман Р., Махешвари Г. (2017) «Анализ производительности обобщенного радиационного теплового двигателя на основе нового подхода максимальной эффективной удельной мощности», International Journal of Ambient Energy, vol.38(8), 819–825.

    Google ученый

  • Ринглер Дж., Зайферт М., Гайотот В. и Хюбнер В. (2009) «Цикл Ренкина для утилизации отработанного тепла двигателей внутреннего сгорания», SAE International Journal of Engines , vol. 2 (2009-01-0174), стр. 67–76.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • С. К. Каушик, С. К. Тяги (2002) «Термодинамический анализ необратимого регенеративного теплового двигателя Брайтона с замкнутым циклом за конечное время», International Journal of Solar Energy , Vol.22(34), стр. 141–151, Индия.

    Google ученый

  • Шахин Б., Кодал А., Кая С.С. (1998) «Сравнительный анализ характеристик двигателей Джоуля-Брайтона с необратимым регенеративным подогревом в условиях максимальной удельной мощности и максимальной мощности», Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 31, 2125–2131.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Шахин Б., Кодал А., Явуз Х.(1995) «КПД двигателя Джоуля-Брайтона при максимальной удельной мощности», Journal of Physics D: Applied Physics , vol. 28, 1309–1313, Великобритания.

    Google ученый

  • Сахин Б., Кодал А., Йилмаз Т., Явуз Х. (1996a), «Анализ максимальной удельной мощности необратимого двигателя Джоуля-Брайтона», Journal of Physics D: Applied Physics , vol. 29, 1162–1167, Великобритания.

    Google ученый

  • Шахин Б., Кодал А. и Явуз Х. (1996b) «Максимальная удельная мощность для эндореверсивного теплового двигателя Карно», Energy , vol. 21 (12), стр. 1219–1225.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Сахрайе Х., Мирани М.Р., Ахмади М.Х. и Ашури М. (2015) «Термоэкономический и термодинамический анализ и оптимизация двухступенчатого необратимого теплового насоса», Energy Conversion and Management , vol. 99, стр. 81–91.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Салас Н.С., Веласко С. и Эрнандес А.С. (2002) «Унифицированный режим работы необратимых тепловых двигателей Карно с нелинейными законами теплопередачи», Energy Conversion and Management , vol. 43 (17), стр. 2341–2348.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Сенфт младший. (1993) Ringbom Stirling Engines , Oxford University Press, Нью-Йорк.

    Google ученый

  • Согут О.С., Усть Я., Шахин Б.(2006) «Влияние промежуточного охлаждения и регенерации на анализ термоэкологических характеристик необратимо-замкнутого теплового двигателя Брайтона с тепловыми резервуарами с переменной температурой», Journal of Physics D: Applied Physics , vol. 39, 4713–4721.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Согут О.С. и Дурмаяз А. (2006) «Оптимизация экологических характеристик теплового двигателя на солнечной энергии» , Энергетический институт , том.79(4), 246–250.

    Google ученый

  • Сонг Х., Чен Л. и Сун Ф. (2007a) «Реверсивные тепловые двигатели для максимальной выходной мощности с фиксированной продолжительностью и радиационным законом теплопередачи», Applied Energy , 84 (4), стр. 374–388.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • T Yilmaz (2007) «Оптимизация производительности двигателя Джоуля – Брайтона на основе критерия эффективной мощности. Статья в Трудах Института инженеров-механиков, часть A», Journal of Power and Energy, vol.221(5), 603–607.

    Google ученый

  • Т.Б. Чанг (2007) «Экзергетическая оптимизация эффективности необратимого теплового двигателя Карно», Journal of Mechanics , vol. 23(2), 181–186.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Тогиани С., Касаеян А., Ахмади М.Х. (2014a) «Многокритериальная оптимизация двигателя Стирлинга с использованием неидеального адиабатического метода», Преобразование энергии и управление ; об.80, 54–62.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Тогиани С., Касаеян А., Хашемабади С.Х., Салими М. (2014b) «Многоцелевая оптимизация двигателя Стирлинга GPU3 с использованием анализа третьего порядка», Energy Conversion and Management , vol. 87, 521–529.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Тьяги С.К., Куашик С.К., Салхотра Р. (2002a) «Экологическая оптимизация необратимых циклов теплового насоса Стирлинга и Эрикссона», Journal of Physics D: Applied Physics , vol.35, 2058–65.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Тьяги С.К., Кошик С.К. и Салхотра Р. (2002b) «Экологическая оптимизация и исследование характеристик необратимых тепловых двигателей Стирлинга и Эрикссона», Journal of Physics D: Applied Physics , 35(20), стр. 2668– 2675.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Тьяги С.К., Чен Дж. и Кошик С.К. (2004) «Термоэкономическая оптимизация и параметрическое исследование необратимого цикла теплового насоса Стирлинга», International Journal of Thermal Sciences , 43(1), стр.105–112.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Усть Ю., Сахин Б., Кодал А. (2006) «Анализ производительности необратимой тепловой машины Брайтона на основе критерия экологического коэффициента полезного действия», International Journal of Thermal Sciences, vol. 45, 94–101.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Юст Ю., Сахин Б. и Кодал А. (2005) «Оптимизация экологического коэффициента полезного действия (ECOP) для обобщенных необратимых тепловых двигателей Карно», Journal of the Energy Institute , vol.78(3), стр. 145–151.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Усть Ю., Шахин Б., Кодал А., Акчай И. Х. (2006) «Анализ экологического коэффициента производительности и оптимизация необратимого регенеративного теплового двигателя Брайтона», Applied Energy , vol. 83(6), 558–572.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Вахоно Б., Огай Х., Огава М., Кусака Дж. и Судзуки Ю.(2012) «Декабрь. Методы управления оптимизацией дизельного двигателя для снижения выбросов выхлопных газов и расхода топлива», In System Integration (SII), 2012 IEEE/SICE International Symposium, , стр. 722–727.

    Google ученый

  • Уокер Г. (1980) Двигатели Стирлинга , Clarendon Press, Оксфорд.

    Google ученый

  • Уайт А.Дж., (2009) «Термодинамический анализ теплового насоса с обратным циклом Джоуля-Брайтона для бытового отопления», Applied Energy , vol.86 (11), стр. 2443–2450.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Викман Д.Д., Сенекал П.К. и Рейц Р.Д. (2001) «Оптимизация геометрии камеры сгорания дизельного двигателя с использованием генетических алгоритмов и многомерного моделирования распыления и сгорания» (№ 2001-01-0547).

    Google ученый

  • Ву С. (1988) «Оптимизация мощности тепловой машины Карно с конечным временем», Energy , vol.13(9), стр. 681–687.

    Google ученый

  • Ву С., Чен Л. и Сунь Ф. (1998) «Оптимизация тепловых насосов с постоянным потоком», Преобразование энергии и управление , том. 39 (5–6), стр. 445–453.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Ву Ф., Чен Л., Сунь Ф., Ву С. и Чжу Ю. (1998) «Производительность и критерии оптимизации для прямых и обратных квантовых циклов Стирлинга», Energy Conversion and Management , vol.39(8), стр. 733–739.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Ву З., Фу Л., Гао Ю., Ю С., Дэн Дж. и Ли Л. (2016) «Граница анализа тепловой эффективности двигателя внутреннего сгорания с циклом Ренкина», Energy , vol. 94, стр. 38–49.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Xingcai L, Zhen H, Wugao Z, Degang L. (2010) «Влияние добавок этанола на рабочие характеристики и характеристики сгорания дизельных двигателей», Combustion Science and Technology , Volume-176, Issue-8 , 1309–1329.

    Google ученый

  • Сюй Л. (2016) «Термодинамический анализ теплового насоса Стирлинга на основе термоэкономических критериев оптимизации» , в MATEC Web of Conferences (Том 61).

    Google ученый

  • YC huang, CI Hung, Chen CK, (2000) «Экологический эксергетический анализ необратимого двигателя Брайтона с внешним источником тепла», Journal of Power and Energy , vol.214, 413.

    Google ученый

  • Заре С.Х., Таваколпур-Салех А.Р. (2016) «Частотный расчет двигателя Стирлинга со свободным поршнем с использованием генетического алгоритма», Energy , vol. 109, 466–480.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Жан Ю.Б., Ма П.К. и Чжу С.К. (2011) «Экологическая оптимизация для обобщенного необратимого двигателя Карно с универсальным законом теплопередачи», Procedia Environmental Sciences , том.11, стр. 945–952.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Zhang Y, Lin B, Chen J. (2007) «Оптимальные рабочие характеристики необратимого теплового двигателя Brayton с солнечным приводом при максимальной общей эффективности», Renewable Energy, vol. 32, 856–867.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Zhang Y, Qu C, Lin B, Chen J. (2006) «Критерии регенерации необратимого теплового двигателя Брайтона и его общие оптимальные рабочие характеристики» , Journal of Energy Resources Technology , vol.128(3), 216–222.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Чжан Л., Чен Л. и Сунь Ф. (2016) «Оптимизация мощности тепловой машины с химическим приводом на основе кинетической теории реакций первого и второго порядка и теории вероятностей», Physica A: Статистическая механика и ее приложения , том. 445, стр. 221–230.

    MathSciNet МАТЕМАТИКА перекрестная ссылка Google ученый

  • Чжао И, Чен Дж.(2007) «Анализ оптимальной производительности необратимого дизельного теплового двигателя, подверженного влиянию переменной теплоемкости рабочего тела», Energy Conversion and Management, vol. 48, 2595–2603.

    Google ученый

  • Чжао Й, Линь Б, Чжан Й, Чен Дж. (2006) «Анализ производительности и параметрический оптимальный расчет необратимого дизельного теплового двигателя», Преобразование энергии и управление , том. 47, 3383–3392.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Чжэн С., Линь Г.(2010) «Оптимизация мощности и эффективности необратимого дизельного нагревателя

    Google ученый

  • Одноатомная тепловая машина — PubMed

    . 2016 15 апреля; 352 (6283): 325-9. doi: 10.1126/science.aad6320.

    Принадлежности Расширять

    Принадлежности

    • 1 QUANTUM, Институт физики, Университет Майнца, D-55128 Майнц, Германия[email protected] [email protected]
    • 2 QUANTUM, Институт физики Майнцского университета, D-55128 Майнц, Германия.
    • 3 Max-Planck-Institut für Quantenoptik, D-85748 Гархинг, Германия.
    • 4 Кафедра физики, Университет Фридриха-Александра Эрланген-Нюрнберг, D-

      Эрланген, Германия.
    • 5 QUANTUM, Институт физики Майнцского университета, D-55128 Майнц, Германия.Experimentalphysik I, Университет Касселя, D-34132 Кассель, Германия. [email protected] [email protected]

    Элемент в буфере обмена

    Йоханнес Росснагель и соавт. Наука. .

    Показать детали Показать варианты

    Показать варианты

    Формат АннотацияPubMedPMID

    .2016 15 апреля; 352 (6283): 325-9. doi: 10.1126/science.aad6320.

    Принадлежности

    • 1 QUANTUM, Институт физики, Университет Майнца, D-55128 Майнц, Германия. [email protected] [email protected]
    • 2 QUANTUM, Институт физики Майнцского университета, D-55128 Майнц, Германия.
    • 3 Max-Planck-Institut für Quantenoptik, D-85748 Гархинг, Германия.
    • 4 Кафедра физики, Университет Фридриха-Александра Эрланген-Нюрнберг, D-

      Эрланген, Германия.
    • 5 QUANTUM, Институт физики Майнцского университета, D-55128 Майнц, Германия. Experimentalphysik I, Университет Касселя, D-34132 Кассель, Германия. [email protected] [email protected]де.

    Элемент в буфере обмена

    Полнотекстовые ссылки Параметры отображения цитирования

    Показать варианты

    Формат АннотацияPubMedPMID

    Абстрактный

    Тепловые двигатели преобразуют тепловую энергию в механическую работу и обычно включают в себя большое количество частиц.Мы сообщаем об экспериментальной реализации одноатомной тепловой машины. Ион заключен в линейную ловушку Пауля с конусообразной геометрией и приводится в движение термически, соединяя его попеременно с горячими и холодными резервуарами. Выходная мощность двигателя используется для возбуждения гармонических колебаний. Из прямых измерений динамики ионов мы смогли определить термодинамические циклы для различных температурных перепадов резервуаров. Затем мы использовали эти циклы для оценки мощности P и КПД η двигателя, получив значения до P = 3.4 × 10 (-22) джоулей в секунду и η = 0,28%, что согласуется с аналитическими оценками. Наши результаты показывают, что тепловые машины могут быть сведены к пределу одиночных атомов.

    Copyright © 2016, Американская ассоциация содействия развитию науки.

    Похожие статьи

    • Одноионная тепловая машина на максимальной мощности.

      Абах О., Росснагель Дж., Джейкоб Г., Деффнер С., Шмидт-Калер Ф., Сингер К., Лутц Э. Абах О и др. Phys Rev Lett. 2012 16 ноября; 109(20):203006. doi: 10.1103/PhysRevLett.109.203006. Epub 2012 14 ноября. Phys Rev Lett. 2012. PMID: 23215485

    • Тепловая машина с квантовыми точками, работающая на пределе термодинамической эффективности.

      Йозефссон М., Свиланс А., Берк А.М., Хоффманн Э.А., Фахлвик С., Теландер С., Лейнсе М., Линке Х.Йозефссон М. и соавт. Нац Нанотехнолог. 2018 Октябрь; 13 (10): 920-924. doi: 10.1038/s41565-018-0200-5. Epub 2018 16 июля. Нац Нанотехнолог. 2018. PMID: 30013221

    • КПД при максимальной мощности и колебания КПД в модели линейной броуновской тепловой машины.

      Пак Дж.М., Чун Х.М., Нох Дж.Д. Парк Дж. М. и др. Phys Rev E. 2016 Jul; 94 (1-1): 012127. дои: 10.1103/PhysRevE.94.012127. Epub 2016 19 июля. Физика Ред. Е. 2016. PMID: 27575096

    • Квантовые тепловые двигатели и холодильники: устройства непрерывного действия.

      Кослофф Р., Леви А. Кослофф Р. и соавт. Annu Rev Phys Chem. 2014;65:365-93. doi: 10.1146/annurev-physchem-040513-103724. Annu Rev Phys Chem. 2014. PMID: 24689798 Рассмотрение.

    • Теоретическое моделирование предмета: западный и восточный типы человеческой рефлексии.

      Лефевр В.А. Лефевр В.А. Прог Биофиз Мол Биол. 2017 Декабрь; 131: 325-335. doi: 10.1016/j.pbiomolbio.2017.06.006. Epub 2017 16 июня. Прог Биофиз Мол Биол. 2017. PMID: 28629809 Рассмотрение.

    Цитируется

    41 статьи
    • Влияние нарушения симметрии структурно-неупорядоченных гамильтоновых ансамблей на анизотропную декогерентность кубитов.

      Чен ХБ. Чен ХБ. Научный представитель 2022 г. 21 февраля; 12 (1): 2869. doi: 10.1038/s41598-022-06891-4. Научный представитель 2022. PMID: 351

      Бесплатная статья ЧВК.

    • Общие воздействия окружающей среды на квантовый тепловой транзистор.

      Лю Ю.К., Ю.Д.Х., Ю.С.С. Лю Ю.К. и др. Энтропия (Базель). 2021 24 декабря; 24 (1): 32. дои: 10.3390/e24010032. Энтропия (Базель).2021. PMID: 35052057 Бесплатная статья ЧВК.

    • Реализация связанной тепловой машины с объемными нанорезонаторами.

      Шэн Дж, Ян С, Ву Х. Шэн Дж. и др. Научная реклама 2021 Декабрь 10;7(50):eabl7740. doi: 10.1126/sciadv.abl7740. Epub 2021 8 декабря. Научная реклама 2021. PMID: 34878829 Бесплатная статья ЧВК.

    • Тепловая модуляция в целевой термальной ванне с помощью когерентной вспомогательной ванны.

      Ю В.Л., Ли Т., Ли Х., Чжан Ю., Цзоу Дж., Ван Ю.Д. Ю В.Л. и соавт. Энтропия (Базель). 2021 8 сентября; 23 (9): 1183. дои: 10.3390/e230

      . Энтропия (Базель). 2021. PMID: 34573807 Бесплатная статья ЧВК.

    • Квантовые тепловые двигатели со сложными рабочими телами, полными циклами Отто и эвристиками.

      Джохал Р.С., Мехта В. Джохал Р.С. и соавт. Энтропия (Базель).2021 1 сентября; 23 (9): 1149. дои: 10.3390/e230

    • . Энтропия (Базель). 2021. PMID: 34573774 Бесплатная статья ЧВК.

    Типы публикаций

    • Поддержка исследований, за пределами США правительство

    LinkOut — больше ресурсов

    • Полнотекстовые источники

    • Прочие литературные источники

    [Икс]

    Укажите

    Копировать

    Формат: ААД АПА МДА НЛМ

    Тепловые двигатели и их эффективность – основы тепла, света и звука

    Люмен Обучение

    Цели обучения

    К концу этого раздела вы сможете:

    • Назовите выражения второго начала термодинамики.
    • Рассчитайте КПД и выбросы углекислого газа угольной электростанции, используя характеристики второго закона.
    • Опишите и дайте определение циклу Отто.
    Рис. 1. Эти льдины тают арктическим летом. Некоторые из них замерзают зимой, но второй закон термодинамики предсказывает, что молекулы воды, содержащиеся в этих конкретных льдинах, крайне маловероятно, чтобы преобразовать характерную форму аллигатора, которую они сформировали, когда снимок был сделан летом 2009 года. .(Фото: Патрик Келли, Береговая охрана США, Геологическая служба США)

    Второй закон термодинамики касается направления самопроизвольных процессов. Многие процессы протекают самопроизвольно только в одном направлении, т. е. необратимы при данном 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 жизни Вселенной.Точнее, необратимый процесс зависит от пути. Если процесс может идти только в одном направлении, то обратный путь принципиально иной и процесс не может быть обратимым. Например, как отмечалось в предыдущем разделе, теплота включает передачу энергии от более высокой температуры к более низкой. Холодный объект при соприкосновении с горячим никогда не становится холоднее, передавая тепло горячему объекту и делая его горячее. Кроме того, механическая энергия, например кинетическая энергия, может быть полностью преобразована в тепловую энергию трения, но обратное невозможно.Горячий неподвижный объект никогда самопроизвольно не остывает и не приходит в движение. Еще одним примером является расширение струи газа, введенной в один из углов вакуумной камеры. Газ расширяется, заполняя камеру, но никогда не собирается в углу. Беспорядочное движение молекул газа могло бы привести их всех обратно в угол, но этого никогда не происходит. (См. рис. 2.)

    Рисунок 2. Примеры односторонних процессов в природе. а) Теплопередача происходит самопроизвольно от горячего к холодному, а не от холодного к горячему.(b) Тормоза этого автомобиля преобразуют его кинетическую энергию в передачу тепла окружающей среде. Обратный процесс невозможен. (c) Выброс газа, впущенного в эту вакуумную камеру, быстро расширяется, чтобы равномерно заполнить все части камеры. Беспорядочные движения молекул газа никогда не вернут их в угол.

    Тот факт, что некоторые процессы никогда не происходят, говорит о том, что существует закон, запрещающий им происходить. Первый закон термодинамики допускает их возникновение — 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 они эквивалентны. Как и все законы природы, второй закон термодинамики дает представление о природе, и несколько его утверждений подразумевают, что он широко применим, коренным образом влияя на многие, казалось бы, несопоставимые процессы.

    Уже знакомое направление передачи тепла от горячего к холодному лежит в основе нашей первой версии второго закона термодинамики

    Второй закон термодинамики (первое выражение)

    Теплопередача происходит самопроизвольно от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой, но никогда самопроизвольно в обратном направлении.

    Другой способ сформулировать это: ни один процесс не может иметь своим единственным результатом передачу тепла от более холодного объекта к более горячему.

    Тепловые двигатели

    Теперь давайте рассмотрим устройство, которое использует теплопередачу для выполнения работы. Как отмечалось в предыдущем разделе, такое устройство называется тепловым двигателем, и оно схематически показано на рис. 3б. Бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины — все это тепловые двигатели, которые работают, используя часть теплопередачи из какого-либо источника.Теплоотдача от горячего тела (или горячего резервуара) обозначается как Q h , а теплопередача в холодный предмет (или холодный резервуар) — Q c , а работа, совершаемая двигателем, равна В . Температуры горячего и холодного резервуаров T h и T c соответственно.

    Рис. 3. (а) Теплопередача происходит самопроизвольно от горячего объекта к холодному, что соответствует второму закону термодинамики.б) Тепловая машина, представленная здесь кружком, использует часть теплопередачи для совершения работы. Горячие и холодные объекты называются горячими и холодными резервуарами. Qh — теплоотдача из горячего резервуара, W — работа, Qc — теплопередача в холодный резервуар.

    Поскольку горячий резервуар нагревается снаружи, что требует больших затрат энергии, важно, чтобы работа выполнялась максимально эффективно. На самом деле хотелось бы, чтобы Вт равнялось Q ч , и чтобы не было передачи тепла в окружающую среду ( Q c =0).К сожалению, это невозможно. Второй закон термодинамики также утверждает относительно использования теплопередачи для выполнения работы (второе выражение второго закона):

    Второй закон термодинамики (второе выражение)

    Ни в одной системе теплопередачи от резервуара невозможно полностью преобразовать в работу циклический процесс, при котором система возвращается в исходное состояние.

    Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла.В большинстве тепловых двигателей, таких как поршневые двигатели и вращающиеся турбины, используются циклические процессы. Второй закон, только что изложенный в его второй форме, ясно утверждает, что такие двигатели не могут иметь совершенного преобразования теплопередачи в совершенную работу. Прежде чем перейти к основным причинам ограничений на преобразование теплопередачи в работу, нам необходимо изучить отношения между W , Q h и Q c , а также определить эффективность циклического Тепловой двигатель.Как уже отмечалось, циклический процесс возвращает систему в исходное состояние в конце каждого цикла. Внутренняя энергия такой системы U одинакова в начале и в конце каждого цикла, то есть Δ U = 0. Первый закон термодинамики гласит, что Δ U = Q Вт , где Q чистая теплопередача за цикл ( Q = Q ч — − Q c ), а W — чистая работа, проделанная системой.Поскольку Δ U = 0 для полного цикла, мы имеем 0 = Q W , так что W = Q .

    Таким образом, чистая работа, выполненная системой, равна чистой передаче тепла в систему, или Вт = Q ч — − Q c (циклический процесс), как схематически показано на рисунке 3b. Проблема в том, что во всех процессах происходит некоторая теплопередача Q c в окружающую среду, причем обычно очень значительная.

    При преобразовании энергии в работу мы всегда сталкиваемся с проблемой получения меньшего количества энергии, чем вкладываем. Другими словами, отношение того, что мы получаем, к тому, что мы тратим). В этом духе мы определяем эффективность тепловой машины как ее чистую выходную мощность Вт , деленную на теплопередачу двигателю Q ч ; то есть

    Поскольку W = Q h Q c в циклическом процессе, мы также можем выразить это как

    (циклический процесс),

    поясняет, что КПД 1, или 100%, возможен только при отсутствии передачи тепла в окружающую среду ( Q c  = 0).Обратите внимание, что все Q положительны. Направление теплопередачи указывается знаком плюс или минус. Например, Q c находится вне системы, поэтому ему предшествует знак минус.

    Пример 1. Ежедневная работа угольной электростанции, ее эффективность и выбросы углекислого газа

    Электростанция, работающая на угле, представляет собой огромную тепловую машину. Он использует теплопередачу от сжигания угля для выполнения работы по вращению турбин, которые используются для выработки электроэнергии.За один день крупная угольная электростанция имеет 2,50 × 10 14 Дж теплопередачи от угля и 1,48 × 10 14 Дж теплопередачи в окружающую среду.

    1. Какую работу совершает электростанция?
    2. Каков КПД электростанции?
    3. В процессе горения происходит следующая химическая реакция: C + O 2  → CO 2 . Это означает, что каждые 12 кг угля выбрасывают в атмосферу 12 кг + 16 кг + 16 кг = 44 кг углекислого газа.Предполагая, что 1 кг угля может обеспечить 2,5 × 10 6 Дж теплопередачи при сгорании, сколько CO 2 выбрасывается этой электростанцией в день?
    Стратегия для части 1

    Мы можем использовать Вт = Q ч Q c , чтобы найти выход работы Вт , предполагая, что на электростанции используется циклический процесс. В этом процессе вода кипятится под давлением с образованием высокотемпературного пара, который используется для работы паровых турбин-генераторов, а затем конденсируется обратно в воду, чтобы снова запустить цикл.

    Решение для части 1

    Результат работы определяется как: Вт = Q ч − − Q c .

    Замена данных значений:

    Стратегия для части 2

    КПД можно рассчитать с помощью , поскольку дано Q ч , а работа W была найдена в первой части этого примера.

    Решение для части 2

    Эффективность определяется: . Произведение W оказалось равным 1.02 × 10 14 Дж и Q ч дано , поэтому КПД равен

    Стратегия для части 3

    Ежедневное потребление угля рассчитывается с использованием информации о том, что каждый день происходит 2,50 × 10 14  Дж теплопередачи от угля. В процессе горения имеем C + O 2 → CO 2 . Таким образом, каждые 12 кг угля выбрасывают в атмосферу 12 кг + 16 кг + 16 кг = 44 кг CO 2 .

    Решение для части 3

    Суточный расход угля

    .

    Если предположить, что уголь чистый и весь уголь идет на производство двуокиси углерода, то двуокиси углерода, производимой в день, составляет

    .

    Это 370 000 метрических тонн CO 2 , производимых каждый день.

    Обсуждение

    Если вся выходная мощность преобразуется в электроэнергию в течение одного дня, средняя выходная мощность составит 1180 МВт (это остается вам в качестве задачи в конце главы). Это значение примерно соответствует размеру крупной обычной электростанции.Найденный КПД приемлемо близок к значению 42%, данному для угольных электростанций. Это означает, что целых 59,2% энергии приходится на передачу тепла в окружающую среду, что обычно приводит к потеплению озер, рек или океана вблизи электростанции, а также к потеплению планеты в целом. Хотя законы термодинамики ограничивают эффективность таких установок, включая установки, работающие на ядерном топливе, нефти и природном газе, передача тепла в окружающую среду может использоваться и иногда используется для обогрева домов или для промышленных процессов.В целом низкая стоимость энергии не делает более экономичным более эффективное использование отработанного тепла от большинства тепловых двигателей. Электростанции, работающие на угле, производят наибольшее количество CO 2 на единицу вырабатываемой энергии (по сравнению с природным газом или нефтью), что делает уголь наименее эффективным ископаемым топливом.

    С информацией, приведенной в Примере 1, мы можем найти такие характеристики, как эффективность тепловой машины, не зная, как работает тепловая машина, но более глубокое изучение механизма двигателя даст нам более глубокое понимание.На рисунке 4 показана работа обычного четырехтактного бензинового двигателя. Четыре показанных шага завершают цикл этой тепловой машины, возвращая смесь бензина и воздуха в исходное состояние.

    Рис. 4. В четырехтактном бензиновом двигателе внутреннего сгорания передача тепла в работу происходит в циклическом процессе, показанном здесь. Поршень соединен с вращающимся коленчатым валом, который выполняет работу над газом в цилиндре. а) Воздух смешивается с топливом во время такта впуска.(b) Во время такта сжатия топливовоздушная смесь быстро сжимается в почти адиабатическом процессе, когда поршень поднимается при закрытых клапанах. Работа совершается на газе. (c) Рабочий такт состоит из двух отдельных частей. Во-первых, топливовоздушная смесь воспламеняется, почти мгновенно преобразовывая химическую потенциальную энергию в тепловую, что приводит к значительному увеличению давления. Затем поршень опускается, и газ работает, оказывая силу на расстоянии в почти адиабатическом процессе.(d) Такт выпуска выпускает горячий газ, чтобы подготовить двигатель к следующему циклу, начиная снова с такта впуска.

    Цикл Отто , показанный на рисунке 5а, используется в четырехтактных двигателях внутреннего сгорания, хотя на самом деле истинные траектории цикла Отто не соответствуют точно тактам двигателя.

    Адиабатический процесс AB соответствует почти адиабатическому такту сжатия бензинового двигателя. В обоих случаях над системой (газовой смесью в цилиндре) совершается работа, повышающая ее температуру и давление.По пути ВС цикла Отто передача тепла Q ч в газ происходит при постоянном объеме, вызывая дальнейшее повышение давления и температуры. Этот процесс соответствует сжиганию топлива в двигателе внутреннего сгорания и происходит настолько быстро, что объем почти не меняется. Путь CD в цикле Отто — это адиабатическое расширение, которое действует на внешний мир точно так же, как рабочий ход двигателя внутреннего сгорания действует при его почти адиабатическом расширении. Работа, совершаемая системой на пути CD, больше, чем работа, совершаемая системой на пути AB, потому что давление больше, а значит, есть чистый выход работы.По пути DA в цикле Отто передача тепла Q c от газа при постоянном объеме снижает его температуру и давление, возвращая в исходное состояние. В двигателе внутреннего сгорания этот процесс соответствует выпуску горячих газов и впуску воздушно-бензиновой смеси при значительно более низкой температуре. В обоих случаях по этому конечному пути происходит передача тепла в окружающую среду.

    Рис. 5. Схема упрощенного цикла Отто, аналогичного используемому в двигателе внутреннего сгорания.Точка А соответствует началу такта сжатия двигателя внутреннего сгорания. Пути AB и CD являются адиабатическими и соответствуют такту сжатия и рабочему такту двигателя внутреннего сгорания соответственно. Пути BC и DA являются изохорными и дают такие же результаты, что и части зажигания и выхлопа-впуска, соответственно, цикла двигателя внутреннего сгорания. Работа совершается газом по пути AB, но больше работы совершается газом по пути CD, так что получается чистая работа.

    Чистая работа, выполненная циклическим процессом, представляет собой площадь внутри замкнутого пути на диаграмме PV , такой как внутренний путь ABCDA на рисунке 5. Обратите внимание, что в каждом вообразимом циклическом процессе абсолютно необходима передача тепла от система должна произойти, чтобы получить чистый результат работы. В цикле Отто передача тепла происходит по пути DA. Если теплопередача не происходит, то обратный путь тот же, а чистая работа равна нулю. Чем ниже температура на пути АВ, тем меньшую работу необходимо совершить для сжатия газа.Площадь внутри замкнутого пути тогда больше, поэтому двигатель выполняет больше работы и, следовательно, более эффективен. Точно так же, чем выше температура на пути CD, тем больше выходная мощность. (См. рис. 6.) Таким образом, эффективность зависит от температуры горячего и холодного резервуаров. В следующем разделе мы увидим, каков абсолютный предел эффективности тепловой машины и как он связан с температурой.

    Рисунок 6. Этот цикл Отто производит большую производительность, чем цикл на рисунке 5, потому что начальная температура пути CD выше, а начальная температура пути AB ниже.Площадь внутри петли больше, что соответствует большему выходу чистой работы.

    Резюме раздела

    • Два выражения второго закона термодинамики таковы: (i) Теплопередача происходит самопроизвольно от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой, но никогда самопроизвольно в обратном направлении; и (ii) ни в какой системе теплопередача от резервуара не может полностью преобразовываться в работу в циклическом процессе, при котором система возвращается в исходное состояние.
    • Необратимые процессы зависят от пути и не возвращаются в исходное состояние.Циклические процессы — это процессы, которые возвращаются в исходное состояние в конце каждого цикла.
    • В циклическом процессе, таком как тепловой двигатель, чистая работа, выполненная системой, равна чистой передаче тепла в систему, или Вт = Q ч Q c , где Q h — передача тепла от горячего объекта (горячий резервуар), а Q c — передача тепла в холодный объект (холодный резервуар).
    • Эффективность может быть выражена как отношение объема работы, деленное на количество потребляемой энергии.
    • Четырехтактный бензиновый двигатель часто объясняют циклом Отто, который представляет собой повторяющуюся последовательность процессов, преобразующих теплоту в работу.

    Концептуальные вопросы

    1. Представьте, что вы едете на машине по Пайкс-Пик в Колорадо. Чтобы поднять автомобиль массой 1000 килограммов на расстояние 100 метров, потребуется около миллиона джоулей. Можно поднять машину 12.5 километров с энергией в галлоне газа. Подъем на Пайкс-Пик (подъем всего на 3000 метров) должен потреблять чуть меньше литра бензина. Но нужно учитывать и другие соображения. Объясните с точки зрения эффективности, какие факторы могут помешать вам реализовать идеальное использование энергии в этой поездке.
    2. Нужна ли разница температур для работы тепловой машины? Укажите, почему или почему нет.
    3. Определения эффективности различаются в зависимости от того, как преобразуется энергия.Сравните определения КПД человеческого тела и тепловых двигателей. Как определение эффективности в каждом из них связано с типом энергии, преобразуемой в работу?
    4. Почему, помимо того факта, что второй закон термодинамики говорит, что обратимые двигатели являются наиболее эффективными, тепловые двигатели, использующие обратимые процессы, должны быть более эффективными, чем те, которые используют необратимые процессы? Учтите, что диссипативные механизмы являются одной из причин необратимости.

    Задачи и упражнения

    1. Определенная тепловая машина делает 10.В циклическом процессе в окружающую среду совершается 0 кДж работы и 8,50 кДж теплоотдачи. а) Какова была передача тепла в этот двигатель? б) Каков КПД двигателя?
    2. При 2,56 × 10 6 Дж теплопередачи в этот двигатель данная циклическая тепловая машина может совершить только 1,50 × 10 5 Дж работы. а) Каков КПД двигателя? б) Какой объем теплоты передается в окружающую среду?
    3. а) Какова мощность циклической тепловой машины с 22.0% КПД и 6,00 × 10 9 Дж теплопередачи в двигатель? б) Какой объем теплоты передается в окружающую среду?
    4. (a) Каков КПД циклической тепловой машины, в которой на каждые 95,0 кДж теплопередачи в двигатель приходится 75,0 кДж теплопередачи в окружающую среду? б) Какую работу совершает тепловая передача 100 кДж в двигатель?
    5. Двигатель большого корабля совершает 2,00 × 10 8 Дж работы с КПД 5,00%. а) Какая теплота передается окружающей среде? б) Сколько баррелей топлива израсходовано, если из каждого барреля получается 6.00 × 10 9 Дж теплопередачи при сгорании?
    6. (а) Какой объем теплоты передается в окружающую среду электростанцией, использующей 1,25 × 10 14 Дж теплоотдачи в двигатель с КПД 42,0 %? б) Каково отношение теплопередачи в окружающую среду к произведенной работе? в) Какова работа?
    7. Предположим, что турбины на угольной электростанции были модернизированы, что привело к повышению эффективности на 3,32%. Предположим, что до модернизации электростанция имела КПД 36 % и что передача тепла в двигатель за один день осталась прежней — 2.50×1014 Дж. а) Насколько больше электроэнергии произведено в результате модернизации? (б) Насколько меньше теплопередачи происходит в окружающую среду из-за модернизации?
    8. В этой задаче сравниваются выработка энергии и передача тепла в окружающую среду двумя различными типами атомных электростанций — одной с нормальным КПД 34,0 %, а другой с повышенным КПД 40,0 %. Предположим, что оба двигателя за один день передают одинаковую теплоту 2,50 × 10 14 Дж. а) Насколько больше электроэнергии производит более эффективная электростанция? б) Насколько меньше тепла передается в окружающую среду более эффективной электростанцией? (Один из типов более эффективных атомных электростанций, реактор с газовым охлаждением, не был достаточно надежным, чтобы быть экономически целесообразным, несмотря на его более высокий КПД.)

    Глоссарий

    необратимый процесс:  любой процесс, зависящий от направления пути

    второй закон термодинамики:  тепло передается от более горячего к более холодному объекту, а не наоборот, и некоторая часть тепловой энергии в любом процессе теряется на доступную работу в циклическом процессе

    циклический процесс:  процесс, в котором путь возвращается в исходное состояние в конце каждого цикла

    Цикл Отто:  термодинамический цикл, состоящий из пары адиабатических процессов и пары изохорных процессов, который преобразует теплоту в работу, т.е.г., цикл четырехтактного двигателя: впуск, сжатие, зажигание и выпуск

    Избранные решения задач и упражнений

    1. (а) 18,5 кДж; (б) 54,1%

    3. (а) 1,32 × 10 9 Дж; (б) 4,68 × 10 9 Дж

    5. (а) 3,80 × 10 9 Дж; (б) 0,667 барреля

    7. (а) 8,30 × 10 12 Дж, что составляет 3,32% от 2,50 × 10 14 Дж; (б) –8,30 × 10 12 Дж, где отрицательный знак указывает на уменьшение теплоотдачи в окружающую среду.

    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.