Какие виды тепловых двигателей вам известны: Какие виды тепловых двигателей вам известны?

Содержание

Современные тепловые машины и их самые распространенные разновидности / Справочник :: Бингоскул

Одними из первых изобретённых человеком машин считаются ветряные и водяные мельницы. С развитием техники появились более сложные и практичные тепловые двигатели. В них часть поступающей энергии передаётся окружающей среде, что снижает КПД агрегатов. Рассмотрим, что такое тепловые двигатели в физике, их разновидности, примеры применения в промышленности.

Примеры и виды тепловых машин

Агрегаты, проделывающие механическую работу вследствие теплообмена с окружающими телами, называют тепловыми двигателями. Нагревание достигается преимущественно за счёт сжигания топлива неорганического происхождения, которое генерирует высокую температуру. Работа совершается посредством эксплуатации внутренних резервов топлива и содержащегося в воздухе кислорода.

Разработаны машины, функционирующие благодаря нагреву воды солнцем, за счёт разности температур морской воды на разной глубине. На практике они почти не используются из-за невысокой эффективности.

Первый тепловой двигатель, по учебникам физики, сконструировал и запустил Джеймс Ватт (Уатт) в 1774 г., а рабочий прототип продемонстрировал лишь в 1778 г. В его честь и названа единица измерения мощности. Хотя ещё в 1765 году российский изобретатель Иван Ползунов продемонстрировал вполне рабочий паровой двигатель.

Опыты же с прообразами паровых турбин проводились за два тысячелетия до этого, например, Героном. Учёный создал агрегат, названный им эолипилом. Это вращающийся на оси бронзовый шар, к которому подводился пар. В нём была пара трубок, изогнутых так, чтобы выходящий пар заставлял сферу вращаться.

Современные тепловые машины разделяются на двигатели внутреннего сгорания (ДВЗ) и внешнего сгорания.

Двигатели внешнего сгорания

Неприхотливы к виду сжигаемого топлива, не нуждаются в системах запуска, охлаждения в отличие от ДВЗ. Дали толчок развитию промышленности, применяются в современных ТЭС, АЭС. Наиболее распространены среди них:

Паровая машина – трансформирует энергию горячего пара в возвратно-поступательные перемещения поршневого механизма. Применялась в стационарных установках и первых автомобилях. Из-за низкого КПД почти не используется.

Паровая турбина (ссылка на «Паровая турбина» принцип действия…) отличается эффективностью ввиду отсутствия поршня, дороговизной. Активно применяется на электростанциях: тепловых, атомных, для трансформации тепловой энергии пара в механическую, вращающую вал ротора.

Мотор Стерлинга обладает наибольшим среди двигателей внешнего сгорания КПД. Это агрегат, где рабочее вещество (пар, жидкость) циркулирует в замкнутом пространстве. Работа базируется на периодическом подогреве и снижении температуры рабочего тела. Функционирует не только благодаря сжиганию топлива, но и от внешних источников теплового излучения. Применяется в насосах, подводных лодках, холодильных установках.

Двигатели внутреннего сгорания

Сложные современные агрегаты, следующий шаг в эволюции паровых моторов.

Поршневой ДВЗ – самый используемый в транспортных средствах двигатель. Работает на принципе преобразования энергии расширяющихся вследствие сжигания топлива газов в механическую. Различают двигатели с искровым зажиганием и зажиганием от сжатия.

Газотурбинный мотор – высокооборотистый массивный агрегат, часто требующий применения редуктора. Используется в качестве привода генераторов, в турбореактивных моторах, газотурбинных электростанциях. Разделяются на турбореактивные, турбовентиляторные, турбовинтовые, турбовальные.

Реактивный двигатель – генерирует силу тяги, преобразовывая внутреннюю энергию сжигаемого топлива в кинетическую, которая передаётся струе газа. Объединяет в себе мотор с движителем – генерирует тягу без контакта с опорой. Делятся на воздушно-реактивные и ракетные, применяются в авиации.

Расскажите, какие виды тепловых современных двигателей вам известны.

Самостоятельная работа по теме «тепловые двигатели»

Просмотр содержимого документа
«Самостоятельная работа по теме «тепловые двигатели»»

Самостоятельная работа учащихся по учебнику по теме «Тепловые двигатели» в 10 классе.

Ответьте на вопросы письменно:

  1. Какие машины называются тепловыми?

  2. Назовите основные элементы теплового двигателя и их назначение.

  3. Что называют кпд теплового двигателя? (Запишите формулы и поясните их)

  4. При каком замкнутом процессе (Цикл С. Карно) тепловой двигатель имеет максимальный КПД?

  5. Формула для максимального КПД теплового двигателя (Запишите формулы и поясните их)

  6. Сравните КПД теплового двигателя с единицей.

  7. Назовите какие виды тепловых машин вам известны?

  8. Экологические проблемы, связанные с использованием тепловых двигателей

Решите задачи.

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

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

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

ные с использованием тепловых

двигателей

При работе тепловых двигателей в атмосферу выбрасывается огромное

количество теплого пара или газа, что приводит к дополнительному

нагреванию атмосферы.

При сжигании топлива образуются оксиды азота. В атмосфере они

становятся азотной кислотой. Токсичные соединения выпадают в виде

кислотных дождей. Это приводит к засолению почвы, открытых и подземных

вод, гибель лесов, нарушение химического состава в экосистемах.

Экологические проблемы, связанные с использованием тепловых

двигателей

При работе тепловых двигателей в атмосферу выбрасывается огромное

количество теплого пара или газа, что приводит к дополнительному

нагреванию ат

Экологические проблемы, связанные с использованием тепловых

двигателей

При работе тепловых двигателей в атмосферу выбрасывается огромное

количество теплого пара или газа, что приводит к дополнительному

нагреванию ат

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

1. Все физические явления и законы находят применение в повседневной жизни человека. Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать этими запасами недостаточно. Необходимо за счет энергии уметь приводить в действие

устройства, способные совершать работу.

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

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

Большая часть двигателей, используемых людьми, — это тепловые двигатели.

История тепловых машин уходит в далекое прошлое. Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи. Как же стреляла эта пушка? Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Для нас интересно здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому как поршень скользило ядро.

Сегодня один из самых распространенных тепловых двигателей является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Принцип действия заключается в том, что энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, а газ (пар), расширяясь, совершает работу. Так внутренняя энергия газа (пара) превращается в кинетическую энергию поршня.

Устройства, превращающие энергию топлива в механическую энергию, называются тепловыми двигателями.

Про тепловые двигатели вы уже говорили в 8 классе.

 

2. Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Тепловая машина работает циклично. Газ, которому передается энергия, нагрет до высокой температуры и соответственно внутренняя энергия такого газа достаточно большая. Расширяясь, газ совершает работу, соответственно охлаждается, его внутренняя энергия уменьшается и совершается полезная работа. В дальнейшем, чтобы все повторилось нам надо перевести наш тепловой двигатель в первоначальное состояние, таким образом, чтобы работа вновь повторилась. Для этого нам необходимо газ охлаждать. Для рассмотрения всех процессов, происходящих в ТД, удобно рассматривать газ, находящийся в цилиндре под поршнем. В этом случае мы говорим, что газ совершает работу по перемещению поршня. Работа этого поршня и будет считаться полезной.

Однозначно классифицировать ТД нельзя. Существует много признаков, по которым различают тепловые двигатели: по назначению двигателей, по роду используемого топлива, по способу преобразования тепловой энергии в механическую, по способу регулирования в связи с изменением нагрузки и т.д.

Основная классификация тепловых двигателей по способу подвода теплоты к рабочему телу:

1. Двигатели внутреннего сгорания
2. Двигатели внешнего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания. В этих двигателях основные процессы — сжигание топлива и выделение теплоты с преобразованием в механическую работу — происходят непосредственно внутри двигателя.

Двигатели внешнего сгорания – класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела. Это, например, паровая турбина, газовая турбина, паровая машина.

Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.

 

Первая часть — нагреватель. Нагревателем в ТД является процесс сгорания топлива. Именно в этот процесс включается образование газа. Нагреватель характеризуется температурой нагревателя Тн, т.е. температура того, газа, который образовался. И конечно количеством теплоты, который передается этому газу.

Газ, образовавшийся в результате, того что сгорело топливо, называется рабочим телом. Рабочее тело и совершает работу. И оставшееся, некоторое количество теплоты будет передано холодильнику.

Холодильником, как правило, является окружающая среда. Именно температура холодильника в данном случае нам говорит о том, до какой температура мы должны понизить температуру рабочего тела, чтобы перевести машину в первоначальное состояние.

Работу, которое совершает рабочее тело, газ при расширении, мы определяем следующим образом: A=| Q 1|– |Q 2|. Важное значение имеет цикличность работы. Работа двигателя будет оправдана в том случае, если работа по сжатию газа будет меньше, чем работа, произведенная самим газом. В этом случае работа газа совершается при расширении, т.е. тогда, когда давление газа будет больше атмосферного. А в случае охлаждения газа, сжатие газа будет производиться внешними силами, тогда работа газа будет считаться отрицательной.

3. КПД тепловых двигателей

КПД теплового двигателя – важнейшая его характеристика. ТД подчиняется первому закону термодинамики и конечно же второму закону термодинамики (передача тепла происходит от более нагретого тела к менее нагретому).

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя. КПД выражают в процентах. ç = ·100% ç = ·100%

Qнтеплота, полученная от нагревателя,

Дж Qхтеплота, отданная холодильнику, Дж

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

В 19 веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ для определения (через термодинамическую температуру):

η = ·100% Тн – термодинамическая температура нагревателя, К

Тх — термодинамическая температура холодильника, К.

И этот коэффициент полезного действия получил название максимального

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

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

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

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

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

4. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта.

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока.

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

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

КПД: Паровой двигатель – 8%; Паровая турбина – 40%; Газовая турбина – 25-30%;

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%; Дизельный двигатель – 40– 44%; Реактивный двигатель – 25%

5. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастание потребления угля, нефти, газа в промышленности и на бытовые нужды увеличивают возможности удовлетворения жизненных потребностей человека.Однако в настоящее время количество ежегодно сжигаемого в различных тепловых двигателях химического топлива настолько велико, что все более сложной проблемой становится охрана природы от вредного влияния продуктов сгорания. Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов:

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

2. Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. Дальнейшее существенное увеличение концентрации СО2 в атмосфере может привести к повышению ее температуры («парниковый эффект»).

3. при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными

соединениями, вредными для растений, животных и для здоровья человека.

4. Актуальна проблема захоронения радиоактивных отходов атомных станций.

5. Применение паровых турбин на электростанциях требует больших площадей под пруды для охлаждения отработанного пара (35% водоснабжения всех отраслей хозяйства).

Для охраны окружающей среды необходимо обеспечить:

1. эффективную очистку выбрасываемых в атмосферу отработанных газов;

2. использование качественного топлива, создание условий для более полного его сгорания;

3. повышение КПД тепловых двигателей за счет уменьшения потерь на трение и полного сгорания топлива и др.

Перспективно использование водорода в качестве горючего для тепловых двигателей: при сгорании водорода образуется вода. Идут интенсивные исследования по созданию электромобилей, способных заменить автомобили с двигателем, работающим на бензине.

Приложение 3

Решение расчетных задач

Задачи.

1. Найти КПД теплового двигателя, если газ получает от нагревателя 200 Дж теплоты и отдает холодильнику 135 Дж.

2. Чему равен КПД теплового двигателя, если температура нагревателя 800оС, а температура холодильника 25оС?

3. Оцените максимальное значение КПД, которое может иметь тепловая машина с температурой нагревателя 727 оС и температурой холодильника 27 оС.

4. Каков КПД теплового двигателя, если рабочее тело, получив от нагревателя количество теплоты 1,6 МДж, совершило работу 400 кДж? Какое количество теплоты передано холодильнику?

Приложение 4

Вопросы для закрепления материала.

1. Какие машины называются тепловыми?

2. Каков принцип работы тепловых двигателей?

3. Назовите основные элементы теплового двигателя и их назначение.

4. Что называют кпд теплового двигателя?

5. По какой формуле рассчитывают КПД реальной машины?

6. По какой формуле рассчитывают КПД идеальной машины? Каков ее смысл?

7. Назовите какие виды тепловых машин вам известны?

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды — КиберПедия

 

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

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

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

Большая часть двигателей, используемых людьми, — это тепловые двигатели.

История тепловых машин уходит в далекое прошлое. Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи. Как же стреляла эта пушка? Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Для нас интересно здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому как поршень скользило ядро.

 Сегодня один из самых распространенных тепловых двигателей является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Принцип действия заключается в том, что энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, а газ (пар), расширяясь, совершает работу. Так внутренняя энергия газа (пара) превращается в кинетическую энергию поршня.

  Устройства, превращающие энергию топлива в механическую энергию, называются тепловыми двигателями.

Про тепловые двигатели вы уже говорили в 8 классе.

  

2. Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. Для того чтобы двига­тель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двига­телях эта разность давлений дости­гается за счет повышения темпера­туры рабочего тела на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры про­исходит при сгорании топлива.

Тепловая машина работает циклично. Газ, которому передается энергия, нагрет до высокой температуры и соответственно внутренняя энергия такого газа достаточно большая. Расширяясь, газ совершает работу, соответственно охлаждается, его внутренняя энергия уменьшается и совершается полезная работа. В дальнейшем, чтобы все повторилось нам надо перевести наш тепловой двигатель в первоначальное состояние, таким образом, чтобы работа вновь повторилась. Для этого нам необходимо газ охлаждать. Для рассмотрения всех процессов, происходящих в ТД, удобно рассматривать газ, находящийся в цилиндре под поршнем. В этом случае мы говорим, что газ совершает работу по перемещению поршня. Работа этого поршня и будет считаться полезной.

 

Однозначно классифицировать ТД нельзя. Существует много признаков, по которым различают тепловые двигатели: по назначению двигателей, по роду используемого топлива, по способу преобразования тепловой энергии в механическую, по способу регулирования в связи с изменением нагрузки и т.д.

Основная классификация тепловых двигателей по способу подвода теплоты к рабочему телу:

1. Двигатели внутреннего сгорания
2. Двигатели внешнего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания. В этих двигателях основные процессы — сжигание топлива и выделение теплоты с преобразованием в механическую работу — происходят непосредственно внутри двигателя.

Двигатели внешнего сгорания – класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела. Это, например, паровая турбина, газовая турбина, паровая машина.

 

Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.

 

Первая часть — нагреватель. Нагревателем в ТД является процесс сгорания топлива. Именно в этот процесс включается образование газа. Нагреватель характеризуется температурой нагревателя Тн, т.е. температура того, газа, который образовался. И конечно количеством теплоты, который передается этому газу.

Газ, образовавшийся в результате, того что сгорело топливо, называется рабочим телом. Рабочее тело и совершает работу. И оставшееся, некоторое количество теплоты будет передано холодильнику.

 Холодильником, как правило, является окружающая среда. Именно температура холодильника в данном случае нам говорит о том, до какой температура мы должны понизить температуру рабочего тела, чтобы перевести машину в первоначальное состояние.

 Работу, которое совершает рабочее тело, газ при расширении, мы определяем следующим образом: A=| Q 1|– |Q 2|. Важное значение имеет цикличность работы. Работа двигателя будет оправдана в том случае, если работа по сжатию газа будет меньше, чем работа, произведенная самим газом. В этом случае работа газа совершается при расширении, т.е. тогда, когда давление газа будет больше атмосферного. А в случае охлаждения газа, сжатие газа будет производиться внешними силами, тогда работа газа будет считаться отрицательной.

 

3. КПД тепловых двигателей

КПД теплового двигателя – важнейшая его характеристика. ТД подчиняется первому закону термодинамики и конечно же второму закону термодинамики (передача тепла происходит от более нагретого тела к менее нагретому).

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя. КПД выражают в процентах. h =  ·100%  h = ·100%

Qнтеплота, полученная от нагревателя, Дж      Qхтеплота, отданная холодильнику, Дж

 

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

В 19 веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ для определения (через термодинамическую температуру):

 

η = ·100% Тн – термодинамическая температура нагревателя,  К

                           Тх — термодинамическая температура холодильника,  К.

 

И этот коэффициент полезного действия получил название максимального

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

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

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

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

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

4. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта.

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока.

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

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

КПД: Паровой двигатель – 8%; Паровая турбина – 40%; Газовая турбина – 25-30%;

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%; Дизельный двигатель – 40– 44%; Реактивный двигатель – 25%

 

5. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастание потребления угля, нефти, газа в промышленности и на бытовые нужды увеличивают возможности удовлетворения жизненных потребностей человека.Однако в настоящее время количество ежегодно сжигаемого в различных тепловых двигателях химического топлива настолько велико, что все более сложной проблемой становится охрана природы от вредного влияния продуктов сгорания. Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов:

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

2. Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. Дальнейшее существенное увеличение концентрации СО2 в атмосфере может привести к повышению ее температуры («парниковый эффект»).

3.  при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными

соединениями, вредными для растений, животных и для здоровья человека.

4. Актуальна проблема захоронения радиоактивных отходов атомных станций.

5. Применение паровых турбин на электростанциях требует больших площадей под пруды для охлаждения отработанного пара (35% водоснабжения всех отраслей хозяйства).

 

Для охраны окружающей среды необходимо обеспечить:

1. эффективную очистку выбрасываемых в атмосферу отработанных газов;

2. использование качественного топлива, создание условий для более полного его сгорания;

3. повышение КПД тепловых двигателей за счет уменьшения потерь на трение и полного сгорания топлива и др.

Перспективно использование водорода в качестве горючего для тепловых двигателей: при сгорании водорода образуется вода. Идут интенсивные исследования по созданию электромобилей, способных заменить автомобили с двигателем, работающим на бензине.

 

 

Приложение 3

Решение расчетных задач

Задачи.

1. Найти КПД теплового двигателя, если газ получает от нагревателя 200 Дж теплоты и отдает холодильнику 135 Дж.

2. Чему равен КПД теплового двигателя, если температура нагревателя 800оС, а температура холодильника 25оС?

3. Оцените максимальное значение КПД, которое может иметь тепловая машина с температурой нагревателя 727 оС и температурой холодильника 27 оС.

4. Каков КПД теплового двигателя, если рабочее тело, получив от нагревателя количество теплоты 1,6 МДж, совершило работу 400 кДж? Какое количество теплоты передано холодильнику?

 

 

Приложение 4

Вопросы для закрепления материала.

 

1. Какие машины называются тепловыми?

2. Каков принцип работы тепловых двигателей?

3. Назовите основные элементы теплового двигателя и их назначение.

4. Что называют кпд теплового двигателя?

5. По какой формуле рассчитывают КПД реальной машины?

6. По какой формуле рассчитывают КПД идеальной машины? Каков ее смысл?

7. Назовите какие виды тепловых машин вам известны?

 

                                                                                                                  

Открытый урок по физике в 8-м классе «Двигатель внутреннего сгорания»

Тема: Двигатель внутреннего сгорания.

Цели:

1. Изучить устройство, принцип действия и назначение тепловых машин на примере двигателя внутреннего сгорания.

2. Рассмотреть историю развития тепловой машины, экологические проблемы и перспективы развития.

3. Совершенствовать навыки работы с оборудованием. Формировать умение делать выводы о проведенных экспериментах. Развивать умение общаться друг с другом.

Оборудование:

1. Модель ДВС.
2. Фото автомобилей, мотоциклов, самолетов, катеров.
3. Карточки с заданиями для групп.
4. Презентация к уроку. (Приложение 1)

План урока:

1. Орг. момент.
2. Проверка знаний. Работа газа и пара при расширении.
3. Новый материал: двигатель внутреннего сгорания.
4. Закрепление изученного. Работа в группах.
5. Рефлексия. Подведение итогов.
6. Домашнее задание.

Ход урока

1. Учитель: Сегодня мы изучаем тему «Двигатель внутреннего сгорания». Целями нашего урока сегодня будет: изучить устройство, принцип действия и назначение тепловых машин на примере на примере двигателя внутреннего сгорания; рассмотреть историю развития тепловой машины; экологические проблемы и перспективы развития.

Форма нашего урока будет не совсем обычной. Это будет урок-игра «Конструкторское бюро». Для этого из всех учащихся класса были сформированы четыре группы, которые в течение урока будут выполнять различные задания. Когда задание выполнено, группа поднимает руку. Каждая команда будет иметь возможность высказаться. Названия команд: «Теоретики», «Испытатели», «Менеджеры», «Экологи», в каждой команде около 5 человек.

2. А сейчас проверим, насколько вы уяснили прошлый материал, а заодно и то, как подготовились к уроку. Команды получают задания на карточках.

Карточка №1

Какие двигатели называют тепловыми? Какие виды тепловых двигателей вам известны?

Карточка №2

Приведите примеры превращения внутренней энергии пара в механическую энергию тела?

Карточка №3

Зачеркните лишнее словосочетание: тепловой двигатель, работа газа, превращение энергии, Джеймс Уатт, Лев Толстой, отражение света.

Карточка №4

Разгадайте кроссворд.

Кто выполнил задание – отвечает. По одному представителю о группы.

3. Запасы внутренней энергии огромны. Очень важно умело и грамотно использовать её запасы, содержащиеся в топливе. Использовать внутреннюю энергию – значит, совершить за счёт неё полезную работу. Послушаем краткую историю создания тепловых машин (выступление учащегося):

История ДВС

В 1860 Г француз Э. Ленуар построил устройство, в котором горючее сжигалось внутри самого устройства. Модель была несовершенная, КПД не превышал 3 %.

Спустя 18 лет немецкий изобретатель Отто создал двигатель внутреннего сгорания, который работал по четырёхтактной схеме: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск отработанных газов. Именно модификации этого двигателя и получили наибольшее распространение.

Первый автомобиль с бензиновым двигателем построили в 1886 году под руководством немецкого инженера Даймлера. Большая роль в развитии автомобилестроения принадлежит Генри Форду, который в начале 20 века начал выпуск автомобилей с конвейера. В России первые автомобили начали строить в начале 20 века.

Учитель: Применение тепловых двигателей чрезвычайно разнообразно. Они приводят в движение самолёты, ракеты, тепловозы, паровозы, наземный и водный транспорт. В настоящее время наибольшее распространение имеют двигатели внутреннего сгорания. Остановимся на них.

В ДВС топливо сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Поэтому он и называется двигателем внутреннего сгорания. Работают они на жидком топливе или горючем газе.

Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень, соединённый при помощи шатуна с коленчатым валом (проследим по модели ДВС).

В верхней части цилиндра имеется два клапана, которые при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты. Через первый клапан (впускной) поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи, а через второй клапан (выпускной) выпускаются отработанные газы.

В цилиндре периодически происходит сгорание горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха (температура достигает 16000 — 18000С). Давление на поршень резко возрастает. Расширяясь, газы толкают поршень, а вместе с ним и коленчатый вал, совершая при этом механическую работу. При этом газы охлаждаются, так как часть их внутренней энергии превращается в механическую.

Крайние положения поршня в цилиндре называют мёртвыми точками. Расстояние, проходимое поршнем от одной мёртвой точки до другой, называют ходом поршня. Ход поршня называют ещё тактом. Поэтому двигатель называют четырёхтактным.

Такты двигателя внутреннего сгорания: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Не во всех двигателях есть свеча для воспламенения смеси. Послушаем сообщение учащегося о двигателе Дизеля:

Двигатель Дизеля

Немецкий инженер Р. Дизель в 1897 г. изобрёл двигатель, в котором сжимали воздух и в момент максимального сжатия в камеру сгорания при помощи форсунки делали впрыск топлива. Далее раскалённые газы перемещали поршень, и происходило преобразование внутренней энергии в механическую. В двигателе внутреннего сгорания есть карбюратор, при помощи которого образуется горючая смесь (смесь бензина с воздухом). В двигателе Дизеля нет карбюратора.

КПД дизельных двигателей достигает 35 – 44 %, а у двигателя внутреннего сгорания КПД не превышает 25 – 32 %. Дизельные двигатели нашли широкое применение в тракторах, большегрузных машинах, на кораблях, передвижных электростанциях.

Учитель: При использовании для своих нужд тепловых двигателей человек сталкивается с экологическими проблемами (сообщение учащегося):

Как влияют тепловые двигатели на окружающую среду?

При работе тепловых двигателей для охлаждения используется окружающая среда (атмосферный воздух и вода открытых водоемов), в результате чего происходит повышение температуры окружающей среды, называемое «тепловым загрязнением». Этот эффект усиливается тем, что при сгорании огромного количества топлива повышается концентрация углекислого газа в земной атмосфере. А при большой концентрации углекислого газа атмосфера плохо пропускает тепловое излучение нагретой Солнцем поверхности Земли, что приводит к «парниковому эффекту».

В результате описанных процессов, средняя температура на Земле в течение последних десятилетий неуклонно повышается. Это грозит глобальным потеплением с нежелательными последствиями, к числу которых относятся таяние ледников и подъем уровня мирового океана.

Кроме того, при сжигании топлива в тепловых двигателях расходуется атмосферный кислород (в наиболее развитых странах тепловые двигатели уже сегодня потребляют больше кислорода, чем вырабатывается всеми растениями, растущими в этих странах) и образуется много вредных веществ, загрязняющих атмосферу.

Тепловые машины не только сжигают кислород, но и выбрасывают в атмосферу углекислый газ, угарный газ, различные виды сернистых соединений, а также соединения тяжелых металлов. Сгорание топлива в топках промышленных предприятий и тепловых электростанций почти никогда не бывает полным, поэтому происходит загрязнение воздуха золой, хлопьями сажи. Во всем мире обычные энергетические установки выбрасывают в атмосферу ежегодно более 200 млн. т золы и более 60 млн. т оксида серы.

Кроме промышленности, воздух загрязняют и различные виды транспорта, прежде всего автомобильный. Жители больших городов задыхаются от выхлопных газов автомобильных двигателей.

Такие виды топлива, как нефть, уголь, газ являются невосполнимыми источниками энергии. В ближайшие 45 — 70 лет человечество столкнётся с проблемой нехватки традиционных видов топлива.

Учитель: У вас на столах лежат конверты с заданиями, которые сейчас необходимо сделать.

Конверт №1

На изображении ДВС подписать его устройство.

Конверт №2

Даны рисунки всех тактов ДВС. Необходимо наклеить эти рисунки в правильном порядке и подписать названия тактов.

Конверт №3

По предложенному тексту выписать пути преодоления экологических проблем. (Приложение 2)

№4.2

Из готового текста выбрать профессии, связанные с использованием ДВС.

Врач, механик-водитель, машинист тепловоза, дизелист, автогонщик, учитель.

Группы, выполнившие задания, выдвигают по одному представителю для выступления.

1. Подведем итог урока. Что мы изучили сегодня? Из чего состоит ДВС? Назовите такты работы двигателя. Выставить оценки за урок.
2. Домашнее задание: параграф 22 — учить.

Тепловые двигатели — физика, презентации

Презентация к уроку по теме «Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания»
 
 

Просмотр содержимого документа
«Тепловые двигатели»

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

Развитие техники зависит от умения использовать громадные запасы внутренней энергии, содержащиеся в топливе.

Использовать внутреннюю энергию – значит совершить за счёт неё полезную работу (например поднять груз, перевезти вагоны и т. п.) .

Тепловые двигатели –

это машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию

Первый тепловой двигатель был изобретен

в конце XVII в.

Джеймсом

Уаттом

Паровая машина

Виды тепло-вых двига-телей

Двигатель внутреннего сгорания

Паровая и газовая турбина

Реактивный двигатель

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

— это тепловой двигатель, в котором топливо сгорает прямо в цилиндре внутри самого двигателя.

Устройство ДВС

  • 1, 2 – клапаны,
  • 3 – поршень,
  • 4 – шатун,
  • 5 – коленчатый вал,
  • 6 – свеча

Схема работы двигателя

Крайние положения поршня в цилиндре называют мертвыми точками .

Расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой, называют ходом поршня .

Один рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода (такта) поршня.

Такт 1 (впуск). Поршень движется вниз. Открывается клапан 1, в цилиндр входит горючая смесь, клапан 1 закрывается.

Такт 2 (сжатие). Поршень движется вверх, сжимает горючую смесь. Горючая смесь воспламеняется (от электрической искры) и быстро сгорает.

Такт 3(рабочий ход). Образовавшиеся газы толкают поршень вниз. Двигатель совершает работу. Открывается клапан 2, продукты сгорания выходят из цилиндра в атмосферу.

Такт 4 (выпуск). Продолжается выпуск продуктов сгорания, поршень движется вверх, клапан 2 закрывается.

В автомобилях используют чаще 4-цилиндровые ДВС. Работа цилиндров согласуется так, что в каждом из них поочередно происходит рабочий ход.

Применение ДВС разнообразно:

самолеты, теплоходы, автомобили, речные и морские суда и т.д.

Но нельзя забывать и о вреде, который оказывают ДВС окружающей среде: выхлопные газы загрязняют атмосферу, разъедают озоновый слой, влияют на дыхательную систему человека. К тому же КПД ДВС всего 20-40%.

Контрольные вопросы:

  • Приведите примеры превращения внутренней энергии пара в механическую
  • Какие двигатели называют тепловыми?
  • Какие виды тепловых двигателей вам известны?
  • Какой двигатель называют ДВС?
  • Из каких основных частей состоит простейший ДВС?
  • За сколько тактов происходит один рабочий цикл двигателя?
  • Дайте им характеристику

Д/з

§ 21, 22

N 907, 909

(Сборник задач по физике. А.В.Пёрышкин)

Литература:

  • А.В. Пёрышкин. Физика. 8 класс: учеб.для общеобразоват.учеб.заведений. – М.: Дрофа, 2000.

урок физики в 8 классе Паровая турбина. КПД теплового двигателя

Урок физики в 8 классе

Тема: «Паровая турбина. КПД теплового двигателя»

Учитель физики Наумова О.П.

Тема: «Паровая турбина. КПД теплового двигателя»

Цели:

Образовательные.Познакомить учащихся с устройством и принципом действия паровой турбины. Ввести понятие КПД теплового двигателя. Обозначить проблемы охраны окружающей среды.

Развивающие. Развивать научное мировоззрение, логическое и абстрактное мышление, умение анализировать физические процессы, наблюдать, сравнивать, оценивать, устанавливать связи между физическими явлениями.

Воспитательные. Воспитывать самостоятельность, культуру речи, умение грамотно выражать свои мысли, используя физическую терминологию, информационную культуру, грамотное отношение к своему здоровью, экологическую безопасность.

План:

Организационный момент.

Проверка знаний учащихся.

Актуализация опорных знаний (подготовка к восприятию нового материала).

Изучение нового материала (лекция учителя).

Закрепление пройденного.

Подведение итогов урока. Выставление оценок.

Домашнее задание.

Ход урока:

Организационный момент.

Здравствуйте. Садитесь. Проверим вашу готовность к уроку. У вас на столах должны быть тетради, учебники, дневники, ручки. Кто еще не готов к уроку, прошу поторопиться и не задерживать нас. Кто отсутствует?.. Очень хорошо. Сядьте, пожалуйста, ровно. Сконцентрируйтесь. Начнем наш очередной урок.

Мы заканчиваем изучение темы «Тепловые явления», но вначале давайте вспомним, о чем шла речь на предыдущих уроках.

Проверка знаний учащихся.

Проверку домашнего задания проведем следующим образом. Один из вас будет у доски решать задачу по материалу предыдущих параграфов, а остальные в это время будут отвечать на мои вопросы. К доске пойдет … А остальных прошу быть предельно собранными, внимательно слушать мои вопросы и если кто-то знает ответ прошу поднимать руку, а не отвечать хором.

Фронтальный опрос учащихся:

Приведите примеры превращения внутренней энергии пара в механическую энергию тела.

Какие двигатели называют тепловыми?

Какие виды тепловых двигателей вам известны?

Какие переходы и превращения энергии происходят в них?

Какой двигатель называют двигателем внутреннего сгорания?

Назовите основные узлы простейшего двигателя внутреннего сгорания.

Какие физические явления происходят при сгорании горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания?

За сколько ходов, или тактов, происходит один рабочий цикл двигателя? Сколько оборотов делает при этом вал двигателя?

Какие процессы происходят в двигателе в течение каждого из четырех тактов?

Как называются эти такты?

Какие двигатели внутреннего сгорания чаще всего применяют в автомобилях? Где еще, кроме автомобилей, применяют двигатели внутреннего сгорания?

Задача.

Сколько бензина нужно сжечь, чтобы 200 кг воды нагреть на 30ºС? (Ответ: m = 0,55 кг)

Итак, мы завершили проверку домашнего задания. Вы сегодня хорошо подготовились. И пришло время продолжить изучение нашей темы, вернее не продолжить, а закончить. Сегодня на уроке мы завершаем изучение темы «Тепловые явления» и подводим некоторые итоги. Следующий наш урок будет посвящен решению задач и подготовке к контрольной работе, а после ее написания мы приступим к изучению следующего большого раздела «Электрические явления».

Актуализация опорных знаний.

Я неоднократно говорила вам о том, что все физические явления, законы в конечном итоге находят применение в повседневной жизни человека.

Жизнь людей невозможна без использования различных видов энергии. Источниками энергии являются различные виды топлива, а также энергия ветра, солнечная энергия, энергия приливов и отливов.

Поэтому существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой. По своей сути машина – устройство, которое служит для преобразования одного вида энергии в другой.

Тепловые машины преобразуют внутреннюю энергию в механическую. Мы с вами уже изучили один из видов тепловых машин – двигатель внутреннего сгорания, а сегодня познакомимся еще с одним видом – паровой турбиной, а кроме этого выясним такой вопрос, что происходит с внутренней энергией в результате ее преобразования в механическую. Итак, тема нашего урока «Паровая турбина. КПД теплового двигателя». Запишите, пожалуйста, в ваших рабочих тетрадях число и тему урока.

Изучение нового материала (лекция учителя).

1. В современной технике кроме двигателя внутреннего сгорания широко применяют другой тип теплового двигателя. В нем пар или нагретый до высокой температуры газ вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. Такие двигатели называют турбинами.

Схема устройства простейшей паровой турбины приведена на рисунке. На вал 5насажен диск 4, по ободу которого закреплены лопатки 2. Около лопаток расположены трубы – сопла 1, в которые поступает пар 3 из котла. Струи пара, вырывающиеся из сопел, оказывают значительное давление на лопатки и приводят диск турбины в быстрое вращательное движение. (Просмотр кинофрагмента)

В современных турбинах применяют не один, а несколько дисков, насаженных на общий вал. Пар последовательно проходит через лопатки всех дисков, отдавая каждому из них часть своей энергии.

На электростанциях с турбиной соединен генератор электрического тока. Частота вращения вала турбин достигает 30 000 оборотов в минуту, что является очень удобным для приведения в движение генераторов электрического тока.

В нашей стране строят паровые турбины мощностью от нескольких киловатт до 1 200 000 киловатт. Применяют турбины на тепловых электростанциях и на кораблях.

Постепенно находят все более широкое применение газовые турбины, в которых вместо пара используются продукты сгорания газа. (Просмотр кинофрагмента)

2. Разнообразие видов тепловых машин указывает лишь на различие в конструкции и принципах преобразования энергии. Общим для всех тепловых машин является то, что они изначально увеличивают свою внутреннюю энергию за счет сгорания топлива, с последующим преобразованием внутренней энергии в механическую

Очевидно, что никогда не может произойти эквивалентного преобразования внутренней энергии в работу: часть внутренней энергии уходит на нагревание деталей машин, на преодоление трения в узлах, на рассеивание в окружающую среду.

Рассмотрим схему устройства теплового двигателя. Он состоит из нагревателя,рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты. Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу за счет своей внутренней энергии. Часть энергии передается атмосфере – холодильнику – вместе с отработанным паром или выхлопными газами.

Очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее.

Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятиекоэффициента полезного действия двигателя – КПД.

Отношение совершенной полезной работы двигателя, к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя.

Определить КПД теплового двигателя можно по следующей формуле:

КПД = АП/Q1, или КПД = (Q1 Q2)/Q1,

Где АП – полезная работа, Q1 – количество теплоты, полученное от нагревателя, Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику,Q1 – Q2 – количество теплоты, которое пошло на совершение работы. КПД выражается в процентах.

Например, двигатель из всей энергии, выделившейся при сгорании топлива, расходует на совершение полезной работы только одну четвертую часть. Тогда коэффициент полезного действия двигателя равен 1/4, или, 25%, так как КПД обычно выражают в процентах.

КПД двигателя всегда меньше единицы, т. е. меньше 100%. Например, КПД двигателя внутреннего сгорания 20 – 40%, паровых турбин – свыше 30%, дизельных двигателей – 35 -42%. Это достаточное достижение современной науки и техники. Первая паровая машина преобразовывала менее 1% от всей энергии в полезную работу.

3. При использовании тепловых машин остро встает вопрос загрязнения окружающей среды.

При сжигании топлива в атмосферу попадает очень много вредных выбросов. К ним можно отнести углекислый газ СО2, угарный газ СО, различные виды сернистых соединений, а также соединения тяжелых металлов.

Поэтому очень большое внимание следует уделять развитию методов защиты окружающей среды от этих продуктов сгорания и созданию новых альтернативных источников энергии. К ним можно отнести двигатели, работающие на солнечной энергии, на электрической энергии, на энергии приливных волн и так далее. Именно это направление является наиболее перспективным.

Кроме того, такие виды топлива как нефть, уголь, природный газ являются невосполнимыми источниками энергии. В ближайшие 50–100 лет человечество столкнется с проблемой нехватки традиционных видов топлива.

С другой стороны, прогресс нашей цивилизации напрямую связан с применением различных видов тепловых машин: нет ни одной области человеческой деятельности, где бы не применялись машины.

С момента, когда Джеймс Уатт в 1768 году построил первую паровую машину, до настоящего времени прошло более 240 лет. За это время тепловые машины очень сильно изменили содержание человеческого труда. Именно применение этих машин позволило человечеству шагнуть в космос, раскрыть тайны морских глубин. Уровень развития любой страны определяется тем, какое количество различных машин приходится на душу населения.

Закрепление пройденного.

А сейчас пришло время подвести некоторые итоги и убедиться в том, что вы поняли, о чем шла речь сегодня на уроке. Ответьте, пожалуйста, на мои вопросы.

Какие тепловые двигатели называют паровыми турбинами?

В чем отличие в устройстве турбин и поршневых машин?

Пользуясь рисунком, расскажите, из каких частей состоит паровая турбина и как она работает.

Почему в тепловых двигателях только часть энергии топлива превращается в механическую энергию?

Что называют КПД теплового двигателя?

Как определить КПД машины?

Почему КПД двигателя не может быть не только больше 100%, но и равен 100?

Как можно повысить КПД тепловой машины?

Ну что же, вы хорошо ответили на мои вопросы, а это говорит о том, что вы внимательно меня слушали. А теперь мы с вами прорешаем задачи на определение КПД теплового двигателя и на тему «Тепловые двигатели».

Задачи:

Тепловая машина, получив 4000 Дж тепла, совершила работу в 1 кДж. Определите КПД машины. (Ответ: КПД = 25%)

КПД машины 40%. Определите работу, которую совершила машина, если она получила 6кДж тепла. (Ответ: А = 2400 Дж)

Выполняя домашнее задание, ученик записал: «К машинам с тепловым двигателем относятся: реактивный самолет, паровая турбина, мопед». Дополните эту запись другими примерами.

Объясните причину вращения колеса (см. рисунок). Какие преобразования энергии происходят при этом?

6. Подведение итогов урока. Выставление оценок.

А сейчас пришло время подвести итоги урока. Мы с вами закончили изучение главы «Агрегатные состояния вещества» и вместе с тем большого раздела «Тепловые явления» и оценки, которые вы сегодня получаете: следующие… (Выставление оценок с комментариями)

7. Домашнее задание.

А теперь откройте дневники и запишите домашнее задание: §23, §24, № 930 (из сборника В.И. Лукашика, прокомментировать).

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/51606-urok-fiziki-v-8-klasse-parovaja-turbina-kpd-t

Что такое двигатель? Какие бывают виды тепловых двигателей?

Что вы узнаете из этой статьи?

  • Концепция двигателя
  • Определение тепловой машины
  • Основные типы тепловой машины

Человек использует механическую энергию с начального периода человеческого существования. В древней цивилизации человек использовал собственные мышцы для выполнения работы или в качестве источника энергии. В более поздний период они использовали животных в качестве источника энергии. После того, как появилась наука, они использовали энергию ветра или воды для выполнения работы.Но когда человек научился искусству преобразования энергии из одной формы в другую, открылась новая эра механики. Это устройство, которое преобразует энергию из одной формы в другую, известное как двигатель.

Что такое двигатель? Какие бывают виды тепловых двигателей?

Определение двигателя:

Любое устройство, преобразующее энергию из одной формы в другую, называется двигателем. Энергия существует в различных формах, таких как механическая энергия, химическая энергия, энергия ветра, энергия потока, электрическая энергия, магнитная энергия, энергия звука, энергия света и т. д.

Энергия может быть преобразована из одной формы в другую (Первый закон термодинамики).

Любое устройство, которое преобразует химическую энергию топлива в тепловую энергию и преобразует эту тепловую энергию в механическую энергию, известное как тепловой двигатель. Все автомобильные двигатели, газотурбинные двигатели, паротурбинные двигатели и т.д. являются тепловыми двигателями. На этом сайте мы сосредоточимся только на тепловых двигателях.

Основные типы тепловых двигателей:


В основном существуют два типа тепловых двигателей. Первый известен как двигатель внутреннего сгорания (двигатель внутреннего сгорания), а другой известен как двигатель внешнего сгорания (двигатель ЕС).Там двигатели подразделяются на поршневые и роторные.

Двигатель внутреннего сгорания:

Двигатель, в котором сгорание топлива (сжигание топлива или преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию) происходит в закрытом цилиндре, известен как двигатель внутреннего сгорания. Все автомобильные двигатели являются двигателями внутреннего сгорания. Эти двигатели имеют более высокий тепловой КПД и низкое отношение массы к мощности.

Эти двигатели далее подразделяются на роторные двигатели (двигатель Ванкеля) и поршневые двигатели (дизельные и бензиновые двигатели).

Поршневые двигатели внутреннего сгорания используются в автомобилях, мотоциклах, лодках, тихоходных самолетах и ​​т. д.

Роторные двигатели внутреннего сгорания используются в самолетах (газовая турбина открытого цикла) сгорание топлива происходит вне цилиндра, или двигатель известен как двигатель внешнего сгорания. Например, в паровом двигателе происходит сгорание топлива, которое преобразует воду в пар, и этот пар высокого давления используется для выполнения механической работы.

Эти двигатели подразделяются на роторные (паровые турбины) и поршневые (паровые двигатели).

Двигатели внешнего сгорания имеют широкое применение в энергетике.

Теперь вы должны задать себе эти вопросы?

  • Что такое двигатель?
  • Разница между двигателем и тепловым двигателем
  • Какие бывают типы тепловых двигателей?

Если вам понравилась эта статья, задавайте вопросы в поле для комментариев, делитесь ею в социальных сетях и подписывайтесь на наш сайт.


Что такое тепловая машина? Классификация тепловых двигателей?

Двигатель — это Устройство, которое преобразует одну форму энергии в другую форму Энергии. Обычно большинство двигателей являются тепловыми двигателями. т. е. они преобразуют тепловую энергию в механическую энергию. В этой статье мы обсудили другую классификацию теплового двигателя.

Тепловые двигатели преобразуют топливо (химическую энергию) в тепловую энергию и используют ее для выполнения механической работы (механической энергии)

Тепловые двигатели делятся на две категории.

  1. Ротационные двигатели
  2. поршневые двигатели
  3. .
    • ОТКРЫТНЫЙ ЦИКЛ ЦИВЕТ ГУМБИНА
    • Wankel Engine
  4. 4 Внешние двигатели сгорания
    • Rotary Engines
      • Закрытый цикл газовая турбина
      • паровой турбины
      • 1
      • поршневые двигатели
        • паровой двигатель
        • Двигатель Стирлинга

    • Внешние двигатели, в которых сгорание происходит вне двигателя.
    • Например, в паровых турбинах пар высокого давления будет генерироваться за счет тепла, выделяемого при сгорании топлива в печи.
    • В двигателях внутреннего сгорания сгорание происходит внутри двигателя.
    • Например, сгорание топлива будет происходить внутри цилиндра двигателя.
    • Наиболее часто используемыми двигателями являются поршневые двигатели внутреннего сгорания.
    • Паровые двигатели используются редко.
    • Из-за отсутствия теплообменников (котлов, конденсаторов) в поршневых двигателях внутреннего сгорания они имеют повышенную эффективность и доминируют над паровыми двигателями.
    • Рабочая температура деталей двигателей внутреннего сгорания всегда будет меньше температуры рабочей жидкости (топлива).
    • Из-за возвратно-поступательного механизма вибрации в поршневых двигателях внутреннего сгорания будут высокими. Это основной недостаток двигателей внутреннего сгорания
    • . В роторных двигателях очень мало вибраций.
    • Рабочая жидкость для двигателей внутреннего сгорания дорогая.

    Принимая во внимание все вышеперечисленные факторы, поршневые двигатели внутреннего сгорания были признаны подходящими для использования в автомобильной промышленности, на кораблях и т. д.

    Мы обсудили, что такое двигатель и что такое тепловой двигатель, и дали классификацию двигателей с сетевой диаграммой для лучшего понимания. И объяснил, почему двигатели внутреннего сгорания доминируют в мире, чем паровые двигатели/турбины. Если у вас есть какие-либо мысли, пожалуйста, сообщите нам свои мысли в разделе комментариев ниже.

    12.4 Применение термодинамики: тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники

    Тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники

    В этом разделе мы рассмотрим, как работают тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники с точки зрения законов термодинамики.

    Одна из самых важных вещей, которые мы можем делать с теплом, — использовать его для выполнения работы за нас. Тепловая машина делает именно это — она использует свойства термодинамики для преобразования тепла в работу. Бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины, вырабатывающие электроэнергию, — все это примеры тепловых двигателей.

    На рис. 12.13 показан один из способов передачи энергии теплом для выполнения работы. Сгорание топлива высвобождает химическую энергию, которая передается через газ в цилиндре.Это увеличивает температуру газа, что, в свою очередь, увеличивает давление газа и, следовательно, силу, которую он оказывает на подвижный поршень. Газ действует на внешний мир, так как эта сила перемещает поршень на некоторое расстояние. Таким образом, передача тепла газу в цилиндре приводит к совершению работы.

    Рис. 12.13 (а) Теплопередача газу в цилиндре увеличивает внутреннюю энергию газа, создавая более высокое давление и температуру. б) Сила, действующая на подвижный цилиндр, совершает работу при расширении газа.Давление и температура газа уменьшаются во время расширения, что указывает на то, что внутренняя энергия газа уменьшилась во время его работы. (c) Теплопередача энергии в окружающую среду еще больше снижает давление в газе, так что поршень может легче вернуться в исходное положение.

    Чтобы повторить этот процесс, необходимо вернуть поршень в исходную точку. Тепло теперь передает энергию от газа к окружающей среде, так что давление газа уменьшается, а окружающая среда прикладывает силу, чтобы оттолкнуть поршень назад на некоторое расстояние.

    Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла. Все тепловые двигатели используют циклические процессы.

    Тепловые двигатели работают, используя часть энергии, переданной теплом от какого-либо источника. Как показано на рис. 12.14, тепло передает энергию QhQh от высокотемпературного объекта (или горячего резервуара), тогда как тепло передает неиспользованную энергию QcQc низкотемпературному объекту (или холодному резервуару), а работа, выполненная двигатель Вт .В физике резервуар определяется как бесконечно большая масса, которая может поглощать или отдавать неограниченное количество тепла в зависимости от потребностей системы. Температура горячего резервуара равна Th,Th, а температура холодного резервуара равна TcTc.

    Рис. 12.14 (а) Тепло самопроизвольно передает энергию от горячего объекта к холодному, что согласуется со вторым законом термодинамики. б) Тепловая машина, представленная здесь кружком, использует часть энергии, переданной теплом, для совершения работы.Горячие и холодные объекты называются горячими и холодными резервуарами. Q h — теплота из горячего резервуара, W — выходная мощность, Q c — неиспользованное тепло в холодный резервуар.

    Как уже отмечалось, циклический процесс возвращает систему в исходное состояние в конце каждого цикла. Внутренняя энергия такой системы, U , одинакова в начале и в конце каждого цикла, то есть ΔU=0ΔU=0 . Первый закон термодинамики утверждает, что ΔU=Q−W, ΔU=Q−W, где Q — это чистая теплопередача во время цикла, а Вт — это чистая работа, выполненная системой.Чистая теплопередача представляет собой энергию, передаваемую теплом из горячего резервуара, за вычетом количества, переданного в холодный резервуар (Q=Qh-QcQ=Qh-Qc). Поскольку внутренняя энергия не изменяется за полный цикл (ΔU=0ΔU=0), мы имеем

    так что

    Таким образом, чистая работа, совершаемая системой, равна полезному теплу, поступающему в систему, или

    .

    для циклического процесса.

    Поскольку горячий резервуар нагревается снаружи, что является энергоемким процессом, важно, чтобы работа выполнялась максимально эффективно.На самом деле мы хотим, чтобы Вт равнялось QhQh, и чтобы не было тепла в окружающую среду (то есть Qc=0Qc=0). К сожалению, это невозможно. Согласно второму закону термодинамики, тепловые двигатели не могут иметь совершенного преобразования теплоты в работу. Напомним, что энтропия — это мера беспорядка в системе, а также то, сколько энергии недоступно для выполнения работы. Второй закон термодинамики требует, чтобы полная энтропия системы либо увеличивалась, либо оставалась постоянной в любом процессе.Следовательно, существует минимальное количество QhQh, которое нельзя использовать для работы. Количество тепла, отводимого в холодный резервуар, Qc,Qc, зависит от эффективности тепловой машины. Чем меньше увеличение энтропии, ΔSΔS, тем меньше значение QcQc и тем больше тепловой энергии доступно для выполнения работы.

    Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют теплопередачу энергии от низких до высоких температур, что противоположно тому, что делают тепловые двигатели. Тепло переносит энергию QcQc из холодного резервуара и отдает энергию QhQh в горячий.Для этого требуется работа, Вт , которая обеспечивает передачу энергии в виде тепла. Следовательно, общая теплоотдача в горячий резервуар составляет

    Целью теплового насоса является передача энергии посредством тепла в теплую среду, например, в дом зимой. Большим преимуществом использования теплового насоса для обогрева вашего дома, а не просто сжигания топлива в камине или печи, является то, что тепловой насос обеспечивает Qh=Qc+WQh=Qc+W. Тепло QcQc поступает из наружного воздуха, даже при минусовой температуре, во внутреннее помещение.Вы платите только за Вт , и получаете дополнительную теплопередачу QcQc снаружи бесплатно. Во многих случаях в отапливаемое помещение передается как минимум в два раза больше энергии, чем используется для работы теплового насоса. Когда вы сжигаете топливо, чтобы согреться, вы платите за все это. Недостаток теплового насоса заключается в том, что ввод работы (требуемой вторым законом термодинамики) иногда обходится дороже, чем простое сжигание топлива, особенно если работа обеспечивается за счет электроэнергии.

    Основные компоненты теплового насоса показаны на рисунке 12.15. Используется рабочая жидкость, например хладагент. В наружных змеевиках (испарителях) тепло QcQc поступает в рабочее тело из холодного наружного воздуха, превращая его в газ.

    Рис. 12.15. Простой тепловой насос состоит из четырех основных компонентов: (1) испарителя, (2) компрессора, (3) конденсатора и (4) расширительного клапана. В режиме обогрева тепло QcQc отдает рабочему телу в испарителе (1) от более холодного наружного воздуха, превращая его в газ. Компрессор с электрическим приводом (2) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора (3) внутри отапливаемого помещения.Поскольку температура газа выше температуры в помещении, тепло передает энергию от газа в помещение по мере того, как газ конденсируется в жидкость. Затем рабочая жидкость охлаждается, возвращаясь через расширительный клапан (4) к змеевикам наружного испарителя.

    Компрессор с электрическим приводом (рабочая мощность Вт ) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора, находящиеся внутри отапливаемого помещения. Поскольку температура газа выше температуры внутри помещения, тепло передает энергию помещению, и газ конденсируется в жидкость.Затем жидкость течет обратно через расширительный (редукционный) клапан. Жидкость, охлажденная за счет расширения, возвращается в змеевики наружного испарителя, чтобы возобновить цикл.

    О качестве теплового насоса судят по тому, сколько энергии передается теплом в теплое помещение (QhQh) по сравнению с тем, сколько входной работы ( Вт ) требуется.

    Предупреждение о неправильном представлении

    Помните, что холодильники и кондиционеры не создают холода.Они просто передают тепло изнутри наружу.

    Вернитесь к законам идеального газа, законам термодинамики и энтропии. Используйте их, чтобы понять работу кондиционеров и холодильников. Это также даст вам возможность оценить свое понимание этих концепций. И в холодильниках, и в кондиционерах используются химические вещества, которые могут легко переходить из жидкого состояния в газообразное и обратно. Химикат присутствует в замкнутом контуре трубки. Первоначально он находится в газообразном состоянии.Компрессор работает, чтобы сжать частицы газа химического вещества ближе друг к другу, создавая высокое давление. Согласно закону идеального газа, с увеличением давления растет и температура. Этот горячий плотный газ распространяется по маленьким трубочкам или ребрам конденсатора, расположенного на внешней части кондиционера (и на задней стенке холодильника). Ребра вступают в контакт с наружным воздухом, который холоднее, чем сжатый химикат, и, следовательно, как показывает энтропия, тепло передает энергию от горячего конденсатора относительно более холодному воздуху.В результате газ охлаждается и превращается в жидкость. Затем эту жидкость пропускают к испарителю через крошечное узкое отверстие. По другую сторону отверстия газ растекается (энтропия возрастает), а его давление падает. Следовательно, по закону идеального газа уменьшается и его температура. Вентилятор нагнетает воздух через этот уже остывший испаритель в комнату или холодильник (рис. 12.16).

    Рис. 12.16 Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники — это тепловые двигатели, работающие в обратном направлении.Почти в каждом доме есть холодильник. Большинство людей не понимают, что они также делят свои дома с тепловым насосом.

    Кондиционеры и холодильники предназначены для охлаждения веществ путем передачи энергии с помощью тепла QcQc из более прохладной среды в более теплую, в которой отдается тепло QhQh. В случае с холодильником тепло перемещается из внутренней части холодильника в окружающее помещение. Для кондиционера тепло передается наружу из дома. Тепловые насосы также часто используются для охлаждения помещений летом.

    Как и в случае с тепловыми насосами, для передачи тепла от холодного к горячему требуется затрата работы. О качестве кондиционеров и холодильников судят по тому, сколько энергии удаляется теплом QcQc из холодной среды по сравнению с тем, сколько работы, Вт , требуется. Итак, то, что считается энергетическим преимуществом в тепловом насосе, считается отходящим теплом в холодильнике.

    Тепловой двигатель Факты для детей

    В технике и термодинамике тепловой двигатель преобразует тепловую энергию в механическую работу, используя разницу температур между горячим «источником» и холодным «поглотителем».Теплота передается от источника через «рабочее тело» двигателя к «поглотителю», и в этом процессе часть теплоты превращается в работу за счет использования свойств газа или жидкости внутри двигателя.

    Существует множество видов тепловых двигателей. Каждый из них имеет термодинамический цикл. Тепловые двигатели часто называют в честь термодинамического цикла, который они используют, например, цикл Карно. Они часто подбирают повседневные названия, такие как бензин/бензин, турбина или паровые двигатели.

    Двигатели внутреннего сгорания выделяют тепло внутри самого двигателя.Другие тепловые двигатели могут поглощать тепло от внешнего источника. Тепловые двигатели могут быть открытыми для воздуха или герметичными и закрытыми снаружи (это называется открытым или закрытым циклом).

    Рисунок 1: Схема теплового двигателя . T H – источник тепла, а T C – поглотитель холода. Q H — тепло, поступающее в двигатель. Q C – отработанное тепло, поступающее в охладитель. W — полезная работа, совершаемая двигателем.

    Обзор

    Когда ученые изучают тепловые двигатели, они приходят к идеям о двигателях, которые на самом деле невозможно построить.Их называют идеальными двигателями или циклами. Настоящие тепловые двигатели часто путают с идеальными двигателями или циклами, которые они пытаются имитировать.

    Обычно при описании физического устройства используется термин «двигатель». При описании идеала используется термин «цикл».

    Можно сказать, что термодинамический цикл является идеальным случаем механического двигателя. В равной степени можно сказать, что модель не совсем идеально соответствует механическому двигателю. Однако большую пользу получают упрощенные модели и идеальные случаи, которые они могут представлять.

    В общих чертах, чем больше разница температур между горячим источником и холодным поглотителем, тем эффективнее цикл или двигатель. На Земле холодная сторона любой тепловой машины ограничивается температурой воздуха в том месте, где находится машина.

    Большая часть усилий по повышению эффективности тепловых двигателей направлена ​​на повышение температуры источника тепла, но при очень высоких температурах металл двигателя начинает размягчаться.

    Эффективность различных тепловых двигателей, предложенных или используемых сегодня, колеблется от 3 процентов (97 процентов отработанного тепла) для OTEC океанской энергетики до 25 процентов для большинства автомобильных двигателей, до 45 процентов для сверхкритических угольных электростанций и примерно до 60 процентов для газовая турбина комбинированного цикла с паровым охлаждением.Все эти процессы получают свою эффективность (или ее отсутствие) за счет перепада температур на них.

    Наименее эффективный, OTEC, использует разницу температур океанской воды на поверхности и океанской воды на глубине, небольшая разница, возможно, 25 градусов по Цельсию, поэтому эффективность должна быть низкой.

    Наиболее эффективная газовая турбина с комбинированным циклом сжигает природный газ для нагревания воздуха почти до 1530 градусов Цельсия, при большой разнице температур в 1500 градусов Цельсия, поэтому эффективность может быть очень высокой при добавлении цикла парового охлаждения. [1]

    Примеры на каждый день

    Люди в основном используют тепловые двигатели, в которых тепло исходит от огня, который расширяет рабочую жидкость (обычно воду или воздух), а поглотителем тепла является либо водоем, либо атмосфера, как в градирне.

    Знакомые, которые используют расширение нагретых газов, включают: паровой двигатель, дизельный двигатель и бензиновый (бензиновый) двигатель в автомобиле.

    Двигатель Стирлинга гораздо реже, но встречается в небольших моделях, которые могут работать от тепла руки.

    Одним из видов игрушечной тепловой машины является пьющая птица.

    Биметаллическая пластина представляет собой устройство, которое преобразует температуру в механическое движение и используется в термостатах для контроля температуры. Это тепловой двигатель, который не использует жидкость или газ.

    Связанные страницы

    Список литературы

    • Кремер, Герберт; Киттель, Чарльз (1980). Теплофизика (2-е изд.). В.Х. Компания Фримен. ISBN 0-7167-1088-9
     .
     
    • Каллен, Герберт Б.(1985). Термодинамика и введение в термостатистику (2-е изд.). John Wiley & Sons, Inc.. ISBN 0-471-86256-8
     .
     

    Другие сайты

    тепловая_двигатель

    Тепловая машина — это физическое или теоретическое устройство, которое преобразует тепловую энергию в механическую мощность. Механический выход называется работой, а подводимая тепловая энергия называется теплотой. Тепловые двигатели обычно работают по определенному термодинамическому циклу.Тепловые двигатели часто называют в честь термодинамического цикла, которым они моделируются. Они часто выбирают альтернативные названия, такие как бензин/бензин, турбина или паровые двигатели. Тепловые двигатели могут генерировать тепло внутри самого двигателя или поглощать тепло от внешнего источника. Тепловые двигатели могут быть открытыми для атмосферного воздуха или герметичными и закрытыми снаружи (открытый или замкнутый цикл).

    В технике и термодинамике тепловой двигатель выполняет преобразование тепловой энергии в механическую работу, используя температурный градиент между горячим «источником» и холодным «поглотителем».Теплота передается от источника через «рабочее тело» двигателя к стоку, и в этом процессе часть теплоты преобразуется в работу за счет использования свойств рабочего тела (обычно газа или жидкости).

    Дополнительные рекомендуемые знания

    Обзор

    Тепловые двигатели часто путают с циклами, которые они пытаются имитировать.Обычно при описании физического устройства используется термин «двигатель». При описании модели используется термин «цикл».

    В термодинамике тепловые двигатели часто моделируются с использованием стандартной инженерной модели, такой как цикл Отто. Теоретическая модель может быть уточнена и дополнена фактическими данными работающего двигателя с использованием таких инструментов, как индикаторная диаграмма. Поскольку очень немногие фактические реализации тепловых двигателей точно соответствуют лежащим в их основе термодинамическим циклам, можно сказать, что термодинамический цикл является идеальным случаем механического двигателя.В любом случае, полное понимание двигателя и его эффективности требует хорошего понимания теоретической модели (возможно, упрощенной или идеализированной), практических нюансов реального механического двигателя и различий между ними.

    В общих чертах, чем больше разница температур между горячим источником и холодным стоком, тем выше потенциальная тепловая эффективность цикла. На Земле холодная сторона любого теплового двигателя ограничена температурой, близкой к температуре окружающей среды, или ненамного ниже 300 кельвинов, поэтому большинство усилий по улучшению термодинамической эффективности различных тепловых двигателей сосредоточено на повышении температуры источника. , в существенных пределах.

    Эффективность различных тепловых двигателей, предлагаемых или используемых в настоящее время, колеблется от 3 процентов (97 процентов отработанного тепла) для предложения энергии океана OTEC до 25 процентов для большинства автомобильных двигателей до 45 процентов для сверхкритической угольной электростанции, примерно до 60 процентов для газовой турбины комбинированного цикла с паровым охлаждением. Все эти процессы получают свою эффективность (или ее отсутствие) за счет перепада температур на них.

    OTEC использует разницу температур океанской воды на поверхности и океанской воды на глубине, небольшая разница, возможно, 25 градусов по Цельсию, поэтому эффективность должна быть низкой.Газовые турбины с комбинированным циклом используют горелки, работающие на природном газе, для нагрева воздуха почти до 1530 градусов по Цельсию, что составляет большую разницу в 1500 градусов по Цельсию, и поэтому эффективность может быть высокой, когда добавляется цикл парового охлаждения. [2]

    Примеры на каждый день

    Примеры бытовых тепловых двигателей включают: паровой двигатель, дизельный двигатель и бензиновый (бензиновый) двигатель в автомобиле. Распространенной игрушкой, которая также является тепловым двигателем, является пьющая птица. Все эти известные тепловые двигатели приводятся в действие расширением нагретых газов.Общее окружение представляет собой радиатор, обеспечивающий относительно холодные газы, которые при нагревании быстро расширяются, приводя в движение механическое движение двигателя.

    Примеры тепловых двигателей

    Важно отметить, что хотя некоторые циклы имеют типичное место сжигания (внутреннее внешнее), их часто можно реализовать как другой цикл сжигания. Например, Джон Эрикссон разработал двигатель с внешним подогревом, работающий по циклу, очень похожему на более ранний цикл Дизеля.Кроме того, двигатели с внешним подогревом часто могут быть реализованы в открытом или закрытом циклах.

    Это сводится к тому, что существуют термодинамические циклы и множество способов их реализации с помощью механических устройств, называемых двигателями.

    Циклы фазового перехода

    В этих циклах и двигателях рабочими телами являются газы и жидкости. Двигатель преобразует рабочее тело из газа в жидкость.

    • Цикл Ренкина (классическая паровая машина)
    • Регенеративный цикл (паровая машина более эффективна, чем цикл Ренкина)
    • Парожидкостный цикл (поилка, инжектор)
    • Цикл из жидкости в твердую (морозное пучение — вода, превращающаяся из льда в жидкость и обратно, может поднять горную породу на высоту до 60 м.)
    • Цикл из твердого вещества в газ (Пушка с сухим льдом — Сухой лед возгоняется в газ.)

    Газовые циклы

    В этих циклах и двигателях рабочим телом всегда является газ:

    Циклы только для жидкости

    В этих циклах и двигателях рабочая жидкость всегда жидкая:

    Электронные циклы

    Магнитные циклы

    • Термомагнитный двигатель (Tesla)

    Циклы, используемые для охлаждения

    Холодильник — это тепловой насос: тепловой двигатель наоборот.Работа используется для создания перепада тепла. Многие циклы могут выполняться в обратном порядке, чтобы перемещать тепло с холодной стороны на горячую, делая холодную сторону более прохладной, а горячую — более горячей. Версии этих циклов для двигателей внутреннего сгорания по своей природе необратимы.

    Испарительные тепловые двигатели

    Испарительный двигатель Бартона — это тепловой двигатель, основанный на цикле производства электроэнергии и охлажденного влажного воздуха путем испарения воды в горячий сухой воздух.

    Эффективность

    Эффективность тепловой машины определяет, сколько полезной мощности вырабатывается при заданном количестве подводимой тепловой энергии.

    Из законов термодинамики:

    где
    d W = − P d V — работа, произведенная двигателем. (Отрицательно, так как работа выполняется двигателем за .)
    D Q Q H = T H

    D D S H H — это тепловая энергия, взятая из высокотемпературной системы.(Это отрицательное значение, поскольку тепло извлекается из источника, поэтому ( − d Q h ) положительно.)

    D Q Q C = T = C C D S С C — это тепловая энергия, поставляемая в систему холодной температуры. (Это положительно, так как тепло добавляется к раковине.)

    Другими словами, тепловая машина поглощает тепловую энергию от высокотемпературного источника тепла, часть ее преобразует в полезную работу, а оставшуюся часть отдает холодному радиатору.

    В целом эффективность данного процесса теплопередачи (будь то холодильник, тепловой насос или двигатель) неформально определяется отношением того, что вы получаете, к тому, что вы вкладываете.

    В случае двигателя нужно произвести работу и осуществить теплообмен.

    Теоретический максимальный КПД любой тепловой машины зависит только от температур, между которыми она работает. Этот КПД обычно получается с использованием идеальной воображаемой тепловой машины, такой как тепловая машина Карно, хотя другие двигатели, использующие другие циклы, также могут достигать максимального КПД.Математически это происходит потому, что в обратимых процессах изменение энтропии холодного резервуара отрицательно по сравнению с горячим резервуаром (т. е. d S c = − d S 9 h ), сохраняя общее изменение энтропии равным нулю. Таким образом:

    903

    , где T H H 0 — это абсолютная температура горячего источника и Т C , что из холодной раковины, обычно измеряется в Кельвин.Обратите внимание, что d S c является положительным, а d S h отрицательным; в любом обратимом процессе извлечения работы энтропия в целом не увеличивается, а перемещается от горячей (высокоэнтропийной) системы к холодной (низкоэнтропийной), уменьшая энтропию источника тепла и увеличивая энтропию теплоты. раковина.

    Причина, по которой максимальная эффективность заключается в следующем. Сначала предполагается, что если возможен более эффективный тепловой двигатель, чем двигатель Карно, то он может работать в обратном направлении как тепловой насос.Математический анализ можно использовать, чтобы показать, что эта предполагаемая комбинация приведет к чистому уменьшению энтропии. Поскольку вторым законом термодинамики это запрещено, эффективность Карно является теоретической верхней границей эффективности любого процесса.

    Эмпирически не было доказано, что ни один двигатель работает с большей эффективностью, чем тепловой двигатель, работающий по циклу Карно.

    Вот два графика, рис. 2 и рис. 3, для эффективности цикла Карно. Один график показывает, как эффективность цикла изменяется с увеличением температуры подвода тепла при постоянной температуре на входе в компрессор, а другой показывает, как изменяется эффективность цикла с увеличением температуры отвода тепла при постоянной температуре на входе в турбину.

    Другие критерии эффективности теплового двигателя

    Одной из проблем с идеальным КПД Карно как критерием производительности тепловой машины является тот факт, что по своей природе любой максимально эффективный цикл Карно должен работать при бесконечно малом температурном градиенте. Это связано с тем, что любой перенос тепла между двумя телами при различных температурах необратим, и поэтому выражение эффективности Карно применимо только в бесконечно малом пределе. Основная проблема заключается в том, что целью большинства тепловых двигателей является выработка некоторой мощности, а бесконечно малая мощность обычно не является тем, что требуется.

    Другая мера эффективности теплового двигателя определяется эндообратимым процессом , который идентичен циклу Карно, за исключением того, что два процесса теплопередачи являются а не обратимыми. Согласно Каллену (1985 г.), эффективность такого процесса определяется выражением:

    (Примечание: единицы измерения K или °R)

    (Примечание: это уравнение довольно часто прослеживается до статьи Ф. Л. Керзона и Б. Альборна, American Journal of Physics, vol.43, стр. 22-24 (1975). Книга Герберта Каллена, вероятно, скопирована с этой бумаги. В обзорной статье Адриана Бежана 1996 г. (J. Appl. Phys., vol. 79, pp. 1191-1218, 1 февраля 1996 г.) Адриан Бежан указал, что это уравнение также было получено П. Чамбадалем и И.И. Новиков раньше, чем Керзон и Альборн в 1950-е годы. Вероятно, это уравнение было заново открыто Керзоном и Альборном только в 1975 году. Поэтому некоторые ученые называют эту эффективность эффективностью Чамбадала-Новикова-Керзона-Альборна.)

    Эта модель лучше предсказывает, насколько хорошо могут работать реальные тепловые двигатели, как видно из следующей таблицы (Callen):

    (Примечание: эта таблица появилась в статье Ф.Л. Керзон и Б. Альборн, Американский журнал физики, том. 43, стр. 22-24 (1975). Книга Герберта Каллена, вероятно, скопирована с этой бумаги.)

    Эффективность электростанций
    электростанция T C (° C) T H H η) η (Carnot) η (EndOreversible) η ( Наблюдаемый)
    Угольная электростанция West Thurrock (Великобритания) 25 565 0.64 0,40 0,36
    Атомная электростанция CANDU (Канада) 25 300 0,48 0,28 0,30
    Лардерелло (Италия) геотермальная электростанция 80 250 0,33 0,178 0,16

    Как показано, эндообратимая эффективность намного точнее моделирует наблюдаемые данные.

    Усовершенствования теплового двигателя

    Инженеры тщательно изучили различные циклы тепловых двигателей, чтобы увеличить количество полезной работы, которую они могут извлечь из данного источника энергии.Предел цикла Карно не может быть достигнут ни с одним газовым циклом, но инженеры разработали как минимум два способа обойти этот предел и один способ повысить эффективность без нарушения каких-либо правил.

    1) Увеличить разницу температур в тепловом двигателе. Самый простой способ сделать это — повысить температуру горячей стороны, и этот подход используется в современных газовых турбинах с комбинированным циклом. К сожалению, производство NOx и материальные ограничения (плавление лопаток турбины) накладывают жесткие ограничения на то, насколько горячей вы можете сделать работоспособную тепловую машину.Современные газовые турбины настолько горячие, насколько это возможно, и при этом поддерживают приемлемый уровень загрязнения NOx. Еще одним способом повышения эффективности является снижение температуры на выходе. Один из новых способов сделать это — использовать смешанные химические рабочие жидкости, а затем использовать изменяющееся поведение смесей. Одним из самых известных является так называемый цикл Калины, в котором в качестве рабочей жидкости используется смесь аммиака и воды 70/30. Эта смесь позволяет циклу генерировать полезную мощность при значительно более низких температурах, чем в большинстве других процессов.

    2) Использовать физические свойства рабочей жидкости. Наиболее распространенным таким эксплойтом является использование воды выше так называемой критической точки или так называемого сверхкритического пара. Поведение жидкостей выше их критической точки радикально меняется, и с такими материалами, как вода и двуокись углерода, можно использовать эти изменения в поведении для получения большей термодинамической эффективности от тепловой машины, даже если она использует довольно обычный метод Брайтона или Ренкина. цикл. Более новым и очень перспективным материалом для таких применений является CO 2 .SO 2 и ксенон также рассматривались для таких применений, хотя SO 2 для большинства из них немного токсичен.

    3) Использовать химические свойства рабочей жидкости. Довольно новым и новым приемом является использование экзотических рабочих жидкостей с выгодными химическими свойствами. Одним из них является двуокись азота (NO 2 ), токсичный компонент смога, который имеет природный димер в виде ди-тетраоксида азота (N 2 O 4 ). При низкой температуре N 2 O 4 сжимается, а затем нагревается.Повышение температуры приводит к тому, что каждая молекула N 2 O 4 распадается на две молекулы NO 2 . Это снижает молекулярную массу рабочей жидкости, что резко повышает эффективность цикла. Как только NO 2 расширится через турбину, он охлаждается радиатором, что заставляет его рекомбинировать в N 2 O 4 . Затем он возвращается в компрессор для следующего цикла. Такие соединения, как бромид алюминия (Al 2 Br 6 ), NOCl и Ga 2 I 6 , были исследованы для таких целей.На сегодняшний день их недостатки не оправдывают их использования, несмотря на повышение эффективности, которое может быть реализовано. [3]

    Процессы теплового двигателя

    Цикл/процесс Сжатие Подвод тепла Расширение Отвод тепла
    Нормальный цикл включения при внешнем сгорании
    Карно изоэнтропический изотермический изоэнтропический изотермический
    Стерлинг изотермический изометрический изотермический изометрический
    Эрикссон изотермические изобарические изотермические изобарические
    Ранкин (Пар) адиабатический изобарный адиабатический изобарный
    Стоддард адиабатический изобарный адиабатический изобарный
    Циклы питания нормально с внутренним сгоранием
    Отто (бензин) адиабатический изометрический адиабатический изометрический
    Дизель адиабатический изобарический адиабатический изометрический
    Брайтон (Джет) адиабатический изобарный адиабатический изобарный

    Каждый процесс является одним из следующих:

    • изотермические (при постоянной температуре, поддерживаемые с добавлением или отводом тепла от источника тепла или поглотителя)
    • изобарический (при постоянном давлении)
    • изометрический/изохорный (при постоянном объеме)
    • адиабатический (во время адиабатического процесса тепло не добавляется и не отводится от системы)

    Каталожные номера

    1. ^ Ocean_thermal_energy_conversion
    2. ^ У. Концепции ядерных реакторов и термодинамические циклы
    • Kroemer, Herbert; Киттель, Чарльз (1980). Теплофизика , 2-е изд., WH Freeman Company. ISBN 0-7167-1088-9 .
    • Каллен, Герберт Б. (1985). Термодинамика и введение в термостатистику , 2-е изд., John Wiley & Sons, Inc.. ISBN 0-471-86256-8 .

    См. также

    Типы/конфигурации тепловых двигателей с использованием термодинамических циклов (энергетические циклы)
    Число ходов и разделение ходов Шеститактный двигатель Crower · Четырехтактный цикл · Однотактный цикл · Двигатель с раздельным циклом · Шеститактный двигатель · · Двухтактный цикл
    Различные типы рабочего объема
    (вкл.беспоршневой роторный двигатель)
    Роторный двигатель Britalus · Камера сгорания · Двигатель с регулируемым сгоранием · Реактивный двигатель · Орбитальный двигатель · Поршневой двигатель · Квазитурбинный · Ракетный двигатель · Поворотно-поршневой двигатель · Тороидальный двигатель · Трохилический двигатель · Двигатель Чуди · Двигатель Твингл · Двигатель Ванкеля
    Различные порты рабочего объема
    и основные формы
    Порты головки цилиндров · D-золотниковый клапан · Клапаны четырехтактного двигателя · Коллектор · Многоклапанный · Поршневой клапан · Тарельчатый клапан · Сопла ракетного двигателя · Манжетный клапан
    Различное расположение поршней Двигатель Бурка · Дельта-двигатель · Двойного действия/дифференциальный цилиндр · Двигатель с оппозитным поршнем · Радиальный двигатель · Роторный двигатель · Одноцилиндровый двигатель · Двигатель Штелцера · Прямой двигатель
    Различные основные вращательные движения
    механизмов или дуги к (или даже
    почти) поршни туда-сюда.
    Кулачок · Шатун · Роторный двигатель Кумбера [9] · Заменитель кривошипа двигателя [10] · Коленчатый вал · Рычажный механизм Эванса [11] · Параллельное движение · Рычажный механизм Поселье-Липкина · Поршневой шток · QRMC Stirling/HydraLink [12] · Вращающийся цилиндр двигатель · Ромбический привод · Вилка кулисного механизма · Секторная прямолинейная связь [13] · Автомат перекоса · Двигатель автомата перекоса · Рычажный механизм Уатта
    Односторонние стопорно-поворотные механизмы движения наподобие вращательных
    механизмов движения к вращению.
    Тороидальный двигатель · Трохильный двигатель

    Эффективность и тепловые двигатели

    Эффективность и тепловые двигатели


    Тепловые двигатели

    Что такое тепловая машина? Это любое устройство, которое преобразует теплоту в полезную работу.Например, часть химической энергии угля высвобождается при его сжигании в воздухе. Тепло от процесса сгорания можно использовать для нагрева воды в котле и для привода турбины. Это, в свою очередь, приводит в действие генератор для производства электроэнергии.

    Передача энергии от химической энергии к электричеству не полностью эффективна. Некоторое количество энергии теряется на каждом этапе, так как отработанное тепло теряется из системы.

    На приведенной выше диаграмме:

    • Газы, выходящие из дымовой трубы, горячее воздуха, поступающего в систему,
    • Вода для охлаждения конденсатора, сбрасываемая в реку, горячее речной воды, подаваемой на электростанцию,
    • Все компоненты установки нагреваются и выделяют избыточное тепло за счет излучения.

    Любой двигатель, преобразующий тепловую энергию в работу, можно представить на схеме ниже. Максимальное количество работы — это теплота, отводимая двигателем. Это разница между произведенным теплом (Q ч ) и отработанным теплом (Q c ).

    Если бы не было отработанного тепла, работа была бы равна произведенному теплу, а КПД W/Q ч был бы 1 или 100%. Максимальный КПД всегда меньше из-за второго закона.Разделив обе части вышеприведенного уравнения на Q ч , мы получим выражение для максимального КПД тепловой машины: Мы можем соотнести КПД с теплотой, выделяемой двигателем, Т ч , и теплотой, выделяемой в выхлопных газах, Т c . Поскольку энтропия (Q/T) увеличивается
      Q c /T c > Q h /T h и Q c /Q h > T > T

    Таким образом, эффективность тепловой машины связана с температурой котла и температурой конденсатора типичной электростанции (или любой другой тепловой машины).
    W/Q h c/T h

    Типовой КПД тепловых двигателей

    Основываясь на приведенном выше уравнении, мы можем рассчитать максимальный КПД типовых электростанций и других тепловых двигателей, если мы знаем температуру двигателя/котла и температуру выбрасываемого газа или жидкого теплоносителя.
    1. Турбина, работающая на угле, 40 %
    2. атомная турбина, 30 %
    3. газовая турбина + паровая турбина, 80 %
    4. двигатель внутреннего сгорания, 18-20 %
    Назад Компас Таблицы Показатель Введение Следующий

    Тепловой двигатель — Javatpoint

    Мы знаем, что теплота — это форма энергии, и система может получать энергию либо за счет выделения тепла, либо за счет некоторой механической работы.Двигатель – это машина, предназначенная для преобразования одного вида энергии в другой. Таким образом, тепловой двигатель — это двигатель, который отбирает у тела некоторую тепловую энергию при более высокой температуре, часть этой энергии преобразует в механическую работу и отдает ее телу при более низкой температуре.

    Диаграмма, представляющая основную деятельность тепловой машины, показана ниже:

    Можно также сказать, что концепция тепловой машины основана на первом законе термодинамики . Согласно закону, системе может быть сообщено количество энергии либо за счет теплоты, либо за счет механической работы.

    Основным преимуществом тепловых двигателей является то, что они могут использовать различные процессы, такие как потребление и трение для преобразования различных форм энергии в тепловую энергию.

    Здесь мы обсудим КПД теплового двигателя , типы теплового двигателя , и примеры теплового двигателя .

    Эффективность тепловой машины

    Предположим, что количество теплоты от высокотемпературного тела равно Q1, работа, совершаемая W, и теплота, отданная системой низкотемпературному телу, равна Q2.Система не наблюдает никаких изменений, если конечное состояние системы такое же, как и ее начальное состояние. Согласно первому закону термодинамики, мы можем написать уравнение как:

    Вт = Q1 — Q2

    КПД = работа, совершаемая двигателем/тепло, подведенное к нему

    = Вт/кв1

    = Q1 — Q2/Q1

    = 1 — Q2/Q1

    Давайте теперь обсудим типы и примеры тепловых двигателей.

    Типы тепловых двигателей

    Типы тепловых двигателей классифицируются как:

    1. Двигатель внутреннего сгорания
    2. Двигатель внешнего сгорания

    Давайте обсудим это подробно.

    Двигатель внутреннего сгорания

    Сгорание относится к сжиганию топлива. Когда топливо сгорает внутри системы, это называется двигателем внутреннего сгорания. В качестве источника тепловой энергии обычно используется бензин или дизель . Двигатель внутреннего сгорания производит работу, сжигая топливо, создавая среду высокого давления. Произведенная работа далее используется для запуска турбины/поршня, который преобразует тепловую энергию топлива в механическую энергию.

    Поршень в тепловых двигателях движется вверх и вниз, и одно движение поршня в любом направлении известно как ход . Большинство транспортных средств бывают двухтактными или четырехтактными, а четырехтактные двухколесные или четырехколесные транспортные средства называются : впуск, сжатие, сгорание, и , такт выпуска .

    Двумя распространенными типами двигателей внутреннего сгорания являются бензиновые двигатели и дизельные двигатели.

    Преимущества

    Преимущества двигателя внутреннего сгорания следующие:

    • Низкая начальная стоимость
    • Компактный размер
    • Повышенная эффективность
    • Высокое соотношение мощности и веса
    • Меньше времени запуска
    • Безопасная эксплуатация

    Недостатки

    Недостатки двигателя внутреннего сгорания следующие:

    • Дорогостоящее топливо (бензин, дизельное топливо или любое другое ископаемое топливо)
    • Не подходит для крупномасштабного производства электроэнергии.
    • Высокие выбросы двигателя
    • Требует тщательного ухода.

    Двигатель внешнего сгорания

    Сгорание относится к сжиганию топлива. Когда топливо сгорает вне системы, это называется двигателем внешнего сгорания. Двигатель внешнего сгорания производит работу за счет сжигания топлива, которое далее передается вторичной жидкости. Такая рабочая жидкость размещается внутри системы. Такая жидкость воздействует на механизм двигателя внутреннего сгорания и производит работу.

    Жидкость после использования не выбрасывается, а перерабатывается и используется повторно.

    Источником тепла как для двигателя внешнего сгорания, так и для двигателя внутреннего сгорания является сгорание .

    Типичным примером двигателя внешнего сгорания является паровая машина.

    Преимущества

    Преимущества двигателя внешнего сгорания следующие:

    • Можно использовать любой вид топлива
    • Подходит для работы в высокогорных районах.
    • Низкий уровень выбросов двигателя, более управляемый и эффективный по сравнению с двигателем внутреннего сгорания.

    Недостатки

    Недостатки двигателя внешнего сгорания следующие:

    • Размер двигателя сравнительно большой.
    • Не рекомендуется при низкой нагрузке.
    • Для передачи энергии требуется больше компонентов, таких как котел. Таким образом, он становится тяжелым.

    Примеры тепловых двигателей

    1. Двигатель Карно
    2. Паровой двигатель
    3. Испарительные тепловые двигатели
    4. Бензиновый двигатель
    5. Дизельный двигатель

    Давайте обсудим небольшое описание выше перечисленных примеров тепловой машины.

    Двигатель Карно

    Двигатель

    Карно — теоретический двигатель. Работа двигателя Карно основана на цикле Карно, состоящем из четырех состояний. Состояния названы как Обратимое изотермическое расширение, Обратимое адиабатическое расширение, Обратимое изотермическое сжатие и Изэнтропическое сжатие . Эти стадии описывают процессы превращения теплоты в работу. Карно также утверждает, что двигателю требуется горячее тело, которое действует как источник энергии для двигателя и передает эту энергию холодному телу для выполнения некоторой механической работы.Концепция теплообмена основана на втором законе термодинамики.

    Паровой двигатель

    Как следует из названия, паровой двигатель получает энергию от пара. Таким образом, паровая машина представляет собой тепловую машину, забирающую теплоту пара (парообразная форма жидкости) и преобразующая часть ее в механическую энергию. Вырабатываемая энергия используется для движения поршня, который в дальнейшем используется для запуска различных объектов, таких как поезд.

    КПД паровых двигателей колеблется примерно от 3 % до 10 %, что меньше, чем у других двигателей.Но паровые турбины сегодня широко используются для производства энергии из-за их высокой эффективности. Следовательно, расширение пара в таких турбинах происходит непрерывно.

    Сегодня паровые двигатели бывают разных типов, но концепция производства энергии остается неизменной.

    Испарительные тепловые двигатели

    Испарительная тепловая машина работает при пониженном давлении за счет испарительного охлаждения сухого воздуха. Помимо производства энергии в жарком засушливом климате, испарительный тепловой двигатель также может использоваться в качестве испарительного охладителя.Он также может хорошо работать на отработанном тепле промышленных предприятий. Преимущество испарительного теплового двигателя заключается в том, что он лучше всего работает в жарком и сухом климате.

    Бензиновый двигатель

    Бензиновый двигатель

    также известен как двигатель Отто , потому что он был разработан Николаусом Августом Отто, немецким инженером. Смесь бензина и воздуха вводится в главный цилиндр, изготовленный из стали. В таких двигателях свеча зажигания размещается в главном цилиндре и производит электрические искры, и эти искры сжигают бензино-воздушную смесь.

    Дизельный двигатель

    В дизельном двигателе в качестве топлива используется дизельное топливо, и его конструкция и работа аналогичны бензиновому двигателю. Топливо легко воспламеняется из-за высоких температур, что приводит к движению поршня с большей силой. Таким образом, получается большое количество механической энергии.

    Часто задаваемые вопросы

    Давайте обсудим некоторые часто задаваемые вопросы.

    Вопрос 1: Какая экологически чистая альтернатива маслам, используемым в тепловом двигателе, недавно была предложена?

    Решение : Батареи

    Для экономии масла в различных двигателях в качестве экологически чистой альтернативы рекомендуются аккумуляторы.Он также хранит энергию и действует как резервная копия, когда нет электричества.

    Вопрос 2: КПД тепловых двигателей составляет 100 %?

    Решение : Ни одна система не эффективна на 100 %. Из-за некоторых практических ограничений КПД тепловых двигателей колеблется от 30 до 50 %.

    Вопрос 3: В чем основное различие между теплом и температурой?

    Решение : Температура определяет среднюю кинетическую энергию и измеряется в градусах Кельвина, Цельсия и Фаренгейта.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *