Работа совершенная двигателем внутреннего сгорания: КПД теплового двигателя — урок. Физика, 8 класс.

Работа совершаемая двигателем. Принцип действия тепловых машин. тепловые двигатели. кпд тепловых двигателей. экологические проблемы использования тепловых двигателей. О топливной эффективности дизеля

КПД характеризует эффективность двигателя в сфере преобразования и передачи энергии. Этот показатель часто измеряется в процентах. Формула КПД:

η*A/Qx100 %, где Q — затраченная энергия, А — полезная работа.

Исходя из закона сохранения энергии, можно сделать вывод, что КПД будет всегда меньше единицы. Другими словами, полезной работы никогда не будет больше, чем на нее затрачено энергии.

КПД двигателя — это отношение полезной работы к энергии, сообщенной нагревателем. Его можно представить в виде такой формулы:

η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1 , где Q 1 — теплота, полученная от нагревателя, а Q 2 — отданная холодильнику.

Работа теплового двигателя

Работа, совершаемая тепловым двигателем, рассчитывается по такой формуле:

A = |Q H | — |Q X |, где А — работа, Q H — количество теплоты, получаемое от нагревателя, Q X — количество теплоты, отдаваемое охладителю.

|Q H | — |Q X |)/|Q H | = 1 — |Q X |/|Q H |

Он равняется отношению работы, которую совершает двигатель, к количеству полученной теплоты. Часть тепловой энергии при этой передаче теряется.

Двигатель Карно

Максимальное КПД теплового двигателя отмечается у прибора Карно. Это обусловлено тем, что в указанной системе он зависит только лишь от абсолютной температуры нагревателя (Тн) и охладителя (Тх). КПД теплового двигателя, работающего по определяется по следующей формуле:

(Тн — Тх)/ Тн = — Тх — Тн.

Законы термодинамики позволили высчитать максимальный КПД, который возможен. Впервые этот показатель вычислил французский ученый и инженер Сади Карно. Он придумал тепловую машину, которая функционировала на идеальном газу. Она работает по циклу из 2 изотерм и 2 адиабат. Принцип ее работы довольно прост: к сосуду с газом подводят контакт нагревателя, вследствие чего рабочее тело расширяется изотермически. При этом оно функционирует и получает определенное количество теплоты. После сосуд теплоизолируют. Несмотря на это, газ продолжает расширяться, но уже адиабатно (без теплообмена с окружающей средой). В это время его температура снижается до показателей холодильника. В этот момент газ контактирует с холодильником, вследствие чего отдает ему определенное количество теплоты при изометрическом сжатии. Потом сосуд снова теплоизолируют. При этом газ адиабатно сжимается до первоначального объема и состояния.

Разновидности

В наше время существует много типов тепловых двигателей, которые работают по разным принципам и на различном топливе. У всех у них свой КПД. К ним относятся следующие:

Двигатель внутреннего сгорания (поршневой), представляющий собой механизм, где часть химической энергии сгорающего топлива переходит в механическую энергию. Такие приборы могут быть газовыми и жидкостными. Различают 2- и 4-тактные двигатели. У них может быть рабочий цикл непрерывного действия. По методу приготовления смеси топлива такие двигатели бывают карбюраторными (с внешним смесеобразованием) и дизельными (с внутренним). По видам преобразователя энергии их разделяют на поршневые, реактивные, турбинные, комбинированные. КПД таких машин не превышает показателя в 0,5.

Двигатель Стирлинга — прибор, в котором рабочее тело находится в замкнутом пространстве. Он является разновидностью двигателя внешнего сгорания. Принцип его действия основан на периодическом охлаждении/нагреве тела с получением энергии вследствие изменения его объема. Это один из самых эффективных двигателей.

Турбинный (роторный) двигатель с внешним сгоранием топлива. Такие установки чаще всего встречаются на тепловых электрических станциях.

Турбинный (роторный) ДВС используется на тепловых электрических станциях в пиковом режиме. Не так сильно распространен, как другие.

Турбиновинтовой двигатель за счет винта создает некоторую часть тяги. Остальное он получает за счет выхлопных газов. Его конструкция представляет собой роторный двигатель на вал которого насаживают воздушный винт.

Другие виды тепловых двигателей

Ракетные, турбореактивные и которые получают тягу за счет отдачи выхлопных газов.

Твердотельные двигатели используют в качестве топлива твердое тело. При работе изменяется не его объем, а форма. При эксплуатации оборудования используется предельно малый перепад температуры.

Как можно повысить КПД

Возможно ли повышение КПД теплового двигателя? Ответ нужно искать в термодинамике. Она изучает взаимные превращения разных видов энергии. Установлено, что нельзя всю имеющуюся механическую и т. п. При этом преобразование их в тепловую происходит без каких-либо ограничений. Это возможно из-за того, что природа тепловой энергии основана на неупорядоченном (хаотичном) движении частиц.

Чем сильнее разогревается тело, тем быстрее будут двигаться составляющие его молекулы. Движение частиц станет еще более беспорядочным. Наряду с этим все знают, что порядок можно легко превратить в хаос, который очень трудно упорядочить.

Наша сегодняшняя встреча посвящена тепловым двигателям. Именно они приводят в движение большинство видов транспорта, позволяют получать электроэнергию, несущую нам тепло, свет и комфорт. Как устроены и каков принцип действия тепловых машин?

Понятие и виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели — устройства, обеспечивающие превращение химической энергии топлива в механическую работу.

Осуществляется это следующим образом: расширяющийся газ давит либо на поршень, вызывая его перемещение, либо на лопасти турбины, сообщая ей вращение.

Взаимодействие газа (пара) с поршнем имеет место в , карбюраторных и дизельных двигателях (ДВС).

Примером действия газа, создающим вращение является работа авиационных турбореактивный двигателей.

Структурная схема работы теплового двигателя

Несмотря на отличия в их конструкции, все тепловые машины имеют нагреватель, рабочее вещество (газ или пар) и холодильник.

В нагревателе происходит сгорание топлива, в результате чего выделяется количество теплоты Q1, а сам нагреватель при этом нагревается до температуры T1. Рабочее вещество, расширяясь, совершает работу A.

Но теплота Q1 не может полностью превратится в работу.

Определенная ее часть Q2 через теплопередачу от нагревшегося корпуса, выделяется в окружающую среду, условно называемую холодильником с температурой T2.

О паровых двигателях

Хронология этого изобретения ведёт свой отсчёт от эпохи Архимеда, придумавшего пушку, стрелявшую с помощью пара. Затем следует череда славных имён, предлагавших свои проекты. Наиболее эффективный вариант устройства принадлежит русскому изобретателю Ивану Ползунову. В отличие от своих предшественников он предложил непрерывный ход рабочего вала за счёт использования попеременной работы 2-х цилиндров.

Сгорание топлива и образование пара у паровых машин происходит вне рабочей камеры. Поэтому их называют двигателями внешнего сгорания.

По такому же принципу образуется рабочее тело в паровых и газовых турбинах. Их далеким прообразом явился шар, вращаемый паром. Автором этого механизма был учёный Герон, творивший свои машины и приборы, в древней Александрии.

О двигателях внутреннего сгорания

В конце XIX века немецким

конструктором Августом Отто была предложена конструкция ДВС с карбюратором, где приготавливается топливовоздушная смесь.

Остановимся более подробно на его работе. Каждый цикл работы состоит из 4-х тактов: впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.

Во время первого такта горючая смесь впрыскивается в цилиндр и сжимается поршнем. Когда компрессия достигает максимума, срабатывает система электроподжига (искра от свечи). В результате этого микровзрыва температура в камере сгорания достигает 16 000 — 18 000 градусов. Образующиеся газы давят на поршень, толкают его, проворачивая соединенный с поршнем коленчатый вал. Это и есть рабочий ход, приводящий автомобиль в движение.

А охладившиеся газы через выпускной клапан выбрасываются в атмосферу. Пытаясь улучшить эффективность работы устройства, разработчики увеличивали степень сжатия горючей смеси, но тогда она самовоспламенялась «досрочно».

Немецкий инженер Дизель нашел интересный выход из этого затруднения…

В цилиндрах дизеля за счёт движения поршня сжимается чистый воздух. Это позволило в несколько раз увеличить степень сжатия. Температура в камере сгорания достигает 900 град. В конце такта сжатия туда впрыскивается солярка. Её мелкие капли, смешавшись со столь разогретым воздухом, самовоспламеняются. Образующиеся газы, расширяясь, давят на поршень, осуществляя рабочий ход.

Итак, дизельные двигатели отличаются от карбюраторных:

• По роду используемого топлива. Карбюраторные двигатели — бензиновые. Дизельные — потребляют исключительно солярку.
• Дизель на 15–20 % экономичнее карбюраторных двигателей за счёт большей степени сжатия, но его обслуживание дороже, чем у его соперника — бензинового двигателя.
• В числе минусов дизеля — в холодные российские зимы солярка загустевает, нужен её подогрев.
• Последние исследования американских учёных показали, что выбросы от дизельных двигателей по составу менее вредны, чем от их бензиновых аналогов.

Многолетняя конкуренция между двумя видами ДВС завершилась распределением сферы их использования. Дизельные двигатели как более мощные устанавливаются на морском транспорте, на тракторах и автомобилях большой грузоподъёмности, а карбюраторные — на автомобили малой и средней грузоподъемности, на моторные лодки, мотоциклы и т. д.

Коэффициент полезного действия (КПД)

Эффективность эксплуатации любого механизма определяется его КПД. Паровой двигатель, выпускающий отработанный пар в атмосферу, имеет весьма низкий КПД от 1 до 8%, бензиновые двигатели до 30%, обычный дизельный двигатель до 40%. Безусловно, во все времена инженерная мысль не останавливалась и искала пути повышения КПД.

Талантливый французский инженер Сади Карно разработал теорию работы идеального теплового двигателя.

Его рассуждения были следующими: чтобы обеспечить повторяемость циклов, необходимо, чтобы расширение рабочего вещества при нагревании сменялось его сжатием до первоначального состояния. Этот процесс может совершаться только за счёт работы внешних сил. Причём работа этих сил должна быть меньше полезной работы самого рабочего тела. Для этого следует понизить его давление путём охлаждения в холодильнике. Тогда график всего цикла будет иметь вид замкнутого контура, он то и стал называться циклом Карно. Максимальный КПД идеального двигателя вычисляется по формуле:

Где η сам коэффициент полезного действия, T1 и T2 абсолютные температуры нагревателя и холодильника. Они вычисляются по формуле T= t+273, где t температура по Цельсию. Из формулы видно, что для увеличения КПД необходимо увеличить температуру нагревателя, что ограничено жаропрочностью материала, или понизить температуру холодильника. Максимальный КПД будет при Т= 0К, что также технически неосуществимо.

Реальный коэффициент всегда меньше КПД идеального теплового двигателя. Сравнивая реальный коэффициент с идеальным, можно определить резервы для совершенствования имеющегося двигателя.

Работая в этом направлении, конструкторы снабдили бензиновые двигатели последнего поколения инжекторными системами подачи топлива (впрыскивателями). Это позволяет с помощью электроники добиться его полного сгорания и соответственно увеличить КПД.

Изыскиваются пути уменьшения трения соприкасающихся деталей двигателя, а также улучшения качества используемого топлива.

Прежде природа угрожала человеку, а теперь человек угрожает природе

Со следствиями неразумной деятельности человека приходится сталкиваться уже нынешнему поколению. И значительный вклад в нарушение хрупкого равновесия природы вносит огромный объём тепловых двигателей, используемых на транспорте, в сельском хозяйстве, а также паровых турбин электростанций.

Это вредное воздействие проявляется в колоссальных выбросах и повышении содержания углекислого газа в атмосфере. Процесс сгорания топлива сопровождается потреблением атмосферного кислорода в таких масштабах, что это превышает его выработку всей земной растительностью.

Значительная часть тепла от двигателей рассеивается в окружающей среде. Этот процесс, усугубляемый парниковым эффектом, приводит к повышению среднегодовой температуры на Земле. А глобальное потепление чревато катастрофическими последствиями для всей цивилизации.

Чтобы ситуация не усугублялась, необходима эффективная очистка, отработанных газов, переход на новые экологические стандарты, предъявляющие более жёсткие требования к содержанию вредных веществ в выхлопных газах.

Очень важно использовать только качественное топливо. Хорошие перспективы ожидаются от использования в качестве горючего водорода, поскольку при его сгорании вместо вредных выбросов образуется вода.

В недалеком будущем значительная часть автомобилей, работающих на бензине, будет заменена электромобилями.

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя

Двигатель, в котором происходит превращение внутренней энергии топлива, которое сгорает, в механическую работу.

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: нагревателя , рабочего тела (газ, жидкость и др.) и холодильника . В основе работы двигателя лежит циклический процесс (это процесс, в результате которого система возвращается в исходное состояние).

Прямой цикл теплового двигателя

Общее свойство всех циклических (или круговых) процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q 1 (происходит расширение) и отдает холодильнику количество теплоты Q 2 , когда возвращается в исходное состояние и сжимается. Полное количество теплоты Q=Q 1 -Q 2 , полученное рабочим телом за цикл, равно работе, которую выполняет рабочее тело за один цикл.

Обратный цикл холодильной машины

При обратном цикле расширение происходит при меньшем давлении, а сжатие — при большем. Поэтому работа сжатия больше, чем работа расширения, работу выполняет не рабочее тело, а внешние силы. Эта работа превращается в теплоту. Таким образом, в холодильной машине рабочее тело забирает от холодильника некоторое количество теплоты Q 1 и передает нагревателю большее количество теплоты Q 2 .

Коэффициент полезного действия

Прямой цикл:

Показатель эффективности холодильной машины:

Цикл Карно

В тепловых двигателях стремятся достигнуть наиболее полного превращения тепловой энергии в механическую. Максимальное КПД.

На рисунке изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном двигателе и в дизельном двигателе. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30%, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Французский физик С.Карно разработал работу идеального теплового двигателя. Рабочую часть двигателя Карно можно представить себе в виде поршня в заполненном газом цилиндре. Поскольку двигатель Карно — машина чисто теоретическая, то есть идеальная , силы трения между поршнем и цилиндром и тепловые потери считаются равными нулю. Механическая работа максимальна, если рабочее тело выполняет цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот цикл называют циклом Карно .

участок 1-2: газ получает от нагревателя количество теплоты Q 1 и изотермически расширяется при температуре T 1
участок 2-3: газ адиабатически расширяется, температура снижается до температуры холодильника T 2
участок 3-4: газ экзотермически сжимается, при этом он отдает холодильнику количество теплоты Q 2
участок 4-1: газ сжимается адиабатически до тех пор, пока его температура не повысится до T 1 .
Работа, которую выполняет рабочее тело — площадь полученной фигуры 1234.

Функционирует такой двигатель следующим образом:

1. Сначала цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром, и идеальный газ расширяется при постоянной температуре. На этой фазе газ получает от горячего резервуара некое количество тепла.
2. Затем цилиндр окружается идеальной теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется, и газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.
3. На третьей фазе теплоизоляция снимается, и газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.
4. Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией, и газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого теплоизоляция удаляется и цикл повторяется вновь с первой фазы.

Работа, совершаемая двигателем, равна:

Впервые этот процесс был рассмотрен французским инженером и ученым Н. Л. С. Карно в 1824 г. в книге «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».

Целью исследований Карно было выяснение причин несовершенства тепловых машин того времени (они имели КПД ≤ 5 %) и поиски путей их усовершенствования.

Цикл Карно — самый эффективный из всех возможных. Его КПД максимален.

На рисунке изображены термодинамические процес-сы цикла. В процессе изотермического расширения (1-2) при температуре T 1 , работа совершается за счет измене-ния внутренней энергии нагревателя, т. е. за счет подве-дения к газу количества теплоты Q :

A 12 = Q 1 ,

Охлаждение газа перед сжатием (3-4) происходит при адиабатном расширении (2-3). Изменение внутренней энергии ΔU 23 при адиабатном процессе (Q = 0 ) полностью преобразуется в механическую работу:

A 23 = -ΔU 23 ,

Температура газа в результате адиабатического рас-ширения (2-3) понижается до температуры холодильни-ка T 2 T 1 . В процессе (3-4) газ изотермически сжимает-ся, передавая холодильнику количество теплоты Q 2 :

A 34 = Q 2 ,

Цикл завершается процессом адиабатического сжатия (4-1), при котором газ нагревается до температуры Т 1 .

Максимальное значение КПД тепловых двигателей, работающих на идеальном газе, по циклу Карно:

.

Суть формулы выражена в доказанной С . Карно теореме о том, что КПД любого теплового двигателя не может превышать КПД цикла Карно, осуществляемого при той же температуре нагревателя и холодильника.

Тепловые двигатели. Двигатель внутреннего сгорания

Цель:

1. Рассмотреть применение закона сохранения и превращения энергии в тепловых двигателях.
2. Познакомиться с историей создания автомобиля и паровоза.
3. Познакомить учащихся с физическими принципами действия тепловых двигателей на примере ДВС.

План.

1. Подготовка к изучению нового материала:

Жизнь невозможна без использования различных видов энергии.

? Какие виды энергии вы знаете?

Источниками энергии являются различные виды топлива, энергия ветра, солнечная энергия, энергия приливов и отливов.

Поэтому существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой.

Демонстрация: В литературе встречается описание паровой машины английского изобретателя Т. Севери, созданной в 1698 г. и предназначенной для откачивания воды из шахт. Демонстрация модели Т. Севери:

Рисунок 1.

Рисунок 2.

? Преобразование, какой энергии, в какую мы наблюдаем в данном опыте?

Тепловая энергия преобразуется в механическую работу.

Учитель: Мы рассмотрели модель паровой машины. Паровая машина один из видов тепловых двигателей.

Записывает тему урока: Тепловые двигатели. Двигатель внутреннего сгорания.

? Что такое тепловой двигатель?

2. Изучение нового материала:

1) Тепловым двигателем называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

? какие виды тепловых двигателей вы знаете?

В процессе совершения работы часть внутренней энергии газа превращается в механическую энергию движущихся частей двигателя.

Совершая работу, тепловой двигатель использует лишь некоторую часть той энергии, которая выделяется при сгорании топлива.

Закрепление:

Огнем дышит,
Полымем пышет (ружье).

? Можно ли считать ружье тепловым двигателем?

При сгорании внутренняя энергия пороха превращается в механическую энергию.

2) Любой двигатель характеризуется величиной КПД.

ή (эта) – КПД,

ή =·100%

где Q – количество теплоты, полученное в результате сгорания топлива, Дж;
А – работа, совершенная двигателем, Дж.

А < Q → КПД < 100%

Характеристики тепловых двигателей.

Двигатели	Мощность, кВт	КПД, %
ДВС: карбюраторный; дизельный. Турбины: паровая; газовая. Реактивный.	1 – 200 15 – 2200 3•105 12•105 3•107	≈ 25 ≈ 35 ≈ 30 ≈ 27 ≈ 80

Закрепление:

1. Один из учеников при решении получил ответ, что КПД теплового двигателя равен 200%. Правильно ли ученик решил задачу?
2. КПД теплового двигателя 45%. Что означает это число?
   (45% идет на полезную работу, а 55% тратится впустую на обогрев атмосферы, двигателя и т.д.).

3) Если проследить историю развития тепловых машин, современные машины имеют достаточно высокий КПД.

Заглянем в историю.

Первые тепловые двигатели были построены в конце 18 века – это были тепловые машины.

Сообщение учащихся: «Первые паровые машины. Паровые машины Джеймса Уатта».

Учитель: Пропагандируя использование паровых машин, Джеймс Уатт тем не менее был противником их использования на транспорте. Но прогресс нельзя остановить. В 1770 году Ж. Кюньо построил первую самодвижущуюся тележку …

Сообщение учащихся: «Изобретение автомобиля».

Учитель: Следующий этап в развитии техники был связан с изобретением …

Загадка: Железные избушки держатся друг за дружку. Одна с трубой тянет всех за собой? (Поезд).

Сообщение учащихся: «Изобретение паровоза».

Учитель: В современных тепловозах и автомобилях применяются ДВС. Первый ДВС изобрел француз Э. Ленуар, КПД=3%. Спустя 18 лет немецкий изобретатель Н. Отто создал ДВС, который работал по четырехтактной схеме.

4) ДВС.

? Какой двигатель называют двигателем внутреннего сгорания?

Учитель: Свое название он получил из-за того, что топливо в нем сжигалось не снаружи, а внутри цилиндра двигателя.

Сообщение учащихся: видео зарисовка учащихся – современные ДВС.

Учитель: Теперь познакомимся с устройством и принципом действия ДВС (используя модель или видеофрагмент).

? Из каких основных частей состоит простейший ДВС?
? Как называется каждый такт ДВС?
? Опишите принцип действия четырехтактного ДВС (используя модель)?

Рисунок 3. 

5) Учитель: при использовании тепловых машин остро встает вопрос загрязнения окружающей среды. При сжигании топлива в атмосферу попадает очень много вредных выбросов. К ним можно отнести СО₂ , СО, различные виды сернистых соединений, а так соединения тяжелых металлов.

Сообщение учащихся: Практическая работа по определению уровня загрязнения в районе школы.

Учитель: Большую часть механической и электрической энергии вырабатывают тепловые двигатели. Пока равноценной замены им нет. В то же время тепловые двигатели оказывают отрицательное влияние на окружающую среду и условия существования человека на Земле.

Что бы вы предложили для решения проблемы загрязнения окружающей среды тепловыми двигателями?

3. Домашнее задание.

Написать сочинение «Тепловые двигатели будущего».

4. Подведение итогов урока.

КПД теплового двигателя

На прошлых уроках мы познакомились с явлением превращения внутренней энергии в механическую на примере тепловых машин, в частности двигателя внутреннего сгорания и паровой турбины.

Однако не следует думать, что вся энергия, передаваемая нагревателю рабочим телом, уходит на совершение полезной работы. В тепловом двигателе превращается в механическую энергию только часть энергии, которую рабочее тело получает от нагревателя. Часть энергии передаётся холодильнику, а ещё часть энергии идёт на совершение работы против сил сопротивления.

Если обозначить количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя Q₁, а количество теплоты, отданное холодильнику — Q₂, то работа, совершённая двигателем, будет равна: A = Q₁ – Q₂.

Отношение совершённой двигателем работы к количеству теплоты, полученному им от нагревателя называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД):

Коэффициент полезного действия показывает, какая часть энергии, полученная от нагревателя, пошла на совершение работы.

Поскольку количество теплоты, отданное нагревателем, всегда больше количества теплоты, которое получил холодильник, то очевидно, что коэффициент полезного действия не может быть больше единицы. Поэтому его часто выражают в процентах.

Учёные и инженеры многое сделали для повышения эффективности тепловых двигателей. Так, например, коэффициент полезного действия первых паровых машин составлял всего около 1%, а КПД современных тепловых двигателей составляет от 20% до 40%. Таков же примерно и КПД паровых турбин на тепловых электростанциях.

Из формулы следует, что для повышения коэффициента полезного действия теплового двигателя необходимо увеличить количество теплоты, которое он получает от нагревателя, и уменьшить количество теплоты, отдаваемое холодильнику.

Для большего понимания рассмотрим решение следующей задачи. В топке котла паровой турбины расходуется 350 г дизельного топлива на 1 кВт ∙ ч энергии. Вычислите КПД турбины.

Как вы могли заметить, в тепловых двигателях происходит передача некоторого количества теплоты от нагревателя холодильнику и при этом совершается работа. Но существуют такие тепловые машины, в которых осуществляется обратный процесс, то есть теплота передаётся от холодильника нагревателю. Работа в этом случае совершается внешними силами. Такие тепловые машины называют холодильными машинами или просто холодильниками. Первые холодильные установки были разработаны в тысяча восемьсот семьдесят четвёртом году К. Линде.

Очевидно, что для совершения внешними силами работы над рабочим телом необходимы затраты энергии. Так при работе бытового холодильника затрачивается электрическая энергия.

План «КПД теплового двигателя»

Тема урока в 8 классе «КПД теплового двигателя»

Цели: Образовательная: ввести понятие КПД тепловых двигателей; знать основные способы увеличения КПД тепловых двигателей, способы защиты окружающей среды от загрязнения выхлопными газами; на примере отдельных двигателей, их КПД и области применения осуществить политехническое воспитание; привить самостоятельность в поиске новых знаний. Привитие интереса к предмету; демонстрация применимости в жизни знаний, получаемых на различных уроках; вовлечение каждого ученика в активный познавательный процесс; выработка предметных компетенций. Воспитательная: воспитание внимательного, доброжелательного отношения к ответам одноклассников. Развивающая: развитие умений и способностей учащихся работать самостоятельно; расширение кругозора; повышение эрудиции; развивать умения творчески подходить к решению задач; развитие умений выступления перед аудиторией.

Структура урока:

1. Постановка учебной цели.

2. Проверка домашнего задания.

3. Изучение нового материала.

4. Закрепление .

Домашнее задание: п.24, вопросы. Задание 5

Оборудование: мультимедиа; презентация PowerPoint

Ход урока

I. Организационный момент.

II. Проверка домашнего задания.

На прошлом уроке мы с вами разобрали понятия тепловых машин, их виды. Давайте повторим пройденный материал.

Устный опрос по вопросам:

1. Приведите примеры превращения внутренней энергии пара в механическую энергию тела.

2. Какие двигатели называют тепловыми?

3. Какие виды тепловых двигателей вам известны?

4. Какие переходы и превращения энергии происходят в них?

5. Какой двигатель называют двигателем внутреннего сгорания?

6. Пользуясь рисунком 24,расскажите,из каких основных частей состоит простейший двигатель внутреннего сгорания.

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

8. За сколько ходов, или тактов, происходит один рабочий цикл двигателя?

9. Какие процессы происходят в двигателе в течение каждого из четырёх тактов? Как называют эти такты?

10. Какую роль играет маховик в двигателе внутреннего сгорания?

11. Какие двигатели внутреннего сгорания чаще всего применяют в автомобилях?

12. Где ещё, кроме автомобилей, применяют двигатели внутреннего сгорания?

13. Какую роль играет маховик в двигателе внутреннего сгорания?

14. Какие двигатели внутреннего сгорания чаще всего применяют в автомобилях?

15. Где ещё, кроме автомобилей, применяют двигатели внутреннего сгорания?

16. Какие тепловые двигатели называют паровыми турбинами?

17. В чём отличие в устройстве турбин и поршневых машин?

18. Пользуясь рисунком 26,расскажите, из каких частей состоит паровая турбина и как она работает.

III. Изучение нового материала. Мы знаем, что любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию внутреннюю. Как вы думаете, вся ли тепловая энергия превращается в тепловых двигателях в механическую энергию? Обобщая ответы ребят, отмечаю, что любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только часть той энергии, которая выделяется топливом, т.к. пар или газ, совершив работу, еще обладает энергией.

Схема работы теплового двигателя

Нагреватель-топливо; рабочее тело-газ; холодильник- окружающая среда, части механизма

Q₁-количество теплоты, полученное от нагревателя

Q₂-количество теплоты, отданное холодильнику

А= IQ₁I-IQ₂I -работа, совершаемая двигателем

Для оценки теплового двигателя важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом превращает в полезную работу. Чем больше работа полезная, тем двигатель экономичнее. Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие КПД двигателя, с которым мы сегодня познакомимся.

Физическая величина, показывающая, какую долю составляет совершаемая двигателем работа от энергии, полученной при сгорании топлива, называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя.

КПД теплового двигателя находят по формуле(слайды 9,10):

h = (А / Q₁ ) 100% ; h = ( Q₁—Q₂ / Q₁ ) 100%

Кроме того КПД теплового двигателя можно вычислять по формулам:

h = А _п/ А_{з h = Qп/ Qз} h = N_п/ N_з

h< 1 ВСЕГДА! h< 100%

Рассмотрим характеристики некоторых, наиболее используемых тепловых двигателей (Слайд 11)

Повышение КПД тепловых двигателей -важнейшая техническая задача(Слайд 12) Основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счёт уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания.

??? Безопасны ли тепловые двигатели с точки зрения экологии?

Вы правы и это хорошо видно из следующих данных:

Применение тепловых машин и проблемы охраны окружающей среды (Слайд 13)

-При сжигании топлива в тепловых машинах требуется большое количество кислорода. На сгорание разнообразного топлива расходуется от 10 до 25% кислорода, производимого зелёными растениями.

-Тепловые машины не только сжигают кислород, но и выбрасывают в атмосферу эквивалентные количества двуокиси углерода (углекислого газа). Сгорание топлива в топках промышленных предприятий и тепловых электростанций почти никогда не бывает полным, поэтому происходит загрязнение воздуха золой, хлопьями сажи. Сейчас во всем мире обычные энергетические установки выбрасывают в атмосферу ежегодно 200–250 млн. т золы и около 60 млн. т диоксида серы.

-Кроме промышленности воздух загрязняет и транспорт, прежде всего автомобильный (жители больших городов задыхаются от выхлопных газов автомобильных двигателей).

Тепловые двигатели засоряют окружающую среду. Выбрасываются в огромных масштабах отработанные выхлопные газы. С выхлопными газами выбрасываются ядовитые вещества, которые пагубно влияют на жизнедеятельность живых организмов как растительного, так и животного происхождения. В свою очередь эти вещества вступают в химические реакции с веществами входящими в состав воздуха и в результате образуются другие ядовитые вещества, в том числе и кислоты. Все эти вещества попадают в землю и в водоемы вместе с осадками, тем самым отрицательно влияют на нормальное развитие растений и животных.

Каковы способы борьбы?

Обобщая ответы ребят, отмечаю, что ДВС заменяют по возможности электрическими двигателями или солнечными батареями. Об этом подробно будем говорить на последующих уроках.

Вы понимаете, что вообще не применять тепловые двигатели мы не можем.

Нашей планете Земля угрожает серьезная экологическая проблема, связанная не только применением тепловых двигателей, но и другими причинами.

Ребята, что может сделать каждый из вас, чтобы лишь немного решить эту проблему?

Что зависит от вас? Демонстрирую (Слайд 14-17)

СПАСЕМ ЗЕМЛЮ!!!! ЭТО МОЖЕТ СДЕЛАТЬ КАЖДЫЙ ИЗ ВАС!!!

1. Не уничтожать зеленый покров Земли.

2. Посадить и вырастить дерево.

3. Не ездить без нужды в автомобиле, на мотоцикле, мопеде.

4. Охранять лес, родники, речушки.

5. Организовать при школе экологический патруль.

6. Экономить воду, электроэнергию (будут сжигать меньше топлива на электростанциях).

7. Беречь бумагу, собирать и сдавать макулатуру (сохраните лес).

8. Беречь вещи (на их изготовление идет энергия).

9. Собирать и сдавать вторсырье.

10. Беспощадно бороться с разрушителями природы, кем бы они ни были.

ХОТИТЕ СКАЗАТЬ-КАПЛЯ В МОРЕ? НО ВЕДЬ МОРЕ – ИЗ КАПЕЛЬ!

IV. Закрепление .

Качественные задачи: (Слайд 18)

1. Один из учеников при решении получил ответ, что КПД теплового двигателя равен 200%. Правильно ли решил ученик задачу? (Нет. КПД теплового двигателя не может быть больше 100% или равен 100%)

2. КПД теплового двигателя 45%. Что означает это число? (45% энергии идет на совершение полезной работы, а 55% энергии тратится впустую на обогрев атмосферы, самого двигателя и т.д.)

Задачи(2 задачу реши сам) (слайды 19,20)

1.Тепловой двигатель за цикл получает от нагревателя энергию, равную 1000 Дж, и отдаёт холодильнику энергию 800 Дж. Чему равен КПД теплового двигателя? (20%)

2.Тепловой двигатель за цикл получает от нагревателя энергию, равную 1000 Дж, и отдаёт холодильнику энергию 700 Дж. Чему равен КПД теплового двигателя? (Решить самостоятельно.)

3. Двигатель внутреннего сгорания совершил полезную работу, равную 0,23МДж и израсходовал 2кг бензина. Вычислить КПД двигателя.

4. Определить КПД двигателя трактора, которому для выполнения работы 18,9 МДж потребовалось 1,5кг топлива с q =42МДж/кг (решить самостоятельно)

Задача для любителей биологии: (Слайд 21)

В организме человека насчитывается около 600 мышц. Если бы все мышцы человека напряглись, они вызвали бы усилие, равное приблизительно 25 т. считается, что при нормальных условиях работы человек может развивать мощность 70–80 Вт, однако возможна моментальная отдача энергии в таких видах спорта, как толкание ядра или прыжки в высоту. Наблюдения показали, что при прыжках в высоту с одновременным отталкиванием обеими ногами некоторые мужчины развивают в течение 0,1 с среднюю мощность около 3700 Вт, а женщины – 2600 Вт.

КПД мышц человека равен 20%. Что это значит? Какую часть энергии мышцы тратят впустую? (20% энергии тратится на полезную работу; 80% энергии мышцы тратят впустую.)

V. Итог урока (повторить основные понятия и формулы).

VI. Д/З

§ 24; вопросы на с.57; индивидуальные карточки с задачами; всем желающим – составить ребус или кроссворд по изученной теме или подготовить доклад на одну из тем задания 5.

СЛАЙД 22.

СПАСИБО ЗА АКТИВНУЮ РАБОТУ НА УРОКЕ.

Индивидуальные карточки домашнего задания:

К – 1.

1. Определить КПД двигателя трактора, которому для выполнения работы 15 МДж потребовалось 1,2кг топлива с q =42МДж/кг.

2. Какое количество теплоты потребуется , чтобы расплавить 500 г льда, взятого при температуре -10 ºС.

К – 2.

1. Израсходовав 2 кг бензина, двигатель совершил работу, равную 23 МДж. Определите КПД двигателя.

2. Сколько потребуется теплоты для испарения 100г спирта, взятого при температуре кипения.

К – 3.

1. КПД теплового двигателя 30%. Рабочее тело получило от нагревателя 5кДж теплоты. Чему равна работа, совершённая рабочим телом?

2. Какое количество теплоты необходимо для плавления 100г олова,взятого при температуре 32⁰С?

К – 4.

1. КПД машины 40%.Определите работу, которую совершила машина, если она получила 6кДж тепла.

2. Какое количество теплоты выделяется при полном сгорании керосина объёмом 5л?

К – 5

1. Какое количество теплоты потребуется , чтобы расплавить 500 г льда, взятого при температуре -10 ºС, полученную воду довести до кипения и испарить 100 г воды? (620,5кДж)

2. Чему равен КПД плавильной печи, в которой на плавление 1 кг меди, взятой при температуре 85 ºС, расходуется 400 г каменного угля? (≈ 5,7%)

К – 6.

1. На нагревание и плавление меди израсходовано 1276 кДж теплоты. Определить массу меди, если ее начальная температура 15 ºС. (2 кг)

2. Какую массу антрацита надо сжечь в котле с КПД 40%, чтобы 1 т воды, поступающей в него при 20 ºС, нагреть до 100 ºС и половину превратить в пар при 100 ºС? (≈ 124 кг)

Термодинамика — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи

Оглавление:

 

Основные теоретические сведения

Теплоемкость вещества

К оглавлению…

Если в результате теплообмена телу передается некоторое количество теплоты, то внутренняя энергия тела и его температура изменяются. Количество теплоты Q, необходимое для нагревания 1 кг вещества на 1 К называют удельной теплоемкостью вещества c. Тогда количество теплоты (энергии) необходимое для изменения температуры некоторого тела массой m можно рассчитать по формуле:

При этом в этой формуле абсолютно не важно в каких единицах подставлена температура, так как нам важно не ее абсолютное значение, а изменение. Единица измерения удельной теплоемкости вещества: Дж/(кг∙К).

• Если t₂ > t₁, то Q > 0 – тело нагревается (получает тепло).
• Если t₂ < t₁, то Q < 0 – тело охлаждается (отдает тепло).

Произведение массы тела на удельную теплоемкость вещества, из которого оно изготовлено называется теплоемкостью тела (т.е. просто теплоемкостью без слова «удельная»):

Если в условии задачи сказано про теплоемкость тела, то количество теплоты, отданное или полученное этим телом, можно рассчитать по формуле:

Итак, запомните:

• Удельная теплоемкость обозначается маленькой буквой с, и является характеристикой вещества.
• (Просто) Теплоемкость обозначается большой буквой С, и является характеристикой данного тела.

Напомним, что количество теплоты Q отданное каким–либо источником (нагревателем) рассчитывается по формуле: Q = Pt, где: P – мощность источника, t – время, в течение которого источник отдавал тепло. При решении задач не путайте время работы источника и температуру.

 

Фазовые превращения

К оглавлению…

Фазой вещества называется однородная система, например, твердое тело, физические свойства которой во всех точках одинаковые. Между различными фазами вещества при обычных условиях существует четко выраженная граница (поверхность) раздела. При изменении внешних условий (температуры, давления, электрических и магнитных полей) вещество может переходить из одной фазы в другую. Такие процессы называются фазовыми превращениями (переходами).

Процесс фазового перехода из жидкого состояния в газообразное (парообразование) или из твердого в жидкое (плавление) может происходить только при сообщении веществу некоторого количества теплоты. Обратные фазовые переходы (конденсация и кристаллизация, или отвердевание) сопровождаются выделением такого же количества теплоты.

Количество теплоты, поступающее в систему или выделяющееся из нее, изменяет ее внутреннюю энергию. Это означает, что внутренняя энергия пара при 100°С больше, чем жидкости при той же температуре. Указанные фазовые переходы идут при постоянных температурах, которые называются соответственно температурой кипения и температурой плавления. Количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар или выделяемое паром при конденсации, называется теплотой парообразования:

где: r – удельная теплота парообразования. Единица измерения [r] = 1 Дж/кг. Физический смысл удельной теплоты парообразования: она равна количеству теплоты, необходимому для превращения в пар 1 кг жидкости, находящейся при температуре кипения. Превращение жидкости в пар не требует доведение жидкости до кипения. Вода может превратиться в пар и при комнатной температуре. Такой процесс называется испарением.

Количество теплоты, необходимое для плавления тела или выделяемое при кристаллизации (отвердевании), называется теплотой плавления:

где: λ – удельная теплота плавления. Единица измерения [λ] = 1 Дж/кг. Физический смысл удельной теплоты плавления: теплота, необходимая для плавления 1 кг вещества, находящегося при температуре плавления. Удельные теплоты парообразования и плавления называются также скрытыми теплотами, поскольку при фазовых переходах температура системы не меняется, несмотря на то, что теплота к ней подводится.

Обратите внимание: что во время фазовых переходов температура системы не изменяется. А также на то, что сами фазовые переходы начинаются только после достижения необходимой температуры.

Наиболее распространенным источником энергии для нужд человека является топливо – вещество, при сгорании которого выделяется некоторое количество теплоты. Количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива массой m, называется теплотой сгорания топлива:

где: q – удельная теплота сгорания (теплотворная способность, калорийность) топлива. Единица измерения [q] = 1 Дж/кг. Физический смысл удельной теплоты сгорания топлива: величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании 1 кг топлива.

 

Уравнение теплового баланса

К оглавлению…

В соответствии с законом сохранения энергии для замкнутой системы тел, в которой не происходит никаких превращений энергии, кроме теплообмена, количество теплоты, отдаваемое более нагретыми телами, равно количеству теплоты, получаемому более холодными. Теплообмен прекращается в состоянии термодинамического равновесия, т.е. когда температура всех тел системы становится одинаковой. Сформулируем уравнение теплового баланса: в замкнутой системе тел алгебраическая сумма количеств теплоты, отданных и полученных всеми телами, участвующими в теплообмене, равна нулю:

При использовании такой формы записи уравнения теплового баланса, чтобы не сделать ошибку, запомните: когда Вы будете считать теплоту при нагревании или охлаждении тела, нужно из большей температуры вычитать меньшую, чтобы теплота всегда была положительной. Если все теплоты записывать с учетом знака, где «+» соответствует получению энергии телом, а «–» выделению, то уравнение теплового баланса можно записать в виде:

При использовании такой формы записи, нужно всегда от конечной температуры отнимать начальную. При таком подходе знак их разности сам «покажет» отдаёт тело теплоту или получает.

Запомните, что тело поглощает теплоту если происходит:

• Нагревание,
• Плавление,
• Парообразование.

Тело отдает теплоту если происходит:

• Охлаждение,
• Кристаллизация,
• Конденсация,
• Сгорание топлива.

Именно в этой теме, имеет смысл не решать задачи в общем виде, а сразу подставлять числа.

Взаимные превращения механической и внутренней энергии

При неупругих ударах механическая энергия частично или полностью переходит во внутреннюю энергию тел, то есть тела могут нагреваться и плавится. В общем случае изменение механической энергии равно выделяющемуся количеству теплоты.

 

Работа идеального газа

К оглавлению…

Термодинамика – это наука о тепловых явлениях. В противоположность молекулярно–кинетической теории, которая делает выводы на основе представлений о молекулярном строении вещества, термодинамика исходит из наиболее общих закономерностей тепловых процессов и свойств макроскопических систем. Выводы термодинамики опираются на совокупность опытных фактов и не зависят от наших знаний о внутреннем устройстве вещества, хотя в целом ряде случаев термодинамика использует молекулярно–кинетические модели для иллюстрации своих выводов.

Термодинамика рассматривает изолированные системы тел, находящиеся в состоянии термодинамического равновесия. Это означает, что в таких системах прекратились все наблюдаемые макроскопические процессы. Важным свойством термодинамически равновесной системы является выравнивание температуры всех ее частей.

Если термодинамическая система была подвержена внешнему воздействию, то в конечном итоге она перейдет в другое равновесное состояние. Такой переход называется термодинамическим процессом. Если процесс протекает достаточно медленно (в пределе бесконечно медленно), то система в каждый момент времени оказывается близкой к равновесному состоянию. Процессы, состоящие из последовательности равновесных состояний, называются квазистатическими (или квазистационарными, еще одно название таких процессов — равновесные).

В изобарном процессе работу идеального газа можно рассчитывать по формулам:

Подчеркнем еще раз: работу газа по расширению можно считать по этим формулам только если давление постоянно. Согласно данной формуле, при расширении газ совершает положительную работу, а при сжатии – отрицательную (т.е. газ сопротивляется сжатию и над ним нужно совершать работу чтобы оно состоялось).

Если давление нельзя считать постоянным, то работу газа находят, как площадь фигуры под графиком в координатах (p, V). Очевидно, что в изохорном процессе работа газа равна нулю.

Ввиду того, что работа газа численно равна площади под графиком, становится понятно, что величина работы зависит от того, какой именно процесс происходил, ведь у каждого процесса свой график, а под ним своя площадь. Таким образом, работа зависит не только и не столько от начального и конечного состояний газа, сколько от процесса, с помощью которого конечное состояние было достигнуто.

 

Внутренняя энергия

К оглавлению…

Одним из важнейших понятий термодинамики является внутренняя энергия тела. Все макроскопические тела обладают энергией, заключенной внутри самих тел. С точки зрения молекулярно–кинетической теории внутренняя энергия вещества складывается из кинетической энергии всех атомов и молекул и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом. В частности, внутренняя энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий всех частиц газа, находящихся в непрерывном и беспорядочном тепловом движении. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры и не зависит от объема. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа рассчитывается по формулам:

Таким образом, внутренняя энергия U тела однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние тела. Она не зависит от того, каким путем было реализовано данное состояние. Принято говорить, что внутренняя энергия является функцией состояния. Это значит, что изменение внутренней энергии не зависит от того, как система была переведена из одного состояния в другое (а зависит лишь от характеристик первоначального и конечного состояний) и всегда, в любых процессах для одноатомного идеального газа определяется выражением:

Обратите внимание: эта формула верна только для одноатомного газа, зато она применима ко всем процессам (а не только к изобарному, как формула для работы). Как видно из формулы, если температура не изменялась, то внутренняя энергия остаётся постоянной.

 

Первый закон термодинамики

К оглавлению…

Если система обменивается теплом с окружающими телами и совершает работу (положительную или отрицательную), то изменяется состояние системы, то есть изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем). Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ΔU внутренней энергии системы.

Первый закон (начало) термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом: Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами. Однако, соотношение, выражающее первый закон термодинамики, чаще записывают в немного другой форме:

Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами (такая формулировка более удобна и понятна, в таком виде совсем очевидно, что это просто закон сохранения энергии).

Первый закон термодинамики является обобщением опытных фактов. Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Важным следствием первого закона термодинамики является утверждение о невозможности создания машины, способной совершать полезную работу без потребления энергии извне и без каких–либо изменений внутри самой машины. Такая гипотетическая машина получила название вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода. Многочисленные попытки создать такую машину неизменно заканчивались провалом. Любая машина может совершать положительную работу A над внешними телами только за счет получения некоторого количества теплоты Q от окружающих тел или уменьшения ΔU своей внутренней энергии.

Адиабатным (адиабатическим) называют процесс, в ходе которого система не обменивается теплотой с окружающей средой. При адиабатном процессе Q = 0. Поэтому: ΔU + A = 0, то есть: A = – ΔU. Газ совершает работу за счет уменьшения собственной внутренней энергии.

 

Первое начало термодинамики и изопроцессы

К оглавлению…

Для различных изопроцессов можно выписать формулы по которым могут быть рассчитаны полученная теплота Q, изменение внутренней энергии ΔU и работа газа A. Изохорный процесс (V = const):

Изобарный процесс (p = const):

Изотермический процесс (T = const):

Адиабатный процесс (Q = 0):

Если в задаче явно не сказано, что газ одноатомный (или не назван один из инертных газов, например, гелий), то применять формулы из этого раздела нельзя.

 

Циклы. Тепловые машины

К оглавлению…

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами.

Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т.д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние.

Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q₁ > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q₂ < 0.

КПД тепловой машины может быть рассчитан по формуле:

где: Q₁ – количество теплоты полученное рабочим телом за один цикл от нагревателя, Q₂ – количество теплоты переданное рабочим телом за один цикл холодильнику. Работа совершенная тепловой машиной за один цикл:

Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть (1 – η) была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η < 1).

Наибольший КПД при заданных температурах нагревателя T₁ и холодильника T₂, достигается если тепловая машина работает по циклу Карно. Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат. КПД цикла Карно равен:

 

Второе начало (второй закон) термодинамики

К оглавлению…

Первый закон термодинамики не устанавливает направление протекания тепловых процессов. Однако, как показывает опыт, многие тепловые процессы могут протекать только в одном направлении. Такие процессы называются необратимыми. Например, при тепловом контакте двух тел с разными температурами тепловой поток всегда направлен от более теплого тела к более холодному. Никогда не наблюдается самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Следовательно, процесс теплообмена при конечной разности температур является необратимым.

Обратимыми процессами называют процессы перехода системы из одного равновесного состояния в другое, которые можно провести в обратном направлении через ту же последовательность промежуточных равновесных состояний. При этом сама система и окружающие тела возвращаются к исходному состоянию.

Необратимыми являются процессы превращения механической работы во внутреннюю энергию тела из–за наличия трения, процессы диффузии в газах и жидкостях, процессы перемешивания газа при наличии начальной разности давлений и т.д. Все реальные процессы необратимы, но они могут сколь угодно близко приближаться к обратимым процессам. Обратимые процессы являются идеализацией реальных процессов.

Первый закон термодинамики не может отличить обратимые процессы от необратимых. Он просто требует от термодинамического процесса определенного энергетического баланса и ничего не говорит о том, возможен такой процесс или нет. Направление самопроизвольно протекающих процессов устанавливает второй закон термодинамики. Он может быть сформулирован в виде запрета на определенные виды термодинамических процессов.

Английский физик У.Кельвин дал в 1851 году следующую формулировку второго закона: В циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от единственного теплового резервуара.

Гипотетическую тепловую машину, в которой мог бы происходить такой процесс, называют «вечным двигателем второго рода». Как уже должно было стать понятно, второе начало термодинамики запрещает существование такого двигателя.

Немецкий физик Р.Клаузиус дал другую формулировку второго закона термодинамики: Невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путем теплообмена от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Следует отметить, что обе формулировки второго закона термодинамики эквивалентны.

 

Сложные задачи по термодинамике

К оглавлению…

При решении различных нестандартных задач по термодинамике необходимо учитывать следующие замечания:

• Для нахождения работы идеального газа надо построить график процесса в координатах p(V) и найти площадь фигуры под графиком. Если дан график процесса в координатах p(T) или V(T), то его сначала перестраивают в координаты p(V). Если же в условии задаётся математическая зависимость между параметрами газа, то сначала находят зависимость между давлением и объёмом, а затем строят график p(V).
• Для нахождения работы смеси газов используют закон Дальтона.
• При объединении теплоизолированных сосудов не должна изменяться внутренняя энергия всей системы, т.е. на сколько джоулей увеличится внутренняя энергия газа в одном сосуде, на столько уменьшится в другом.
• Вообще говоря, давление и температуру газа можно измерять только в состоянии термодинамического равновесия, когда давление и температура во всех точках сосуда одинаковы. Но бывают ситуации, когда давление одинаково во всех точках, а температура нет. Это может быть следствием разной концентрации молекул в разных частях сосуда (проанализируйте формулу: p = nkT).
• Иногда приходится в задачах по термодинамике использовать знания из механики.

 

Расчет КПД циклов по графику

К оглавлению…

Задачи данной темы по праву считаются одними из самых сложных задач в термодинамике. Итак, для решения Вам придется, во-первых, перевести график процесса в p(V) – координаты. Во-вторых, надо рассчитать работу газа за цикл. Полезная работа равна площади фигуры внутри графика циклического процесса в координатах p(V). В-третьих, необходимо разобраться, где газ получает, а где отдает теплоту. Для этого вспомните первое начало термодинамики. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры, а работа – от объема. Поэтому, газ получает теплоту, если:

• Увеличиваются и его температура, и объем;
• Увеличивается объем, а температура постоянна;
• Увеличивается температура, а объем постоянен.

Газ отдает теплоту, если:

• Уменьшаются и его температура, и объем;
• Уменьшается объем, а температура постоянна;
• Уменьшается температура, а объем постоянен.

Если один из параметров увеличивается, а другой уменьшается, для того, чтобы понять, отдает газ теплоту или получает ее, необходимо «в лоб» по первому началу термодинамики рассчитать теплоту и посмотреть на ее знак. Положительная теплота – газ ее получает. Отрицательная – отдает.

Первый тип задач. В p(V) – координатах график цикла представляет собой фигуру с легко вычисляемой площадью, и газ получает теплоту в изохорных и изобарных процессах. Применяйте формулу:

Обратите внимание, что в знаменателе стоит только теплота, полученная газом за один цикл, то есть теплота только в тех процессах, в которых газ получал ее.

Второй тип задач. В p(V) – координатах график цикла представляет собой фигуру с легко вычисляемой площадью, и газ отдает теплоту в изохорных и изобарных процессах. Применяйте формулу:

Обратите внимание, что в знаменателе стоит только теплота, отданная газом за один цикл, то есть теплота только в тех процессах, в которых газ отдавал ее.

Третий тип задач. Газ получает теплоту не в удобных для расчета изохорных или изобарных процессах, в цикле есть изотермы или адиабаты, или вообще «никакие» процессы. Применяйте формулу:

 

Свойства паров. Влажность

К оглавлению…

Любое вещество при определенных условиях может находиться в различных агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. Переход из одного состояния в другое называется фазовым переходом. Испарение и конденсация являются примерами фазовых переходов.

Испарением называется фазовый переход из жидкого состояния в газообразное. С точки зрения молекулярно–кинетической теории, испарение – это процесс, при котором с поверхности жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, кинетическая энергия которых превышает энергию их связи с остальными молекулами жидкости. Это приводит к уменьшению средней кинетической энергии оставшихся молекул, то есть к охлаждению жидкости (если нет подвода энергии от окружающих тел).

Конденсация – это процесс, обратный процессу испарения. При конденсации молекулы пара возвращаются в жидкость.

В закрытом сосуде жидкость и ее пар могут находиться в состоянии динамического равновесия, т.е. число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость из пара, это значит, что скорости процессов испарения и конденсации одинаковы. Такую систему называют двухфазной. Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.

Насыщенный пар имеет максимальные: давление, концентрацию, плотность при данной температуре. Они зависят только от температуры насыщенного пара, но не от его объема.

Это означает, что если бы мы сосуд закрыли не крышкой, а поршнем, и после того, как пар стал насыщенным, стали бы его сжимать, то давление, плотность и концентрация пара не изменились бы. Если быть более точным, то давление, плотность и концентрация на небольшое время увеличились бы, и пар стал бы перенасыщенным. Но сразу же часть пара превратилась бы в воду, и параметры пара стали бы прежними. Если поднять поршень, то пар перестанет быть насыщенным. Однако за счёт испарения через некоторое время снова станет насыщенным. Здесь следует учесть, что если воды на дне сосуда нет или её немного, то это испарение может оказаться недостаточным, чтобы пар снова стал насыщенным.

• Фраза: «В закрытом сосуде с водой…» – означает, что над водой насыщенный пар.
• Выпадение росы означает, что пар становится насыщенным.

Абсолютной влажностью ρ называют количество водяного пара, содержащегося в 1 м³ воздуха (т.е. просто плотность водяных паров; из уравнения Клапейрона-Менделеева выражается отношение массы к объему и получается следующая формула):

где: р – парциальное давление водяного пара, М – молярная масса, R – универсальная газовая постоянная, Т – абсолютная температура. Единица измерения абсолютной влажности в СИ [ρ] = 1 кг/м³, хотя обычно используют 1 г/м³.

Относительной влажностью φ называется отношение абсолютной влажности ρ к тому количеству водяного пара ρ₀, которое необходимо для насыщения 1 м³ воздуха при данной температуре:

Относительную влажность можно также определить как отношение давления водяного пара р к давлению насыщенного пара р₀ при данной температуре:

Испарение может происходить не только с поверхности, но и в объеме жидкости. В жидкости всегда имеются мельчайшие пузырьки газа. Если давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению (то есть давлению газа в пузырьках) или превышает его, жидкость будет испаряться внутрь пузырьков. Пузырьки, наполненные паром, расширяются и всплывают на поверхность. Этот процесс называется кипением. Таким образом, кипение жидкости начинается при такой температуре, при которой давление ее насыщенных паров становится равным внешнему давлению.

В частности, при нормальном атмосферном давлении вода кипит при температуре 100°С. Это значит, что при такой температуре давление насыщенных паров воды равно 1 атм. Важно знать, что температура кипения жидкости зависит от давления. В герметически закрытом сосуде жидкость кипеть не может, т.к. при каждом значении температуры устанавливается равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром.

 

Поверхностное натяжение

К оглавлению…

Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой. Каждая молекула жидкости, также как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако, время от времени любая молекула может скачком переместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах, и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей.

Вследствие плотной упаковки молекул сжимаемость жидкостей, то есть изменение объема при изменении давления, очень мала; она в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем в газах.

Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности. Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Молекулы в пограничном слое жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же жидкости не со всех сторон. Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимно скомпенсированы. Любая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости (силами, действующими на данную молекулу жидкости со стороны молекул газа (или пара) можно пренебречь). В результате появляется некоторая равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости. Если молекула переместится с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу. Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (то есть увеличить площадь поверхности жидкости), надо затратить положительную работу внешних сил ΔA_внеш, пропорциональную изменению ΔS площади поверхности.

Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией. Потенциальная энергия E_p поверхности жидкости пропорциональна ее площади:

Коэффициент σ называется коэффициентом поверхностного натяжения (σ > 0). Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости на единицу при постоянной температуре. В СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м²) или в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м²).

Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии (любое тело всегда стремится скатиться с горы, а не забраться на нее). Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения. Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку. Сила поверхностного натяжения, действующая на участок границы жидкости длиной L вычисляется по формуле:

Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения σ может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность.

Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра – капиллярах. Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, несмачивающие – опускаются. При этом высота столба жидкости в капилляре:

где: r – радиус капиляра (т.е. тонкой трубки). При полном смачивании θ = 0°, cos θ = 1. В этом случае высота столба жидкости в капилляре станет равной:

При полном несмачивании θ = 180°, cos θ = –1 и, следовательно, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

НАЧАЛА ФИЗИКИ

4 августа 1877 г. Николаус Отто получил патент на свой четырехтактный мотор, а за последующие 20 лет было продано 42 тысячи двигателей. КПД двигателей Отто доходил до 22 %, что было значительно выше, чем КПД любых других двигателей того времени. Удачная конструкция и высокая экономичность двигателей Отто позволили его компании занять значительную долю на рынке приводов для различных механизмов.

А можно ли не терять эту энергию? Второй закон термодинамики говорит о том, что нельзя. В применении к двигателю внутреннего сгорания это означает, что полностью превратить энергию бензина в механическую работу невозможно. Какая-то ее часть обязательно останется внутренней и будет именно в таком виде передана окружающему воздуху, то есть неизбежно пойдет на «отопление улицы». Отсюда сразу следует, что эффективность работы любого теплового двигателя определяется тем, какую долю от энергии, полученной от нагревателя, двигатель способен превратить в работу. Эту долю принято называть коэффициентом полезного действия двигателя (КПД):

(21.2)

где работа A, совершенная двигателем в течение цикла. В соответствии со вторым началом термодинамики эта работа обязательно меньше, чем количество теплоты Q_н, которое было получено от нагревателя за цикл. Поэтому КПД теплового двигателя всегда строго меньше единицы.

Создание автомобиля (XVII в. — XIX в.). Идею двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в XVII в. сформулировал Х. Гюйгенс, предложив использовать в качестве топлива порох. Первый работающий ДВС создали в 1806 г. французские изобретатели братья Ньепсы, использовав в качестве топлива угольную пыль, которая может взрываться. В 1799 г. французский инженер Ф. Лебон открыл светильный газ (смесь водорода, метана и окиси углерода, получаемую путем перегонки угля или древесины), а позже попытался сконструировать газовый ДВС.

Первый успешный ДВС создал в 1858 г. Ж. Ленуар, который разработал принцип воспламенения газовой смеси с помощью искры. В 1863 г. Ленуар улучшил свой двигатель, использовав вместо газового топлива керосин. На нем трехколесный прототип современных машин проехал исторические 20 км со скоростью 6 км/ч. Интересно, что уже через несколько месяцев после первого испытания Ленуар получил заказ на производство автомобиля от русского царя Александра II, хотя об испытаниях нигде не сообщалось (видимо, разведка!).

315/597

Энергетическое образование

1. Циклы газовых двигателей

Прямое преобразование тепловой энергии в работу запрещается постулатом Томсона. Поэтому для этой цели используются термодинамические циклы. Термодинамические циклы это круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых совпадают начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление, объём, температура и энтропия). Термодинамические циклы являются моделями процессов, происходящих в реальных тепловых двигателях.

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар).

Прямой термодинамический цикл.

Для того, чтобы управлять состоянием рабочего тела, в тепловую машину входят нагреватель и холодильник. В каждом цикле рабочее тело забирает некоторое количество теплоты $Q_1$ у нагревателя и отдаёт количество теплоты $Q_2$ холодильнику. Работа, совершённая тепловой машиной в цикле, равна, таким образом:

$$A=Q_1-Q_2-ΔU = Q_1-Q_2.$$

Изменение внутренней энергии $ΔU$ в круговом процессе равно нулю (это функция состояния), а работа не является функцией состояния, иначе суммарная работа за цикл также была бы равна нулю.

Поэтому тепловой, или, как его ещё называют, термический или термодинамический коэффициент полезного действия тепловой машины (отношение полезной работы к затраченной тепловой энергии) равен:

$$η=\frac{A}{Q_1} =\frac{Q_1-Q_2}{Q_1} =\frac{M·q_1-M·q_2}{M·q_1}=\frac{q_1-q_2}{q_1} =1-\frac{q_2}{q_1}.$$

Цикл Карно. Французский инженер Сади Карно в 1824 году впервые дал теоретическое объяснение работы тепловых машин. Основное положение теории С. Карно, впоследствии получившее название принципа Карно, состоит в том, что для получения работы в тепловой машине необходимы, по крайней мере, два источника теплоты с разными температурами.

Карно предложил идеальный цикл тепловой машины, где используются два источника теплоты с постоянными температурами: источник с высокой температурой – горячий источник и источник с низкой температурой – холодный источник. Поскольку цикл идеальный, то он состоит из обратимых процессов теплообмена между рабочим телом и источниками теплоты, протекающим по двум изотермам, и двух идеальных адиабат перехода рабочего тела с одной изотермы на другую.

Цикл Карно.

В цикле Карно горячий источник теплоты с $T_1=const$ передает теплоту рабочему телу, это обратимый процесс, поэтому рабочее тело получает теплоту $q_1$ по изотерме AB. На процессе BC рабочее тела расширяется по обратимой адиабате от $T_1$ до $T_2$. В обратимом процессе CD рабочее тело передает теплоту $q_2$ холодному источнику по изотерме $T_2=const$. На процессе DA рабочее тело сжимается по обратимой адиабате от $Т_2$ до $Т_1$.

Для цикла Карно в $T-s$ диаграмме подведенная $q_1$ и отведенная $q_2$ теплота к рабочему телу представляют площади под изотермическими процессами, которые соответствуют прямоугольникам со сторонами: для $q_1$ – с $T_1$ и $Δs$, для $q_2$ – с $T_2$ и $Δs$. Величины $q_1$ и $q_2$ определяются по формулам изотермического процесса:

$$q_1=T_1·Δs,$$ $$q_2=T_2·Δs.$$

Работа цикла Карно равна разности подведенной и отведенной теплоты:

$$l_ц=q_1-q_2=(T_1-T_2)·Δs.$$

В соответствии с выражением выше получить работу возможно только при наличии разности температур у горячего и холодного источников теплоты. Максимальная работа Цикла Карно теоретически была бы при $Т_2=0$ K, но в качестве холодного источника в тепловых машинах, как правило, используется окружающая среда (вода, воздух) с температурой около $300$ K. Кроме этого, достижение абсолютного нуля в природе невозможно (этот факт относится к третьему закону термодинамики). Таким образом, в цикле Карно не вся теплота $q_1$ превращается в работу, а только ее часть, Оставшаяся после получения работы теплота $q_2$, отдается холодному источнику, и при заданных $Т_1$ и $Т_2$ она не может быть использована для получения работы, величина $q_2$ является тепловыми потерями (тепловым сбросом) цикла.

Термический КПД цикла Карно может быть записан в виде

$$η=1-\frac{q_2}{q_1} =1-\frac{T_2·Δs}{T_1·Δs}=1-\frac{T_2}{T_1}.$$

Таким образом, КПД цикла Карно будет тем больше, чем больше $T_1$ и меньше $T_2$. При $T_1=T_2$ КПД равен нулю, т.е. при наличии одного источника теплоты получение работы невозможно.

Цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Тепловые двигатели, рабочим телом которых являются газообразные продукты сгорания топлива, сжигаемого непосредственно внутри цилиндра двигателя, называются поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС).

Поршневые ДВС делятся на двухтактные, у которых один рабочий ход приходится на два хода поршня, и четырехтактные с одним рабочим ходом на четыре хода поршня. Кроме того, поршневые ДВС подразделяются на двигатели с подводом теплоты при постоянном объеме (быстрого сгорания), двигатели с подводом теплоты при постоянном давлении (постепенного сгорания) и двигатели, работающие по смешанному циклу.

Идеализируя рабочий цикл как двухтактных, так и четырехтактных карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, получают термодинамический цикл, называемый часто циклом Отто. В этом цикле процесс сжатия рабочей смеси происходит по адиабате 1-2. Изохора 2-3 соответствует горению топлива, воспламененного от электрической искры, и подводу теплоты $q_1$. Рабочий ход, осуществляемый при адиабатном расширении продуктов сгорания, изображен линией 3-4. Отвод теплоты $q_2$. осуществляется по изохоре 4-1, соответствующей в четырехтактных двигателях выпуску газов и всасыванию новой порции рабочей смеси, а в двухтактных – выпуску и продувке цилиндра.

Термодинамический цикл поршневого ДВС с подводом тепла при постоянном объеме $v=const$ (цикл Отто).

Термический КПД рассматриваемого цикла вычисляется следующим образом:

$$η_t=1-\frac{q_2}{q_1} =1-\frac{c_v·(T_4-T_1)}{c_v·(T_3-T_2)}=1-\frac{T_4-T_1}{T_3-T_2}=1 — \frac{ \frac{T_4}{T_1} — 1 }{ \frac{T_3}{T_2} — 1 } · \frac{T_1}{T_2}.$$

Сравнивая адиабаты 1-2 и 3-4, можно показать, что:

$$\frac{T_4}{T_1} =\frac{T_3}{T_2}.$$

и, следовательно получим:

$$η_t=1-\frac{T_1}{T_2}.{k-1}}.$$

Из этого выражения видно, что термический КПД двигателей, работающих по циклу Отто, зависит только от степени сжатия $ε$, и с увеличением $ε$ $η_t$ возрастает. Понятно, что температура в конце сжатия $T_2$ не должна достигать температуры самовоспламенения горючей смеси. Поэтому степень сжатия в реальных двигателях такого типа составляет порядка $7-10$ или несколько больше, в зависимости от антидетонационных свойств применяемого топлива.

Степень сжатия в цикле ДВС может быть повышена, если сжимать не горючую смесь, а воздух, и затем получив высокое давление и температуру, обеспечить самовоспламенение распыленного в цилиндре топлива. В этом случае процесс горения затягивается, и двигатели такого типа характеризуются постепенным (или медленным) сгоранием топлива при постоянном давлении. Идеализированный цикл такого двигателя внутреннего сгорания называется циклом Дизеля. Рабочее тело (воздух) сжимается по адиабате 1-2, а изобарный процесс 2-3 соответствует процессу горения топлива, т.{k-1}}.$$

Это выражение показывает, что основным фактором, определяющим экономичность двигателей, работающих по циклу Дизеля, также является степень сжатия $ε$, с увеличением которой термический КПД цикла возрастает. Нижний предел для $ε$ обусловлен необходимостью получения в конце сжатия температуры воздуха, значительно превышающей температуру самовоспламенения топлива. Верхний предел $ε$ (до $20$) ограничен допустимым давлением в цилиндре, превышение которого приводит к утяжелению конструкции двигателя и увеличению потерь на трение. Повышение степени предварительного расширения $ρ$ вызывает снижение термического КПД цикла. Отсюда следует, что с увеличением нагрузки и удлинением процесса горения топлива экономичность двигателя уменьшается. Это следует учитывать, наряду с другими обстоятельствами, при определении оптимального режима работы двигателя.

Цикл Тринклера или цикл со смешанным подводом теплоты, по которому работают современные бескомпрессорные дизели, осуществляется по следующей схеме.{k-1}}.$$

Параметр $λ$ называется степенью повышения давления и рассчитывается так:

$$λ=\frac{p_3}{p_2}.$$

В двигателях, работающих по циклу Тринклера, распыл топлива производится механическим топливным насосом высокого давления, а воздушный компрессор, применяемый в двигателе Дизеля, отсутствует. Степень сжатия $ε$ в рассматриваемом цикле может достигать $18$ и более.

Легко показать, что математическое выражение термического КПД цикла со смешанным подводом теплоты является общим для циклов поршневых ДВС.

Сравнение эффективности рассмотренных циклов проведем на $T-s$ диаграмме, предположив, что в каждом из них достигается одинаковая максимальная температура $T_3$.

Одинаковы и количества отведенной теплоты $q_2$ в каждом цикле (площадь 14аb). При таких условиях теплота цикла $q_ц$, равная полезной работе цикла $l_ц$, будет наибольшей для цикла Дизеля 12”34 и наименьшей для цикла Отто 1234. Цикл Тринклера 12’3’34 занимает промежуточное положение.

Сравнение циклов ДВС на $T-s$ диаграмме 1234 – цикл Отто; 12”34 – цикл Дизеля; 12’3’34 – цикл Тринклера.

Таким образом, термический КПД, характеризующий степень термодинамического совершенства цикла, будет наибольшим для цикла Дизеля с подводом теплоты при постоянном давлении и наименьшим для цикла Отто с подводом теплоты при постоянном объеме.

Цикл двигателя Стирлинга представляет собой цикл газового двигателя поршневого типа с внешним подводом теплоты, которая получается в результате сгорания твердых, жидких, газообразных топлив. Внешний подвод теплоты осуществляется через теплопроводящую стенку. Рабочее тело (водород, гелий, аргон, углекислый газ) находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется.

В общем виде схема работы устройства выглядит следующим образом: в нижней части двигателя рабочее вещество (например, воздух) нагревается и, увеличиваясь в объеме, выталкивает поршень вверх. Горячий воздух проникает в верхнюю часть мотора, где охлаждается радиатором. Давление рабочего тела снижается, поршень опускается для следующего цикла. При этом система герметична и рабочее вещество не расходуется, а только перемещается внутри цилиндра.

Существует несколько вариантов конструкции силовых агрегатов, использующих принцип Стирлинга. Например двигатель стирлинга модификации «Альфа» состоит из двух раздельных силовых поршней (горячего и холодного), каждый из которых находится в своем цилиндре. К цилиндру с горячим поршнем подводится тепло, а холодный цилиндр расположен в охлаждающем теплообменнике.

Двигатель стирлинга модификации «Альфа».

Идеальный цикл Стирлинга состоит из четырех процессов. В процессе 3 холодное рабочее тело сжимается в изотермическом процессе $T_2=const$ при интенсивном отводе теплоты $q_2»$. В процессе 4 поршень-вытеснитель перемещает рабочее тело из холодной полости в горячую, так что $v=const$ (изохорный процесс), а температура увеличивается от $T_2$ до $T_1$ при подводе теплоты $q_1’$.

В изотермическом процессе расширения 1 $T_1=const$ к рабочему телу подводится теплота $q_1»$. Затем в процессе 2 поршень-вытеснитель, перемещаясь в обратном направлении, выталкивает рабочее тело из горячей полости в холодную ($v=const$) с отводом теплоты $q_2’$. Отличительной особенностью цикла Стирлинга является то, что рабочее тело, перемещаясь из холодной полости в горячую и обратно через регенератор, то воспринимает теплоту от рабочего тела, то, охлаждаясь, отдает теплоту рабочему телу.

Диаграмма работы идеального цикла Стирлинга.

Работа в цикле Стирлинга представляет собой разность работы, полученной в процессе изотермического расширения (подвод теплоты $q_1»$), и работы, затраченной в процессе изотермического сжатия с отводом теплоты $q_2»$:

$$l_ц=q_1»-q_2».$$

Термический КПД цикла:

$$η_t=\frac{q_1»-q_2»}{q_1′-q_1»}.$$

Дизельная электростанция как правило, объединяет в себе генератор переменного тока и двигатель внутреннего сгорания, а также систему контроля и управления установкой. Такие электростанции и установки применяются в качестве основных, резервных или аварийных источников электроэнергии для потребителей одно- или трёхфазного переменного тока.

Схема дизельной электростанции.

Цикл газотурбинной установки. Одним из основных недостатков поршневых двигателей является невозможность достижения больших мощностей в одном агрегате, что сужает нишу возможного использования ДВС поршневого типа. Это связано, прежде всего с наличием кривошипно-шатунного механизма, предназначенного для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Периодичность производства рабочего хода поршня неизбежно вызывает неравномерность работы конструкции и требует наличие маховика, что заметно увеличивает удельный вес двигателя – отношение веса двигателя к вырабатываемой им мощности. Этих недостатков лишены двигатели внутреннего сгорания газотурбинного типа, к числу которых относятся воздушно-реактивные двигатели.

В газотурбинных установках подвод теплоты к рабочему телу может осуществляться при постоянном давлении (цикл Брайтона) или при постоянном объеме (цикл Гемфри).

Цикл Брайтона. Принципиальная схема газотурбинной установки со сгоранием при постоянном давлении содержит в себе все основные элементы, присущие турбокомпрессорному воздушно-реактивному двигателю. Газотурбинный двигатель состоит из размещенных на одном валу турбины, компрессора, топливного насоса и потребителя мощности. В схему входит также камера сгорания, выхлопное сопло или патрубок отвода отработавших газов и свеча зажигания.

Турбина приводит во вращение компрессор, в котором сжимается воздух, поступающий из окружающей среды. Процесс сжатия предполагается протекающим по адиабате 1-2. Сжатый воздух подается в камеру сгорания, куда насосом из топливной емкости прокачивается топливо. Тщательно перемешенная смесь в камере сгорания воспламеняется свечой зажигания, и при постоянном давлении реализуется процесс сжигания топлива.{\frac{k-1}{k}} },$$

где $ε=\frac{v_1}{v_2}$ – степень сжатия, а $λ=\frac{p_2}{p_1}$ – степень повышения давления.

Энергетический кризис, связанный с истощением запасов ископаемых энергоресурсов в виде органического топлива (газ, нефть, уголь и т. д.), делает необходимостью бережное отношение к его использованию. Вместе с тем, температура газа, покидающего турбину, еще достаточно велика и поэтому целесообразно частично вернуть избыточную по отношению к окружающей среде энергию уходящих газов в форме тепла в цикл. Обычно такой процесс называют регенерацией, суть которой состоит в полезном использовании вторичных энергоресурсов.

Отличие регенеративной газотурбинной установки от рассмотренной ранее состоит во введением дополнительного конструктивного узла в виде теплообменника регенератора, в котором тепло от уходящих газов передается к газу, сжатому компрессоре установки.

$T-s$ диаграмма регенеративного цикла.

По условиям организации цикла не все избыточное тепло уходящих газов может быть передано воздуху, сжатому в компрессоре. Тогда коэффициент полезного действия можно определить:

$$η_t=1-\frac{q_2}{q_1} =\frac{ (T_5-T_1)-(T_3-T_2) }{T_4-T_2}.$$

Цикл Гемфри. Газотурбинная установка со сгоранием при $v=const$ в случае, если предельные давления одинаковы и подведенные теплоты равны, будут иметь несколько большую эффективность по сравнению с изобарным циклом. Это связано с тем, что при отмеченных условиях сравнения в цикле с $v=const$ по сравнению с циклом $p=const$ отводимая теплота будет несколько меньше, чем в цикле со сгоранием при $p=const$. Это видно из сравнения циклов, построенных в $T-s$ диаграмме.

Сравнение циклов газотурбинных установок с подводом тепла при $v=const$ и $p=const$.

Однако в конструкторском отношении газотурбинная установка с подводом тепла при $v=const$ заметно сложнее. Турбина приводит во вращение сидящие с ней на одном валу компрессор, насос и потребитель выработанной установкой механической энергии, обычно в виде трехфазного электрогенератора. Одновременно в камеру сгорания поступает воздух, сжатый в компрессоре, и топливо подаваемое насосом. В камере сгорания при закрытых клапанах, свечой зажигания осуществляется воспламенение топлива. Сгорание топлива происходит при закрытых клапанах, т.е. при постоянном объеме. В конце процесса сгорания при достижении заданного давления открываются выпускные клапаны и рабочее тело – продукты сгорания в виде высокоэнтальпийного потока – поступает на лопатки соплового аппарата, а затем рабочего колеса, на которых энтальпия рабочего тела срабатывается, превращаясь в механическую энергию, воспринимаемую приводами. Отработавшие продукты сгорания – газы отводятся из двигателя через выхлопной патрубок.

Коэффициент полезного действия такого цикла определяется и соотношения:

$$η_t=1-\frac{k}{ε^{k-1}}·\frac{λ^{\frac{1}{k}}-1}{λ-1}.$$

где $λ=\frac{p_3}{p_2}$ – степень повышения давления.

Парогазовая установка – электрогенерирующая станция, служащая для производства электроэнергии. Парогазовая установка содержит два отдельных двигателя: паросиловой и газотурбинный. В газотурбинной установке турбину вращают газообразные продукты сгорания топлива. Топливом может служить как природный газ, так и продукты нефтяной промышленности (дизельное топливо). На одном валу с турбиной находится генератор, который за счет вращения ротора вырабатывает электрический ток. Проходя через газовую турбину, продукты сгорания отдают лишь часть своей энергии и на выходе из неё, когда их давление уже близко к наружному и работа не может быть ими совершена, все ещё имеют высокую температуру. С выхода газовой турбины продукты сгорания попадают в паросиловую установку, в котел-утилизатор, где нагревают воду и образующийся водяной пар. Температура продуктов сгорания достаточна для того, чтобы довести пар до состояния, необходимого для использования в паровой турбине (температура дымовых газов около $500$ °C позволяет получать перегретый пар при давлении около $100$ атмосфер). Паровая турбина приводит в действие второй электрогенератор.

Схема газотурбинной электростанции комбинированного цикла.

Термодинамический анализ цикла Отто

Термодинамика это раздел физики, имеющий дело с энергией и работа системы. Он родился в 19 веке как ученые. впервые открыли, как строить и эксплуатировать паровые двигатели. Термодинамика имеет дело только с крупномасштабный ответ системы которые мы можем наблюдать и измерять в экспериментах. Как аэродинамики, нас больше всего интересует термодинамика двигательные установки а также высокоскоростные потоки. На этой странице мы рассматриваем термодинамику четырехтактный внутреннее сгорание двигатель.Сегодня большинство самолетов гражданской авиации или частных самолетов с двигателем внутреннего сгорания (IC) , как и двигатель в вашем семейном автомобиле.

Работа двигателя состоит из двух основных частей: механическая операция принадлежащий части двигателя, и термодинамика через который двигатель производит Работа а также власть. На этой странице мы обсуждаем основные термодинамические уравнения, которые позволяют для проектирования и прогнозирования характеристик двигателя.

В двигателе внутреннего сгорания топливо и воздух воспламеняется внутри цилиндра.Горячий выхлоп толкает поршень, который соединен к коленчатый вал производить мощность. Сжигание топлива не является непрерывным процессом, но происходит очень быстро через равные промежутки времени. Между возгоранием детали двигателя двигаться в повторяющейся последовательности, называемой циклом . Двигатель называется четырехтактным, потому что в нем четыре движения, или удары поршня за один цикл.

На рисунке мы показываем сюжет давление против газа объем на протяжении одного цикла. Мы разорвали цикл на шесть пронумерованные этапы на основе механической операции двигателя.Для идеального четырехтактного двигателя впускной ход (1-2) а также такт выпуска (6-1) делаются при постоянном давлении и не способствуют генерации мощности двигателем. В течение ход сжатия (2-3), работа производится на газе поршнем. Если предположить, что тепло не поступает газ во время сжатия, мы знаем связи между изменением объема и изменением давления и температуры из наших решений уравнение энтропии для газа. Мы называем соотношение громкости в начале сжатие до объема в конце сжатия степень сжатия , r .(гамма — 1)

где p — давление, T — температура, а гамма это соотношение удельные плавки. В течение процесс горения (3-4), объем поддерживается постоянным и выделяется тепло. Изменение температуры составляет дано

T4 = T3 + f * Q / cv

где Q — это количество тепла, выделяемое на фунт топлива, которое зависит от топлива, f — соотношение топливо / воздух для сгорания, которое зависит от нескольких факторов. связанные с конструкцией и температурой в камере сгорания, и cv — удельная теплоемкость при постоянном объеме.(1 — гамма)

Между этапом 5 и этапом 6 остаточное тепло переведен к окружающей среде так что температура и давление возвращаются к начальным условиям 1 этап (или 2).

Во время цикла Работа производится на газе поршнем между ступенями 2 и 3. Работа выполняется газ на поршне между 4 и 5 ступенями. Разница между работой, проделанной на газ и работа, проделанная с газом, показаны желтым цветом и являются произведенной работой. по циклу. Мы можем рассчитать работу, определив прилегающую площадь по циклу на p-V диаграмме.Но поскольку процессы 2-3 и 4-5 кривые, это сложно. расчет. Мы также можем оценить работу W по разнице тепла в газ. минус тепло, отводимое газом. Зная температуры, это более простой расчет.

W = cv * [(T4 — T3) — (T5 — T2)]

Время работы, умноженное на скорость цикла (циклов в секунду cps ), равно в мощность P производится двигателем.

P = W * cps

На этой странице у нас есть показан идеальный цикл Отто , в котором нет поступления тепла (или уходящий) газ при сжатии и силовых тактах, трения нет потери и мгновенное горение, происходящее при постоянном объеме.В реальности, идеального цикла не происходит, и есть много потерь, связанных с каждый процесс. Эти потери обычно учитываются коэффициентами эффективности. которые умножают и видоизменяют идеальный результат. Для реального цикла форма p-V диаграммы аналогичен идеальному, но площадь (работа) равна всегда меньше идеального значения.

---

Деятельность:

---

Экскурсии

---

Навигация ..

Руководство для начинающих Домашняя страница

Диаграмма давление-объем (pV) и как работа производится в ДВС — x-engineering.org

Двигатель внутреннего сгорания — это тепловая машина . Принцип его работы основан на изменении давления и объема внутри цилиндров двигателя. Все тепловые двигатели характеризуются диаграммой давление-объем , также известной как диаграмма pV , которая в основном показывает изменение давления в цилиндре в зависимости от его объема для полного цикла двигателя.

Кроме того, работа , производимая двигателем внутреннего сгорания, напрямую зависит от изменения давления и объема внутри цилиндра.

К концу этого руководства читатель должен уметь:

• понять значение диаграммы pV
• как нарисовать диаграмму pV для 4-тактного двигателя внутреннего сгорания
• при впуске и выпуске клапаны приводятся в действие во время цикла двигателя
• когда зажигание / впрыск производится во время цикла двигателя
• как работа создается двигателем внутреннего сгорания
• какая разница между указанным работа тормоза и
• каков механический КПД двигателя

Давайте начнем с рассмотрения pV-диаграммы четырехтактного атмосферного двигателя внутреннего сгорания.

Изображение: диаграмма давление-объем (pV) для типичного 4-тактного ДВС

где:

S — ход поршня
V _c — зазорный объем
V _d — смещенный (рабочий) объем
p ₀ — атмосферное давление
W — работа
ВМТ — верхняя мертвая точка
НМТ — нижняя мертвая точка
IV — впускной клапан
EV — выпускной клапан
IVO — открытие впускного клапана
IVC — закрытие впускного клапана
EVO — открытие выпускного клапана
EVC — закрытие выпускного клапана
IGN (INJ) — зажигание (впрыск)

Диаграмма давление-объем (pV) построена путем измерения давления внутри цилиндра и нанесения его значения в зависимости от угла поворота коленчатого вала на протяжении всего цикл двигателя (720 °).

Давайте посмотрим, что происходит в цилиндре во время каждого хода поршня, как изменяются давление и объем внутри цилиндра.

Обратите внимание, что синхронизация впускных и выпускных клапанов имеет опережение и задержку относительно положения поршня. Например, впускной клапан открывается во время такта выпуска поршня и закрывается во время такта сжатия. В то же время, когда начинается такт впуска, выпускной клапан еще некоторое время открыт.Открытие выпускного клапана происходит до завершения рабочего хода.

ВПУСК (a-b)

Цикл двигателя начинается в точке a . Впускной клапан уже открыт, и поршень движется от ВМТ к НМТ. Объем постоянно увеличивается по мере того, как поршень перемещается по длине хода. Максимальный объем достигается, когда поршень находится в НМТ. Давление ниже атмосферного на протяжении всего хода, потому что движение поршня создает объем, а воздух втягивается внутрь цилиндра из-за эффекта вакуума.

СЖАТИЕ (b-c)

После того, как поршень прошел НМТ, начинается такт сжатия. В этой фазе объем начинает уменьшаться, а давление увеличиваться. Требуется некоторое время, пока давление в цилиндре не превысит атмосферное, чтобы впускной клапан оставался открытым даже после прохождения поршнем НМТ. По мере того, как поршень приближается к ВМТ, давление постепенно увеличивается. Примерно за 25 ° до ВМТ срабатывает зажигание, и давление быстро повышается до максимального.

МОЩНОСТЬ (c-e)

После события зажигания / впрыска давление в цилиндре резко возрастает, пока не достигнет максимальных значений p _max . Значение максимального давления зависит от типа двигателя, на каком топливе он используется. Для типичного двигателя легкового автомобиля максимальное давление в цилиндре может составлять около 120 бар (бензин) или 180 бар (дизель). Рабочий ход начинается, когда поршень движется от ВМТ к НМТ. Высокое давление в цилиндре толкает поршень, поэтому объем увеличивается, а давление начинает постепенно падать.

ВЫХЛОП (e-a)

После рабочего хода поршень снова находится в НМТ. Объем цилиндра снова равен максимальному значению, а давление — примерно минимальному (атмосферное давление). Поршень начинает двигаться в сторону ВМТ и выталкивает сгоревшие газы из цилиндра.

Как видите, давление и объем внутри цилиндров двигателя постоянно меняются. Мы увидим, что работа, производимая ДВС, зависит от изменений давления и объема.

Работа Вт [Дж] — это произведение силы F [Н] , которая толкает поршень, и смещения, которое в нашем случае представляет собой ход S [м] .

\ [W = F \ cdot S \ tag {1} \]

Мы знаем, что давление — это сила, разделенная на площадь, поэтому:

\ [F = p \ cdot A_p \ tag {2} \]

, где p [ Па] давление внутри цилиндра, а A _p [м ² ] — площадь поршня.

Замена (2) в (1) дает:

\ [W = p \ cdot A_p \ cdot S \ tag {3} \]

Мы знаем, что умножая расстояние на площадь, мы получаем объем, следовательно:

\ [W = p \ cdot V \ tag {4} \]

Это мгновенная работа , произведенная в цилиндре для определенного давления и объема.Чтобы определить работу для полного цикла двигателя, нам нужно интегрировать мгновенную работу:

\ [W = \ int F \ cdot dx = \ int p \ cdot A_p \ cdot dx \ tag {5} \]

, где x ход поршня.

Произведение между ходом поршня и площадью поршня дает дифференциальный объем dV , смещенный поршнем:

\ [dV = A_p \ cdot dx \ tag {6} \]

Замена (6) в (5 ) дает работу , произведенную в цилиндре за полный цикл :

\ [\ bbox [# FFFF9D] {W = \ int p \ cdot dV} \ tag {7} \]

Поскольку подавляющее большинство Если двигатель внутреннего сгорания имеет несколько цилиндров, мы собираемся ввести более подходящий параметр для количественной оценки работы, которым является удельная работа Вт [Дж / кг] .

\ [w = \ frac {W} {m} \ tag {8} \]

где м [кг] — масса топливовоздушной смеси внутри цилиндров за полный цикл.

Мы можем также определить удельный объем v [м ³ / кг] как:

\ [v = \ frac {V} {m} \ tag {9} \]

Производная от удельного объем будет:

\ [dv = \ frac {1} {m} \ cdot dV \ tag {10} \]

, откуда мы можем записать:

\ [dV = m \ cdot dv \ tag {11} \]

Замена (7) в (8) дает:

\ [w = \ frac {1} {m} \ int p \ cdot dV \ tag {12} \]

Из (11) и (12) мы получаем математическое выражение конкретной работы для полного цикла двигателя:

\ [\ bbox [# FFFF9D] {w = \ int p \ cdot dv} \]

Работа, производимая внутри цилиндров двигателя, называется , указывается удельная работа , w _i [Дж / кг] .То, что мы получаем на коленчатом валу, — это работа тормозов w _b [Дж / кг] . Это называется «тормозом», потому что при испытании двигателей на испытательном стенде они подключаются к тормозному устройству (гидравлическому или электрическому), которое имитирует нагрузку.

Чтобы получить работу тормоза, мы должны вычесть из указанной работы все потери двигателя. Потери связаны с внутренним трением и вспомогательными устройствами, которые требуют энергии от двигателя (масляный насос, водяной насос, нагнетатель, компрессор кондиционера, генератор переменного тока и т. Д.). Эти потери имеют эквивалент удельной работы на трение w _f [Дж / кг] .

\ [w_b = w_i — w_f \]

Глядя на приведенную выше диаграмму давление-объем (pV), мы можем увидеть, что есть две отдельные области:

• верхняя область, образованная во время тактов сжатия и увеличения ( + W)
• нижняя область, образующаяся во время тактов выпуска и впуска (-W), также называемая насосной работой

В зависимости от значения давления всасывания рабочая область нагнетания может быть отрицательной или положительной.Для атмосферных двигателей насосная работа отрицательна, потому что она использует энергию двигателя для выталкивания выхлопных газов из цилиндров и всасывания свежего воздуха во время впуска.

Для бензиновых атмосферных двигателей из-за дросселирования всасываемого воздуха насосные потери выше и максимальны на холостом ходу. Дизельные двигатели более эффективны, чем бензиновые, потому что на впуске нет дроссельной заслонки, а нагрузка регулируется за счет впрыска топлива.

Если разделить удельный крутящий момент тормоза на указанный удельный крутящий момент, мы получим механический КПД двигателя η _м [-] :

\ [\ bbox [# FFFF9D] {\ eta_m = \ frac {w_b} {w_i}} \]

Для большинства двигателей механический КПД составляет около 80-85% при полной нагрузке (полностью открытая дроссельная заслонка) и падает до нуля на холостом ходу, когда весь крутящий момент двигателя используется для поддержания холостого хода. скорость, а не движущая сила.

Для любых вопросов, замечаний и запросов по этой статье используйте форму комментариев ниже.

Не забывайте ставить лайки, делиться и подписываться!

Глава 2 | Термодинамика

---

Уравнение энергии для замкнутых систем

Мы рассматриваем Первый закон термодинамики, примененный к стационарным замкнутым системам, как принцип сохранения энергии. Таким образом, энергия передается между системой и окружающей средой в виде тепла и работы, что приводит к изменению внутренней энергии системы.Изменение внутренней энергии можно рассматривать как меру молекулярной активности, связанной с изменением фазы или температуры системы, и уравнение энергии представляется следующим образом:

---

Тепло [Q]

Энергия, передаваемая через границу системы в виде тепла, всегда является результатом разницы температур между системой и ее непосредственным окружением. Мы не будем рассматривать режим теплопередачи, будь то теплопроводность, конвекция или излучение, поэтому количество тепла, передаваемого во время любого процесса, будет либо указано, либо оценено как неизвестное в уравнении энергии.По соглашению, положительное тепло — это тепло, передаваемое из окружающей среды в систему, что приводит к увеличению внутренней энергии системы.

---

Работа [Вт]

В этом курсе мы рассматриваем три режима передачи работы через границу системы, как показано на следующей диаграмме:

В этом курсе нас в первую очередь интересует Граничная работа из-за сжатия или расширения системы в устройстве поршень-цилиндр, как показано выше. Во всех случаях мы предполагаем идеальное уплотнение (отсутствие массового потока в системе и из нее), отсутствие потерь из-за трения и квазиравновесные процессы, в которых для каждого инкрементального движения поршня поддерживаются условия равновесия.По соглашению, положительная работа — это работа, выполняемая системой над окружением, а отрицательная работа — это работа, выполняемая окружением над системой. Таким образом, поскольку отрицательная работа приводит к увеличению внутренней энергии системы, это объясняет отрицательный знак в приведенном выше уравнение энергии.

Граничная работа оценивается путем интегрирования силы F, умноженной на приращение расстояния dx между начальным состоянием (1) и конечным состоянием (2). Обычно мы имеем дело с устройством поршень-цилиндр, поэтому сила может быть заменена площадью поршня A, умноженной на давление P, что позволяет нам заменить Adx изменением объема dV следующим образом:

Это показано на следующей схематической диаграмме, где мы напоминаем, что интегрирование может быть представлено областью под кривой.

Обратите внимание, что выполненная работа — это функция пути , а не свойство, поэтому она зависит от пути процесса между начальным и конечным состояниями. Напомним, что в главе 1 мы представили некоторые типичные представляющие интерес процессы:

• Изотермический (процесс с постоянной температурой)
• Изохорический или Изометрический (процесс постоянного объема)
• Изобарический (процесс с постоянным давлением)
• Адиабатический (отсутствие теплового потока в систему или из системы во время процесса)

Иногда бывает удобно оценить конкретную проделанную работу, которая может быть представлена ​​диаграммой P-v , таким образом, если масса системы равна m [кг], в итоге мы имеем:

где: P — давление [кПа], V — объем [м ³ ]

м — масса [кг], v — удельный объем

W — проделанная работа [кДж], w — удельная проделанная работа

Отметим, что работа, выполняемая системой в окружении (процесс расширения), является положительной, а работа, выполняемая системой окружением (процесс сжатия), отрицательна.

Наконец, для закрытой системы Работа на валу (из-за лопастного колеса) и Электрические работы (из-за напряжения, приложенного к электрическому резистору или двигателю, приводящему в движение лопаточное колесо) всегда будет отрицательным (работа выполняется в системе) . Положительные формы работы вала, например, из-за турбины, будут рассмотрены в Глава 4 , когда мы будем обсуждать открытые системы.

---

Внутренняя энергия [u]

Третий компонент нашего уравнения энергии замкнутой системы — это изменение внутренней энергии в результате передачи тепла или работы.Поскольку удельная внутренняя энергия является свойством системы, она обычно представлена ​​в таблицах свойств, например, в таблицах пара

.

.

---

Энтальпия [ч]

В следующих тематических исследованиях мы обнаруживаем, что одно из основных приложений уравнения энергии замкнутой системы — это процессы теплового двигателя, в которых система аппроксимируется идеальным газом, поэтому мы разработаем соотношения для определения внутренней энергии идеального газа. газ. Мы также обнаружим, что новое свойство под названием Enthalpy будет полезно как для закрытых систем, так и, в частности, для открытых систем, таких как компоненты паровых электростанций или холодильных систем.Энтальпия не является фундаментальным свойством, однако представляет собой комбинацию свойств и определяется следующим образом:

Энтальпия [кДж]:

Удельная энтальпия:

В качестве примера его использования в закрытых системах рассмотрим следующий процесс постоянного давления:

Применяя уравнение энергии, получаем:

Однако, поскольку давление постоянно на протяжении всего процесса:

Подставляем в уравнение энергии и упрощаем:

(процесс постоянного давления)

Значения удельной внутренней энергии (u) и удельной энтальпии (h) доступны в таблицах пара, однако для идеальных газов необходимо разработать уравнения для Δu и Δh в терминах удельной теплоемкости.Мы разработаем эти уравнения в терминах дифференциальной формы уравнения энергии в следующем разделе этой главы (Удельная теплоемкость идеального газа).

Решенный пример

Два килограмма воды при 25 ° C помещаются в поршневой цилиндр под давлением 3,2 МПа, как показано на диаграмме (Состояние (1)). К воде добавляется тепло при постоянном давлении, пока температура пара не достигнет 350 ° C (Состояние (2)). Определите работу, совершаемую жидкостью (W), и теплоту, передаваемую жидкости (Q) во время этого процесса, используя уравнения энергии, затем сравните это значение Q со значением, полученным из изменения энтальпии системы.

Подход к решению:

Сначала мы рисуем диаграмму процесса, включающую все соответствующие данные, как показано ниже:

Обратите внимание на четыре вопроса справа от диаграммы, которые мы всегда должны задавать, прежде чем пытаться решить любую термодинамическую задачу. С чем мы имеем дело — жидкостью? чистая жидкость, например пар или хладагент? идеальный газ? В данном случае это пар, поэтому мы будем использовать таблицы пара для определения различных свойств в различных состояниях. Дана масса или объем? В таком случае мы будем уточнять и оценивать уравнение энергии в килоджоулях, а не в конкретных количествах.

Поскольку работа включает интеграл от Pdv, мы считаем удобным набросать схему P-v задачи следующим образом:

Обратите внимание на диаграмму P-v , как мы определяем конкретную проделанную работу как площадь под кривой процесса. Мы также заметили, что в области сжатой жидкости линия постоянной температуры по существу вертикальна. Таким образом, все значения свойств в состоянии (1) (сжатая жидкость при 25 ° C) могут быть определены из значений в таблице насыщенной жидкости при 25 ° C.Теперь сравним это значение с полученным по изменению энтальпии. Из таблиц пара мы получаем значения удельной энтальпии для воды (104,8) и для пара (3110,45). Затем мы умножаем разницу этих двух значений на 2 кг, чтобы получить наше решение:

Удельные теплоемкости идеального газа

Для простой системы внутренняя энергия (u) является функцией двух независимых переменных, поэтому мы предполагаем, что она является функцией температуры T и удельного объема v, следовательно:

Подставляя уравнение (2) в уравнение энергии (1) и упрощая, получаем:

Теперь для процесса постоянного объема (dv = 0):

где: C _v — удельная теплоемкость постоянного объема

То есть удельная теплоемкость системы с постоянным объемом является функцией только ее внутренней энергии и температуры.В своем классическом эксперименте 1843 года Джоуль показал, что внутренняя энергия идеального газа является функцией только температуры, а не давления или удельного объема. Таким образом, для идеального газа частные производные могут быть заменены обычными производными, а изменение внутренней энергии может быть выражено как:

Рассмотрим теперь энтальпию. По определению h = u + Pv, продифференцируя, получим:

Опять же для простой системы энтальпия (h) является функцией двух независимых переменных, поэтому мы предполагаем, что она является функцией температуры T и давления P, следовательно:

Подставляя уравнение (6) в уравнение энергии (5) и упрощая:

Следовательно, для процесса с постоянным давлением, поскольку dP = 0:

где: C _p — удельная теплоемкость при постоянном давлении

То есть удельная теплоемкость системы при постоянном давлении зависит только от ее энтальпии и температуры.Сейчас по определению:

Теперь, поскольку для идеального газа Джоуль показал, что внутренняя энергия является функцией только температуры, из приведенного выше уравнения следует, что энтальпия является функцией только температуры. Таким образом, для идеального газа частные производные могут быть заменены обычными производными, а дифференциальные изменения энтальпии могут быть выражены как:

Наконец, из определения энтальпии для идеального газа имеем:

Определить: (отношение удельных теплоемкостей)

Значения R, C _P , C _v и k для идеальных газов представлены (при 300 K) в таблице свойств различных идеальных газов.Обратите внимание, что значения C _P , C _v и k постоянны с температурой только для одноатомных газов, таких как гелий и аргон. Для всех остальных газов их температурная зависимость может быть значительной и ее необходимо учитывать. Мы считаем удобным выразить эту зависимость в табличной форме и предоставили таблицу удельных теплоемкостей воздуха.

---

Двигатель цикла Стирлинга

Концептуально двигатель Стирлинга является самым простым из всех тепловых двигателей.Он не имеет клапанов и включает пространство с внешним обогревом и пространство с внешним охлаждением. Его изобрел Роберт Стирлинг, а на интересном веб-сайте Боба Сиера есть фотография Роберта Стирлинга, его оригинальный патентный рисунок 1816 года и анимированная модель оригинального двигателя Стирлинга.

---

В исходной форме с одним цилиндром рабочий газ (обычно воздух или гелий) запечатан внутри цилиндров с помощью поршня и перемещается между горячим и холодным пространством с помощью вытеснителя.Связь, приводящая в движение поршень и вытеснитель, будет перемещать их так, что газ будет сжиматься, когда он находится в основном в холодном пространстве сжатия, и расширяться в горячем пространстве расширения. Это ясно показано в анимации, созданной Ричардом Уилером (Зефирис) из Википедии.

См. Также анимацию, созданную Мэттом Кевени на его веб-сайте анимации двигателя Стирлинга. Поскольку газ имеет более высокую температуру и, следовательно, давление, во время его расширения, чем во время его сжатия, во время расширения вырабатывается больше энергии, чем реабсорбируется во время сжатия, и эта чистая избыточная мощность является полезной выходной мощностью двигателя.Обратите внимание, что здесь нет клапанов или прерывистого сгорания, который является основным источником шума в двигателе внутреннего сгорания. Один и тот же рабочий газ используется снова и снова, что делает двигатель Стирлинга герметичной системой с замкнутым циклом. Все, что добавляется в систему, — это устойчивое высокотемпературное тепло, и все, что удаляется из системы, — это низкотемпературное (отходящее) тепло и механическая мощность.

---

Афины, штат Огайо, являются центром деятельности по производству машин для цикла Стирлинга, как двигателей, так и охладителей, и включают в себя научно-исследовательские и производственные компании, а также всемирно признанных консультантов в области компьютерного анализа цикла Стирлинга.Материнской компанией этого направления является Sunpower, Inc. Она была основана Уильямом Билом в начале 1970-х годов, главным образом на основе его изобретения двигателя Стирлинга со свободным поршнем, который мы описываем ниже. Обновление (январь 2013 г.) : Sunpower недавно была приобретена AMETEK, Inc. в Пенсильвании, однако продолжает разработку веломашин Стирлинга в Афинах, штат Огайо. Обновление (ноябрь 2013 г.) : Sunpower недавно представила комплект разработчика Стирлинга мощностью 1 кВт, основанный на свободнопоршневом двигателе Стирлинга, работающем на пропане или природном газе.

Некоторые примеры одноцилиндровых двигателей Стирлинга: Stirling Technology Inc. является дочерней компанией Sunpower и была образована для продолжения разработки и производства двигателя ST-5 Air мощностью 5 кВт. Этот большой одноцилиндровый двигатель сжигает топливо из биомассы (например, гранулы из опилок или рисовую шелуху) и может работать в качестве когенерационной установки в сельской местности. Это не свободнопоршневой двигатель, в нем используется коленчатый кривошипный механизм для получения правильной фазы буйка. Другой важный ранний двигатель Стирлинга — машина Леманна, на которой Гусав Шмидт провел первый разумный анализ двигателей Стирлинга в 1871 году.Энди Росс из Колумбуса, штат Огайо, построил небольшую рабочую копию машины Lehmann, а также модель воздушного двигателя.

Когенерация солнечной энергии и тепла: В связи с нынешним кризисом в области энергетики и глобального потепления интерес к возобновляемым энергетическим системам, таким как ветровая и солнечная энергия, а также распределенным системам когенерации тепла и электроэнергии, возобновился. Cool Energy, Inc. из Боулдера, штат Колорадо, в настоящее время находится на продвинутой стадии разработки полной когенерационной системы солнечного тепла и энергии для домашнего использования, включающей технологию двигателя Стирлинга для выработки электроэнергии.Это уникальное приложение включает солнечные тепловые коллекторы с вакуумными трубками, аккумуляторы тепла, нагреватели горячей воды и помещения, а также двигатель / генератор Стирлинга.

Идеальный анализ: Обратите внимание, что следующий анализ двигателей цикла Стирлинга является идеальным и предназначен только в качестве примера анализа первого закона закрытых систем. В реальном мире нельзя ожидать, что реальные машины будут работать лучше, чем 40-50% идеальных машин. Анализ реальных машин цикла Стирлинга чрезвычайно сложен и требует сложного компьютерного анализа (см., Например, примечания к курсу: Анализ машины цикла Стирлинга.)

Двигатель Стирлинга со свободным поршнем, разработанный Sunpower, Inc, уникален тем, что отсутствует механическое соединение между поршнем и буйком, поэтому правильное фазирование между ними происходит за счет давления газа и сил пружины. Электроэнергия снимается с двигателя постоянными магнитами, прикрепленными к поршню, приводящему в действие линейный генератор переменного тока. По сути, идеальный двигатель Стирлинга подвергается 4 различным процессам, каждый из которых может быть проанализирован отдельно, как показано на диаграмме P-V ниже.Сначала мы рассматриваем работу, проделанную во время всех четырех процессов.

• Процесс 1-2 — это процесс сжатия, при котором газ сжимается поршнем, в то время как вытеснитель находится в верхней части цилиндра. Таким образом, во время этого процесса газ охлаждается, чтобы поддерживать постоянную температуру T _C . Работа W _1-2 , необходимая для сжатия газа, показана как площадь под кривой P-V и оценивается следующим образом.

• Процесс 2-3 — это процесс смещения постоянного объема, при котором газ перемещается из холодного пространства в горячее пространство расширения.Никакая работа не выполняется, однако, как мы увидим ниже, значительное количество тепла Q _R поглощается газом из матрицы регенератора.
• Процесс 3-4 — это процесс изотермического расширения. Работа W _3-4 выполняется системой и показана как область под диаграммой PV , в то время как тепло Q _3-4 добавляется в систему от источника тепла, поддерживая постоянную температуру газа. Т _Н .

• Наконец, процесс 4-1 представляет собой процесс вытеснения постоянного объема, который завершает цикл.Еще раз мы увидим ниже, что тепло Q _R отводится рабочим газом в матрицу регенератора.

Чистая работа, W _net , выполненная в течение цикла, определяется как: W _net = (W _3-4 + W _1-2 ), где работа сжатия W _1-2 отрицательный (работа в системе).

Теперь рассмотрим тепло, передаваемое во время всех четырех процессов, что позволит нам оценить термический КПД идеального двигателя Стирлинга.Напомним из предыдущего раздела, что для того, чтобы провести анализ идеального газа по Первому закону для определения передаваемого тепла, нам потребовалось разработать уравнения для определения изменения внутренней энергии Δu с точки зрения удельной теплоемкости идеального газа.

Два процесса постоянного объема образуются путем удержания поршня в фиксированном положении и перемещения газа между горячим и холодным пространством с помощью вытеснителя. Во время процесса 4-1 горячий газ отдает свое тепло Q _R , проходя через матрицу регенератора, которое впоследствии полностью восстанавливается в процессе 2-3.

Теперь из Первого Закона для цикла:

Таким образом, тепловой КПД:

Обратите внимание: таким образом, мы находим, что:

В главе 5 мы найдем, что это максимальный теоретический КПД, достижимый с помощью теплового двигателя, и обычно его называют КПД Карно .

Обратите внимание, что если регенератор отсутствует, тепло QR должно подаваться нагревателем. Таким образом, эффективность будет значительно снижена до.Кроме того, тогда охладителю придется отводить тепло, которое обычно поглощается регенератором, таким образом, охлаждающая нагрузка будет увеличена до Q _из + Q _R . Напомним, что Q _2-3 = Q _R = -Q _4-1 .

Обратите внимание, что практический цикл Стирлинга имеет много связанных с ним потерь и на самом деле не включает изотермические процессы или идеальную регенерацию. Кроме того, поскольку цикловые машины Стирлинга со свободным поршнем связаны с синусоидальным движением, диаграмма P-V имеет овальную форму, а не острые края, определенные на вышеприведенных диаграммах.Тем не менее, мы используем идеальный цикл Стирлинга, чтобы получить первоначальное представление о его характеристиках.

---

Охладитель цикла Стирлинга

Один из важных аспектов машин цикла Стирлинга, который мы должны учитывать, заключается в том, что цикл может быть обращен вспять — если мы добавим в цикл чистую работу, то его можно будет использовать для перекачки тепла от низкотемпературного источника в высокотемпературный сток. Sunpower, Inc. принимает активное участие в разработке холодильных систем цикла Стирлинга и производит криогенные охладители цикла Стирлинга для сжижения кислорода.В 1984 году Sunpower разработала дуплексную машину Стирлинга со свободным поршнем, имеющую всего три движущихся части, включая один поршень и два вытеснителя, в которой газовый двигатель Стирлинга приводил в действие охладитель цикла Стирлинга. Global Cooling, Inc. была основана в 1995 году как дочернее предприятие Sunpower и была образована в основном для разработки свободно-поршневых охладителей цикла Стирлинга для домашних холодильников. Эти системы, помимо того, что они значительно более эффективны, чем обычные парокомпрессионные холодильники, имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что они являются компактными портативными установками, в которых в качестве рабочей жидкости используется гелий (а не хладагенты HFC, такие как R134a, с потенциалом глобального потепления 1300). .Совсем недавно Global Cooling решила сосредоточить свои усилия на разработке систем, в которых практически нет конкурирующих систем — охлаждение от -40 ° C до -80 ° C, и они учредили новое название компании: Stirling Ultracold.

Нам повезло, что мы получили два оригинальных кулера M100B от Global Cooling. Один используется в качестве демонстрационного устройства и показан в действии на следующей фотографии. Второй блок представляет собой проект ME Senior Lab, в котором мы оцениваем фактическую производительность машины при различных заданных нагрузках и температурах.

---

Двигатель с воздушным стандартным дизельным циклом (воспламенение от сжатия)

Стандартный дизельный цикл Air — идеальный цикл для поршневых двигателей с воспламенением от сжатия (CI), впервые предложенных Рудольфом Дизелем более 100 лет назад. Следующая ссылка от Kruse Technology Partnership описывает работу четырехтактного дизельного двигателя, включая краткую историю Рудольфа Дизеля. Четырехтактный дизельный двигатель обычно используется в автомобильных системах, тогда как в более крупных морских системах обычно используется двухтактный дизельный цикл.И снова у нас есть отличная анимация, созданная Мэттом Кевени, демонстрирующая работу четырехтактного дизельного цикла.

Фактический цикл ХИ чрезвычайно сложен, поэтому в первоначальном анализе мы используем идеальное «стандартное для воздуха» допущение, в котором рабочая жидкость представляет собой фиксированную массу воздуха, проходящего полный цикл, который рассматривается как идеальный газ. Все процессы идеальны, горение заменяется добавлением тепла к воздуху, а выхлоп заменяется процессом отвода тепла, который восстанавливает воздух в исходное состояние.

Идеальный дизельный двигатель с воздушным стандартом подвергается 4 различным процессам, каждый из которых может быть проанализирован отдельно, как показано на диаграммах P-V ниже. Два из четырех процессов цикла — это адиабатических процессов (адиабатический = отсутствие передачи тепла), поэтому, прежде чем мы сможем продолжить, нам нужно разработать уравнения для адиабатического процесса идеального газа следующим образом:

Адиабатический процесс идеального газа (Q = 0)

Результаты анализа представлены в следующих трех общих формах, представляющих адиабатический процесс:

где k — коэффициент теплоемкостей и имеет номинальное значение 1.4 при 300К для воздуха.

Процесс 1-2 — это процесс адиабатического сжатия. Таким образом, температура воздуха увеличивается в процессе сжатия, и при большой степени сжатия (обычно> 16: 1) он достигает температуры воспламенения впрыскиваемого топлива. Таким образом, учитывая условия в состоянии 1 и степень сжатия двигателя, для определения давления и температуры в состоянии 2 (в конце процесса адиабатического сжатия) мы имеем:

Работа W _1-2 , необходимая для сжатия газа, показана как площадь под кривой P-V и оценивается следующим образом.

Альтернативный подход, использующий уравнение энергии, использует преимущество адиабатического процесса (Q _1-2 = 0) приводит к гораздо более простому процессу: Во время процесса 2-3 топливо впрыскивается и сгорает, что выражается в процессе расширения при постоянном давлении. В состоянии 3 («прекращение подачи топлива») процесс расширения продолжается адиабатически с понижением температуры до тех пор, пока расширение не будет завершено.

Процесс 3-4, таким образом, представляет собой процесс адиабатического расширения. Общая работа расширения составляет W _exp = (W _2-3 + W _3-4 ) и отображается как площадь под диаграммой P-V и анализируется следующим образом:

Наконец, процесс 4-1 представляет собой процесс отвода тепла с постоянным объемом.В реальном дизельном двигателе газ просто выпускается из цилиндра и вводится свежий воздух.

Чистая работа W _net , выполненная за цикл, определяется следующим образом: W _net = (W _exp + W _1-2 ), тогда как работа до сжатия W _1-2 отрицательна (работа сделал на системе ).

В двигателе с дизельным циклом воздушного стандарта тепловложение Q _в происходит за счет сжигания топлива, которое впрыскивается контролируемым образом, что в идеале приводит к процессу расширения 2-3 при постоянном давлении, как показано ниже.При максимальном объеме (нижняя мертвая точка) сгоревшие газы просто отводятся и заменяются свежим зарядом воздуха. Это представлено эквивалентным процессом отвода тепла с постоянным объемом Q _out = -Q _4-1 . Оба процесса анализируются следующим образом:

На этом этапе мы можем удобно определить КПД двигателя по тепловому потоку следующим образом:

Снова из Первого закона для цикла:

Таким образом, тепловой КПД:

---

Двигатель с циклом Отто стандарта Air (искровое зажигание)

Цикл Air Standard Otto — идеальный цикл для двигателей внутреннего сгорания Spark-Ignition (SI), впервые предложенных Николаусом Отто более 130 лет назад и который в настоящее время используется в большинстве автомобилей.Следующая ссылка от Kruse Technology Partnership представляет описание четырехтактного цикла Отто, включая краткую историю Николауса Отто. И снова у нас есть отличные анимации, созданные Мэттом Кевени, демонстрирующие работу как четырехтактного, так и двухтактного двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием.

Анализ цикла Отто очень похож на анализ дизельного цикла, который мы анализировали в предыдущем разделе. В нашем анализе мы будем использовать идеальное «стандартное» допущение.Таким образом, рабочая жидкость представляет собой фиксированную массу воздуха, проходящего полный цикл, которая рассматривается на всем протяжении как идеальный газ. Все процессы идеальны, горение заменяется добавлением тепла к воздуху, а выхлоп заменяется процессом отвода тепла, который восстанавливает воздух в исходное состояние.

Наиболее существенное различие между идеальным циклом Отто и идеальным дизельным циклом — это способ воспламенения топливно-воздушной смеси. Напомним, что в идеальном дизельном цикле чрезвычайно высокая степень сжатия (около 18: 1) позволяет воздуху достигать температуры воспламенения топлива.Затем впрыскивается топливо, так что процесс воспламенения происходит при постоянном давлении. В идеальном цикле Отто топливно-воздушная смесь вводится во время такта впуска и сжимается до гораздо более низкой степени сжатия (около 8: 1), а затем воспламеняется от искры. Сгорание приводит к внезапному скачку давления, в то время как объем остается практически постоянным. Продолжение цикла, включая процессы расширения и выхлопа, по существу идентичны таковому в идеальном дизельном цикле.

Принципиальная схема, сопровождаемая анимированной схемой кулера (обе любезно предоставлены Global Cooling), показаны ниже: Концептуально охладитель представляет собой чрезвычайно простое устройство, состоящее всего из двух движущихся частей — поршня и вытеснителя. Вытеснитель перемещает рабочий газ (гелий) между пространством сжатия и расширения. Фазирование между поршнем и вытеснителем таково, что, когда большая часть газа находится в окружающем пространстве сжатия, поршень сжимает газ, отводя тепло в окружающую среду.Затем вытеснитель вытесняет газ через регенератор в холодное пространство расширения, а затем как вытеснитель, так и поршень позволяют газу расширяться в этом пространстве, поглощая тепло при низкой температуре.

Вода движется внутри трубы со скоростью 75 м / с с расходом 145 кг / дюйм для выработки энергии за счет перемещения пропеллера, расположенного внутри трубы.

Дано:

Скорость (v) = 75 м / с

Массовый расход = 145 кг / с

Найдите:

Определите мощность, генерируемую гребным винтом.

Решение

15.1 Первый закон термодинамики — Физика в колледже для курсов AP®

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определите первый закон термодинамики.
• Опишите, как сохранение энергии соотносится с первым законом термодинамики.
• Укажите примеры первого закона термодинамики, работающие в повседневных ситуациях, включая биологический метаболизм.
• Рассчитать изменения внутренней энергии системы после учета теплопередачи и проделанной работы.

Информация, представленная в этом разделе, поддерживает следующие цели обучения AP® и научные практики:

• 4.C.3.1 Учащийся может делать прогнозы о направлении передачи энергии из-за разницы температур на основе взаимодействий при микроскопический уровень. (S.P.6.1)
• 5.B.4.1 Учащийся может описывать и делать прогнозы о внутренней энергии систем. (С.П. 6.4, 7.2)
• 5.B.7.1 Учащийся может предсказать качественные изменения внутренней энергии термодинамической системы, включая передачу энергии за счет тепла или проделанной работы, и обосновать эти прогнозы с точки зрения принципов сохранения энергии. (С.П. 6.4, 7.2)

Рис. 15.2 Этот кипящий чайник представляет энергию в движении.Вода в чайнике превращается в водяной пар, потому что тепло передается от плиты к чайнику. По мере того, как вся система нагревается, работа выполняется — от испарения воды до свиста чайника. (кредит: Джина Гамильтон)

Если нас интересует, как теплопередача преобразуется в работу, то принцип сохранения энергии важен. Первый закон термодинамики применяет принцип сохранения энергии к системам, в которых передача тепла и выполнение работы являются методами передачи энергии в систему и из нее.Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии системы равно чистой теплопередаче в системе за вычетом чистой работы, выполненной системой. В форме уравнения первый закон термодинамики равен

. ΔU = Q − W. ΔU = Q − W. размер 12 {ΔU = Q — W} {}

15,1

Здесь ΔUΔU размер 12 {ΔU} {} — это изменение внутренней энергии UU размер 12 {U} {} системы. QQ размер 12 {Q} {} — это чистое тепло , переданное в систему , то есть размер QQ 12 {Q} {} представляет собой сумму всей теплопередачи в систему и из нее.WW размер 12 {W} {} — это чистая работа, выполненная системой. , то есть WW размер 12 {W} {} — это сумма всей работы, выполненной в системе или ею. Мы используем следующие условные обозначения: если размер QQ 12 {Q} {} положительный, значит, имеется чистый теплоперенос в систему; если размер WW 12 {W} {} положительный, значит, система выполняет сетевую работу. Таким образом, положительный размер QQ 12 {Q} {} добавляет энергию в систему, а положительный размер WW 12 {W} {} забирает энергию из системы. Таким образом, ΔU = Q − WΔU = Q − W размер 12 {ΔU = Q — W} {}.Также обратите внимание, что если в систему передается больше тепла, чем проделанной работы, разница сохраняется как внутренняя энергия. Тепловые двигатели — хороший тому пример: в них происходит передача тепла, чтобы они могли выполнять свою работу. (См. Рис. 15.3.) Теперь мы рассмотрим размер QQ 12 {Q} {}, размер WW 12 {W} {} и размер ΔUΔU 12 {ΔU} {}.

Рис. 15.3 Первый закон термодинамики — это принцип сохранения энергии, установленный для системы, в которой тепло и работа являются методами передачи энергии для системы, находящейся в тепловом равновесии.QQ размером 12 {Q} {} представляет собой чистую теплопередачу — это сумма всех теплопередач в систему и из нее. Размер QQ 12 {Q} {} положителен для чистой передачи тепла в систему. Размер WW 12 {W} {} — это общий объем работы, выполняемой системой. Размер WW 12 {W} {} является положительным, когда выполняет больше работы система, чем на ней. Изменение внутренней энергии системы, ΔUΔU размер 12 {ΔU} {}, связано с теплом и работой согласно первому закону термодинамики, ΔU = Q − WΔU = Q − W размер 12 {ΔU = Q — W} {}.

Установление связей: закон термодинамики и закон сохранения энергии

Первый закон термодинамики — это закон сохранения энергии, сформулированный в форме, наиболее полезной в термодинамике. Первый закон устанавливает связь между теплопередачей, проделанной работой и изменением внутренней энергии системы.

Heat

Q и Work W

Теплопередача (размер QQ 12 {Q} {}) и выполнение работы (размер WW 12 {W} {}) — два повседневных средства передачи или отвода энергии системы.Процессы совершенно разные. Теплообмен, менее организованный процесс, обусловлен разницей температур. Работа — это вполне организованный процесс, в котором действует макроскопическая сила, действующая на расстоянии. Тем не менее тепло и работа могут дать одинаковые результаты. Например, оба могут вызвать повышение температуры. Передача тепла в систему, например, когда Солнце нагревает воздух в велосипедной шине, может повысить ее температуру, и поэтому может работать над системой, например, когда велосипедист нагнетает воздух в шину.Как только произошло повышение температуры, невозможно сказать, было ли оно вызвано теплопередачей или работой. Эта неопределенность — важный момент. Теплообмен и работа — это энергия в пути, и ни одна из них не хранится как таковая в системе. Однако оба могут изменить размер UU внутренней энергии 12 {U} {} системы. Внутренняя энергия — это форма энергии, совершенно отличная от тепла или работы.

Внутренняя энергия

U

Мы можем думать о внутренней энергии системы двумя разными, но последовательными способами.Первый — это атомно-молекулярная точка зрения, которая исследует систему в атомном и молекулярном масштабе. Внутренняя энергия UU размером 12 {U} {} системы представляет собой сумму кинетической и потенциальной энергий ее атомов и молекул. Напомним, что кинетическая плюс потенциальная энергия называется механической энергией. Таким образом, внутренняя энергия — это сумма атомной и молекулярной механической энергии. Поскольку невозможно отследить все отдельные атомы и молекулы, мы должны иметь дело со средними значениями и распределениями.Второй способ взглянуть на внутреннюю энергию системы — с точки зрения ее макроскопических характеристик, которые очень похожи на средние атомные и молекулярные значения.

Макроскопически мы определяем изменение внутренней энергии ΔUΔU размером 12 {ΔU} {} как значение, определяемое первым законом термодинамики:

ΔU = Q − W. ΔU = Q − W. размер 12 {ΔU = Q — W} {}

15,2

Многие подробные эксперименты подтвердили, что ΔU = Q − WΔU = Q − W размер 12 {ΔU = Q — W} {}, где ΔUΔU размер 12 {ΔU} {} — это изменение полной кинетической и потенциальной энергии всех атомов и молекулы в системе.Экспериментально также было определено, что внутренняя энергия UU размером 12 {U} {} системы зависит только от состояния системы и не от того, как она достигла этого состояния . Более конкретно, размер UU 12 {U} {} оказывается функцией нескольких макроскопических величин (например, давления, объема и температуры), независимо от прошлой истории, например от того, была ли проведена теплопередача или проделана работа. . Эта независимость означает, что, зная состояние системы, мы можем вычислить изменения ее внутренней энергии UU размером 12 {U} {} на основе нескольких макроскопических переменных.

Соединения в реальном мире: Поршни

В предыдущей главе температура была связана со средней кинетической энергией отдельных молекул в материале. Это относится к концепции полной внутренней энергии в системе. Напомним, что полная внутренняя энергия системы определяется как сумма всех кинетических энергий всех элементов системы плюс сумма всех потенциальных энергий взаимодействий между всеми парами элементов в системе. Например, рассмотрим двигатель внутреннего сгорания, в котором поршень находится в цилиндре.Сначала поршень сжимает газ в цилиндре, заставляя молекулы ближе друг к другу и изменяя их потенциальную энергию за счет внешней силы, выполняющей работу с системой. Это ход сжатия, рисунок 15.4 (б). Затем топливо сгорает в цилиндре, повышая температуру и, следовательно, кинетическую энергию всех молекул. Следовательно, внутренняя энергия системы была преобразована в химическую потенциальную энергию в кинетическую. Это происходит между тактами сжатия и мощности на рисунке.Затем поршень выталкивается обратно, используя часть внутренней энергии системы для работы с внешней системой, как показано в рабочем ходе на рисунке.

Рисунок 15.4 Поршни двигателя внутреннего сгорания в цилиндре.

Установление соединений: макроскопические и микроскопические

В термодинамике мы часто используем макроскопическую картину при расчетах поведения системы, в то время как атомная и молекулярная картина дает основные объяснения в терминах средних значений и распределений.Мы еще раз увидим это в следующих разделах этой главы. Например, в теме энтропии расчеты будут производиться с использованием атомно-молекулярного представления.

Чтобы лучше понять, как думать о внутренней энергии системы, давайте рассмотрим систему, переходящую из состояния 1 в состояние 2. Система имеет внутреннюю энергию U1U1 размером 12 {U rSub {размер 8 {1}}} {} в Состоянии 1, и он имеет внутреннюю энергию U2U2 размером 12 {U rSub {размер 8 {2}}} {} в Состоянии 2, независимо от того, как он попал в любое из состояний.Таким образом, изменение внутренней энергии ΔU = U2-U1ΔU = U2-U1 размер 12 {ΔU = U rSub {размер 8 {2}} — U rSub {размер 8 {1}}} {} не зависит от того, что вызвало изменение. Другими словами, ΔUΔU размер 12 {ΔU} {} не зависит от пути . Под путем мы понимаем способ добраться от начальной точки до конечной точки. Почему важна эта независимость? Обратите внимание, что ΔU = Q − WΔU = Q − W размер 12 {ΔU = Q — W} {}. И размер QQ 12 {Q} {}, и размер WW 12 {W} {} зависят от пути , а размер ΔUΔU 12 {ΔU} {} — нет. Эта независимость от пути означает, что внутреннюю энергию UU размером 12 {U} {} легче учесть, чем передачу тепла или проделанную работу.

Пример 15.1

Расчет изменения внутренней энергии: такое же изменение размера 12 {U} {} UU производится двумя разными процессами

(a) Предположим, что теплопередача в систему составляет 40,00 Дж, в то время как система выполняет работу 10,00 Дж. Позже происходит передача тепла из системы на 25,00 Дж, в то время как в системе выполняется 4,00 Дж работы. Каково чистое изменение внутренней энергии системы?

(б) Каково изменение внутренней энергии системы, когда всего 150.00 Дж теплообмена происходит из (от) системы и 159,00 Дж работы выполняется в системе? (См. Рисунок 15.5).

Стратегия

В части (а) мы должны сначала найти чистую теплопередачу и чистую работу, выполненную на основе данной информации. Тогда первый закон термодинамики (ΔU = Q − W) (ΔU = Q − W размер 12 {ΔU = Q — W} {}) может быть использован для определения изменения внутренней энергии. В части (b) приведены чистая теплопередача и проделанная работа, поэтому уравнение можно использовать напрямую.

Решение для (a)

Чистая теплопередача — это теплопередача в систему за вычетом теплопередачи из системы, или

Q = 40.00J − 25,00 Дж = 15,00 Дж. Q = 40,00 Дж − 25,00 Дж = 15,00 Дж. размер 12 {Q = «40» «.» «00» «J» — «25» «. «00» «J» = «15» «.» «00» «J»} {}

15,3

Аналогично, общая работа — это работа, выполненная системой за вычетом работы, выполненной в системе, или

W = 10,00J − 4,00J = 6,00 J.W = 10,00J − 4,00J = 6,00 J. размер 12 {W = «10» «.» «00» «J» -4 «.» «00» «J» = 6 «.» «00» «J»} {}

15,4

Таким образом, изменение внутренней энергии определяется первым законом термодинамики:

ΔU = Q − W = 15,00J − 6,00J ​​= 9,00 Дж. ΔU = Q − W = 15.00J − 6.00J = 9.00 J. размер 12 {DU = Q-W = «15» «.» «00» «J» -6 «.» «00» «J» = 9 «.» «00» «J»} {}

15.5

Мы также можем найти изменение внутренней энергии для каждого из двух шагов. Во-первых, рассмотрим 40,00 Дж теплопередачи на входе и 10,00 Дж на тренировке, или

. ΔU1 = Q1 − W1 = 40,00J − 10,00J = 30,00 J. ΔU1 = Q1 − W1 = 40,00J − 10,00J = 30,00 J. размер 12 {DU rSub {размер 8 {1}} = Q rSub {размер 8 {1 }} -W rSub {размер 8 {1}} = «40» «.» «00» «J» — «10» «. «00» «J» = «30» «.» «00» «J»} {}

15,6

Теперь рассмотрим 25.00 Дж отвод тепла и 4,00 Дж работы на входе, или

ΔU2 = Q2 − W2 = -25,00 Дж — (- 4,00 Дж) = — 21,00 Дж. ΔU2 = Q2 − W2 = -25,00 Дж — (- 4,00 Дж) = — 21,00 Дж. Размер 12 {DU rSub {размер 8 {2 }} = Q rSub {размер 8 {2}} -W rSub {размер 8 {2}} «= -» «25» «.» «00» «J» — \ (-4 «.» «00» «J» \) «= -» «21» «.» «00» «J»} {}

15,7

Общее изменение — это сумма этих двух шагов, или

ΔU = ΔU1 + ΔU2 = 30,00J + −21,00J = 9,00 J.ΔU = ΔU1 + ΔU2 = 30,00J + −21,00J = 9,00 J. размер 12 {DU = DU rSub {размер 8 {1}} + DU rSub {размер 8 {2}} = «30» «.»» 00 «» J «+ left (-» 21 «». «» 00 «» J «right) = 9». «» 00 «» J «} {}

15,8

Обсуждение на (a)

Неважно, смотрите ли вы на процесс в целом или разбиваете его на этапы, изменение внутренней энергии одинаково.

Решение для (b)

Здесь чистая теплопередача и общая работа даны как Q = –150,00 JQ = –150,00 Дж для размера 12 {Q «= -» «150» «». «00» «J»} {} и W = –159,00 JW = –159,00 J, размер 12 {W «= -» «159» «.» «00» «J»} {}, так что

ΔU = Q – W = –150.00 Дж — (- 159,00 Дж) = 9,00 Дж. ΔU = Q – W = –150,00 Дж — (- 159,00 Дж) = 9,00 Дж. Размер 12 {DU = Q-W «= -» «150» «.» «00» «J» — \ (- «159» «.» «00» «J» \) = 9 «.» «00» «Дж»} {}

15,9

Обсуждение (b)

Совершенно другой процесс в части (b) дает такое же изменение внутренней энергии на 9,00 Дж, что и в части (a). Обратите внимание, что изменение в системе в обеих частях связано с размером ΔUΔU 12 {ΔU} {}, а не с отдельным QQ размером 12 {Q} {} s или размером WW 12 {W} {} s. Система оказывается в том же состоянии как в (a), так и (b).Части (a) и (b) представляют два разных пути, которыми должна следовать система между одними и теми же начальными и конечными точками, и изменение внутренней энергии для каждой из них одинаково — оно не зависит от пути.

Рисунок 15.5 Два разных процесса производят одно и то же изменение в системе. (a) Всего в системе происходит передача тепла 15,00 Дж, в то время как работа потребляет в общей сложности 6,00 Дж. Изменение внутренней энергии составляет ΔU = Q − W = 9,00 Дж ΔU = Q − W = 9,00 Дж для размера 12 { DU = QW = 9 «.» «00» «J»} {}. (б) Отвод тепла 150.00 Дж из системы во время работы дает ей 159,00 Дж, увеличивая внутреннюю энергию на 9,00 Дж. Если система начинается в одном и том же состоянии в пунктах (а) и (б), она окажется в одном и том же конечном состоянии в любом случае — ее конечное состояние связано с внутренней энергией, а не с тем, как эта энергия была получена.

Применение научных методов: энергия в картофельной пушке

Спланируйте и спланируйте эксперимент по измерению полной энергии картофельной пушки. Как вы будете измерять, сколько работы было выполнено? Как вы рассчитаете вложенную энергию? Как тогда можно оценить, сколько тепла было отпущено? Какие переменные необходимо поддерживать постоянными в нескольких испытаниях для достижения наилучших результатов?

Траектория снаряда должна быть измеримой и позволять рассчитывать проделанную работу.Подвод энергии следует рассчитывать исходя из типа используемого топлива. Было бы полезно использовать одинаковое количество топлива в каждом испытании. Тепловую мощность можно оценить путем сравнения подводимой энергии с энергией, необходимой для выполнения работы.

Метаболизм человека и первый закон термодинамики

Метаболизм человека — это преобразование пищи в теплообмен, работу и накопленный жир. Метаболизм — интересный пример действия первого закона термодинамики. Теперь мы еще раз посмотрим на эти темы с помощью первого закона термодинамики.Рассматривая тело как интересующую нас систему, мы можем использовать первый закон для изучения теплопередачи, выполнения работы и внутренней энергии в различных видах деятельности, от сна до тяжелых упражнений. Каковы некоторые из основных характеристик теплопередачи, выполнения работы и энергии в организме? Во-первых, температура тела обычно поддерживается постоянной за счет передачи тепла в окружающую среду. Это означает, что размер QQ 12 {Q} {} отрицательный. Другой факт: тело обычно работает с внешним миром. Это означает, что размер WW 12 {W} {} положительный.В таких ситуациях тело теряет внутреннюю энергию, поскольку ΔU = Q − WΔU = Q − W размер 12 {ΔU = Q — W} {} отрицательно.

Теперь рассмотрим эффекты еды. Прием пищи увеличивает внутреннюю энергию тела за счет добавления химической потенциальной энергии (это неромантичный взгляд на хороший стейк). Организм метаболизирует всю пищу, которую мы потребляем. По сути, метаболизм — это процесс окисления, в котором высвобождается химическая потенциальная энергия пищи. Это означает, что питание осуществляется в форме работы.Энергия пищи указывается в специальной единице, известной как калория. Эта энергия измеряется сжиганием пищи в калориметре, как и определяются единицы.

В химии и биохимии одна калория (обозначается строчной буквой c) определяется как энергия (или теплопередача), необходимая для повышения температуры одного грамма чистой воды на один градус Цельсия. Диетологи и любители веса обычно используют диетических калорий, которые часто называют калориями (пишется с заглавной буквы ° C).Одна еда Калория — это энергия, необходимая для повышения температуры одного килограмма воды на один градус Цельсия. Это означает, что одна диетическая калория для химика равна одной килокалории, и нужно быть осторожным, чтобы не путать эти две калории.

Опять же, рассмотрим внутреннюю энергию, потерянную телом. Эта внутренняя энергия может идти по трем направлениям — на теплопередачу, выполнение работы и накопленный жир (крошечная часть также идет на восстановление и рост клеток). Передача тепла и выполнение работы забирают внутреннюю энергию из организма, а пища возвращает ее.Если вы едите необходимое количество пищи, ваша средняя внутренняя энергия остается постоянной. Все, что вы теряете на теплопередачу и выполнение работы, заменяется едой, так что в конечном итоге ΔU = 0ΔU = 0 размер 12 {ΔU = 0} {}. Если вы постоянно переедаете, то ΔUΔU размер 12 {ΔU} {} всегда положительно, и ваше тело сохраняет эту дополнительную внутреннюю энергию в виде жира. Обратное верно, если вы едите слишком мало. Если ΔUΔU размер 12 {ΔU} {} будет отрицательным в течение нескольких дней, тогда организм метаболизирует собственный жир, чтобы поддерживать температуру тела и выполнять работу, которая забирает у тела энергию.Именно так соблюдение диеты способствует снижению веса.

Жизнь не всегда так проста, как знает любой человек, сидящий на диете. Организм накапливает жир или метаболизирует его только в том случае, если потребление энергии меняется в течение нескольких дней. После того, как вы сели на основную диету, следующая будет менее успешной, потому что ваше тело изменит способ реагирования на низкое потребление энергии. Ваша основная скорость метаболизма (BMR) — это скорость, с которой пища преобразуется в теплообмен и работу, выполняемую, когда организм находится в полном покое. Организм регулирует базальную скорость метаболизма, чтобы частично компенсировать переедание или недоедание.Организм будет снижать скорость метаболизма, а не устранять собственный жир, чтобы восполнить потерянную пищу. Вы легче простужаетесь и чувствуете себя менее энергичным из-за более низкой скорости метаболизма, и вы не будете терять вес так быстро, как раньше. Упражнения помогают похудеть, потому что они обеспечивают теплоотдачу от вашего тела и работы, а также повышают уровень метаболизма, даже когда вы находитесь в состоянии покоя. Снижению веса также способствует довольно низкая эффективность тела в преобразовании внутренней энергии в работу, так что потеря внутренней энергии в результате выполнения работы намного больше, чем проделанная работа. Однако следует отметить, что живые системы не находятся в тепловом равновесии.

Тело дает нам отличный индикатор того, что многие термодинамические процессы необратимы . Необратимый процесс может идти в одном направлении, но не в обратном, при заданном наборе условий. Например, хотя телесный жир может быть преобразован для выполнения работы и передачи тепла, работа, выполняемая телом, и передача тепла в него не могут быть преобразованы в телесный жир.В противном случае мы могли бы пропустить обед, загорая или спустившись по лестнице. Другой пример необратимого термодинамического процесса — фотосинтез. Этот процесс представляет собой поглощение растениями одной формы энергии — света — и ее преобразование в химическую потенциальную энергию. Оба приложения первого закона термодинамики показаны на рис. 15.6. Одним из огромных преимуществ законов сохранения, таких как первый закон термодинамики, является то, что они точно описывают начальную и конечную точки сложных процессов, таких как метаболизм и фотосинтез, без учета промежуточных осложнений.В таблице 15.1 представлены термины, относящиеся к первому закону термодинамики.

Рис. 15.6 (а) Первый закон термодинамики применительно к метаболизму. Тепло, передаваемое из тела (размер QQ 12 {Q} {}), и работа, выполняемая телом (размер WW 12 {W} {}), удаляют внутреннюю энергию, в то время как прием пищи заменяет ее. (Прием пищи можно рассматривать как работу, выполняемую телом.) (Б) Растения преобразуют часть лучистой теплопередачи в солнечном свете в накопленную химическую энергию — процесс, называемый фотосинтезом.

Срок	Определение
UU размер 12 {U} {}	Внутренняя энергия — сумма кинетической и потенциальной энергий атомов и молекул системы. Можно разделить на множество подкатегорий, таких как тепловая и химическая энергия. Зависит только от состояния системы (например, размера PP 12 {P} {}, размера VV 12 {V} {} и размера TT 12 {T} {}), а не от того, как энергия поступает в систему.Изменение внутренней энергии не зависит от пути.
QQ размер 12 {Q} {}	Тепло — энергия, передаваемая из-за разницы температур. Характеризуется случайным движением молекул. Сильно зависит от пути. QQ size 12 {Q} {} вход в систему положительный.
WW, размер 12 {W} {}	Работа — энергия, передаваемая силой, перемещающейся на расстояние.Организованный, упорядоченный процесс. Зависит от пути. Размер WW 12 {W} {}, выполненный системой (либо против внешней силы, либо для увеличения объема системы), является положительным.

Таблица 15.1 Краткое изложение терминов для первого закона термодинамики, ΔU = Q − W

Прикладная физика бензиновых двигателей, часть 1

Дуайт Э. Нойеншвандер, Южный Назаренский университет

См. Также: Прикладная физика бензиновых двигателей, часть 2

На протяжении последних двух десятилетий я проводил на различных курсах практическое упражнение под названием «Лаборатория трупа двигателя».[1] В отличие от биологов, мы собираем наши трупы, потому что мы рассекаем двигатели газонокосилок (рис. 1)! Опыт всегда доставлял много удовольствия. В дополнение к новым открытиям в области физики, большинство студентов сообщают о том, что они возникли в результате этого, с повышенным уважением к своим автомобилям и глубоким восхищением умными умами, которые предвидели, как все эти системы, состоящие из неодушевленной материи, могут быть скомпонованы, чтобы дать машине жизнь. собственноручно.

За редкими исключениями, большинство студентов приступают к этому упражнению, не имея большого представления о том, что происходит внутри автомобильного двигателя.(Тем, кто имеет опыт работы в области механики, отводятся роли помощников преподавателя). Большинство студентов взаимодействуют с автомобилем, заливая бензин в бак и направляя машину вниз по дороге. Это безразличие предполагает, что в нашем обществе мы воспринимаем наши машины как должное, довольствуясь тем, что не понимаем, как они работают, даже несмотря на то, что мы становимся все более зависимыми от них. Такое отсутствие любопытства, я полагаю, совершенно чуждо студентам-физикам.

В этой статье мы исследуем внутреннее устройство бензинового четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, который используется в большинстве автомобилей, легких грузовиков, мотоциклов, легких самолетов и газонокосилок.Базовый дизайн датируется примерно 1890 годом; его долговечность указывает на его надежность. С тех пор четырехтактные бензиновые двигатели стали намного более эффективными и мощными, а их сложность становилась все более сложной, поскольку мы предъявляем к ним все более и более противоречивые требования. Но основная анатомия двигателя Ferrari V12 имеет много общего с двухцилиндровым Fiat 1899 года выпуска. Основные идеи, лежащие в основе двигателя, можно понять, изучив простейший из двигателей — одноцилиндровый двигатель газонокосилки с воздушным охлаждением и клапанами в блоке, который имеет зажигание от магнита, запуск от натяжения и смазку разбрызгиванием.Вариации этого двигателя десятилетиями создавались такими марками, как Briggs & Stratton, Jacobsen и Tecumseh. В силу своей простоты эти простые машины предлагают для всех двигателей уровень понимания, аналогичный по глубине тому, который дает атом водорода для всех атомов. [2]

На примере двигателя косилки в этой первой из серии из двух частей мы очерчиваем основную анатомию четырехтактного бензинового двигателя, а также его смазку и охлаждение. Мы также определяем термодинамический верхний предел эффективности четырехтактного бензинового двигателя.Попутно отметим отличия одноцилиндрового двигателя косилки от более сложных четырехтактных двигателей.

Часть 2, которая будет опубликована в следующем номере журнала, обсудит воздушную и топливную системы двигателя, а также систему зажигания с ее магнето, цепь RLC и свечу зажигания. Эти технические примечания будут сопровождаться наблюдениями о наших отношениях с нашими автомобилями. Они включают в себя признание и уважение к этим чудесным машинам, одновременно осознавая высокую цену, которую платит общество и окружающая среда за их огромное количество.В заключение мы поговорим об отношениях между известными физиками и их моторизованными товарищами.

Анатомия двигателя и четырехтактный цикл

Двигатель получает энергию за счет передачи тепла от источника при одной или нескольких высоких температурах, преобразует часть подводимого тепла в работу и отдает оставшуюся энергию в виде тепла в окружающую среду при низкой температуре [3]. В бензиновом двигателе тепловложение происходит от периодического взрывного горения порции испаренного бензина.Энергия каждого взрыва толкает поршень вниз по цилиндру (при первом упоминании детали и названия процессов выделены курсивом). Вместо того, чтобы вылетать из цилиндра через гараж, поступательное движение поршня преобразуется коленчатым валом в угловой момент. Чтобы увидеть, как работает коленчатый вал, представьте, что едете на велосипеде; линейное движение ваших коленей вверх и вниз преобразуется во вращение педалями, которые смещены относительно оси вращения звездочки.

Основным корпусом двигателя является экзоскелет, называемый блоком, — удивительно сложная отливка, которая поддерживает вращающиеся или скользящие детали на критических поверхностях, обработанных с точностью до одной тысячной дюйма (рис.2). Доминирующим элементом в блоке являются одно или несколько больших отверстий, упомянутых выше цилиндров. Двигатель косилки, который мы здесь разбираем, имеет один цилиндр. Поршень соединен с коленчатым валом шатуном (рис. 3; в аналогии с велосипедом ваша голень служит шатуном). Верхний конец штока крепится внутри поршня с помощью наручного пальца, от которого шток раскачивается взад и вперед, как маятник. На нижнем конце штока имеется съемный колпачок, который плотно прилегает к шатунной шейке, смещенной части коленчатого вала.Поскольку массы поршня, шатуна и шатунной шейки лежат вне оси вращения коленчатого вала, в коленчатый вал врезаны противовесы, чтобы уравновесить весь узел вокруг этой оси. Коленчатый вал удерживается на месте коренными подшипниками в блоке под цилиндром.

В дальнейшем мы представляем цилиндр, расположенный вертикально, а коленчатый вал — горизонтально под цилиндром. Многие косилки устанавливают двигатель так, чтобы цилиндр располагался горизонтально, а коленчатый вал — вертикально, чтобы вращать нож в горизонтальном направлении.Большинство автомобилей имеют четыре или более цилиндра с горизонтальным расположением коленчатого вала. Цилиндры могут располагаться вертикально по прямой линии (например, Pontiac 1954 года «Straight-8»), они могут быть наклонены двумя рядами для образования буквы V (например, Corvette «V8»), или они могут располагаться горизонтально или « плоский », чтобы снизить центр тяжести (например, Porsche 911« Flat-6 »).

Движение поршня от самой нижней точки в цилиндре (нижняя мертвая точка, или НМТ) до его наивысшей точки (верхняя мертвая точка, или ВМТ) или в обратном направлении от ВМТ к НМТ, является одним ходом работы двигателя.За каждый ход коленчатый вал поворачивается на пол-оборота. Термин «ход» также относится к расстоянию между ВМТ и НМТ. Диаметр цилиндра называется расточкой. Объем, определяемый ходом и отверстием, объем, вытесняемый верхней поверхностью поршня за один ход, и есть смещение этого цилиндра. Объем всех цилиндров двигателя является одним из показателей его рабочих характеристик. Если у вас «Корвет 427», рабочий объем его восьми цилиндров равен 427 кубическим дюймам.Конструкторы двигателей, использующие метрические единицы измерения, описывают рабочий объем двигателя в литрах или кубических сантиметрах.

Плотность энергии бензина составляет около 45 мегаджоулей на килограмм. [4] Чем больше бензина поступает в двигатель за цикл его работы, тем большую мощность он может производить. У двигателей одинаковой конструкции выходная мощность зависит от рабочего объема. Машины первого поколения с бензиновым двигателем, построенные в 1890-х годах, производили примерно такое же количество энергии, что и двигатель нашей косилки, а автомобили, которые они приводили в действие, работали примерно так же, как одна из сегодняшних небольших ездовых газонокосилок.В первой в мире автогонке 1895 года из Парижа в Бордо и обратно приняли участие 15 бензиновых автомобилей (специализированных гоночных автомобилей еще не существовало), один электромобиль и шесть пароходов. Гонку выиграл Эмиль Левассор на своем Panhard-Levassor с двигателем Daimler объемом 1200 куб. См (73 куб. Дюйма) мощностью 3,5 лошадиных силы (1 л.с. = 745,7 Вт). Левассор проехал 723-мильную дистанцию ​​практически без остановок со средней скоростью 14,9 миль в час [5]. Мотор газонокосилки, предназначенный для мотокосилок, производит около 3.75 л.с. при рабочем объеме около 12 куб. дюйм [6] Его вековая конструкция все еще производится сегодня, потому что для предполагаемого применения доминирующим достоинством является простота.

Для увеличения мощности смещения конструкций первого поколения были быстро увеличены. Первый Гран-при специализированных гоночных автомобилей прошел в Ле-Мане, Франция, в 1906 году. Двигатель Renault, победившего, имел рабочий объем 12,8 литра (781 куб. Дюйм), развивал 105 л.с. и развивал среднюю скорость 62,88. миль в час, что означает, что на прямых участках он разгонялся до 100 миль в час.Но революция в эффективности была не за горами, когда мощность на рабочий объем станет столь же критичной, как и сам рабочий объем. Peugeot, выигравший Гран-при Франции 1912 года, имел объем всего 7,6 литра, соревнуясь с огромными 14-литровыми Fiat и 15-литровыми Lorraine-Dietrichs [7]. Некоторые конструктивные изменения, которые привели к более высокому соотношению мощности к рабочему объему, будут описаны ниже, поскольку мы исследуем простую конструкцию двигателя косилки, которая перекликается с автомобильными двигателями первого поколения.

В верхней части цилиндра находится головка (рис.4), с прокладкой головки, расположенной между блоком и головкой для образования плотного уплотнения при затяжке болтов головки (примерно до 12 фунт-футов). Пространство между поршнем в ВМТ и выступом головки над цилиндром образует камеру сгорания. Подвод искры к летучей смеси бензина и воздуха в камере сгорания выстреливает поршнем вниз по цилиндру, чтобы вращать коленчатый вал с помощью шатуна. Как топливовоздушная смесь попадает в цилиндр, как из него выводятся продукты сгорания и как доставляется искра в решающий момент?

Двигатель нашей косилки имеет два клапана, которые обеспечивают проход в цилиндр, впускной и выпускной клапан.Рассмотрим двигатель, работающий на скорости (обороты двигателя измеряются в об / мин, угловая скорость коленчатого вала в оборотах в минуту). Начнем с момента, когда оба клапана закрыты и поршень мгновенно оказывается в ВМТ. Это состояние отмечает начало четырехтактного цикла работы двигателя: такты впуска, сжатия, мощности и выпуска.

(1) Такт впуска: при вращении коленчатого вала поршень опускается вниз, и впускной клапан открывается. Разница давлений между внутренним пространством цилиндра и наружным воздухом толкает топливовоздушную смесь в цилиндр по мере того, как поршень опускается.Когда поршень достигает НМТ, впускной клапан закрывается.

(2) Такт сжатия: Поршень движется назад при закрытых обоих клапанах, сжимая топливно-воздушную смесь. Пусть V2 будет объемом газа внутри цилиндра, когда поршень находится в НМТ, и пусть V1 будет обозначать объем с поршнем в ВМТ. Степень сжатия V2 / V1 является еще одним показателем производительности двигателя. Двигатели, предназначенные для работы в течение длительного времени, такие как двигатели косилок, должны работать при малых нагрузках и обычно имеют степень сжатия около 4 или 5; двигатели соревнований могут иметь степень сжатия 10 и выше.Поскольку такт сжатия происходит быстро, во время такта во внешний мир передается незначительное тепло («адиабатический» процесс), и температура топливовоздушной смеси повышается.

(3) Рабочий ход: Когда поршень достигает ВМТ в конце такта сжатия, загорается свеча зажигания, воспламеняя топливно-воздушную смесь. Пламя взрывным образом пронизывает камеру сгорания, повышая температуру и выполняя работу, поскольку оно решительно толкает поршень вниз в рабочем такте.Хотя воспламенение топлива высвобождает огромную внутреннюю энергию в цилиндр, незначительная энергия уходит в виде теплопроводности во время быстрого рабочего хода, поэтому этот ход также является адиабатическим.

(4) Такт выпуска: когда поршень движется вверх от НМТ, выпускной клапан открывается, и поршень выталкивает выхлопные газы из цилиндра. Они выходят через глушитель (с перегородками для гашения шума) в атмосферу. Двигатель обменивается теплом с окружающей средой во время тактов выпуска и впуска, вытесняя горячие выхлопные газы и втягивая относительно холодные всасываемые газы.В конце такта выпуска поршень вернулся в ВМТ с закрытыми обоими клапанами, и цилиндр готов к повторению четырехтактного цикла.

Что открывает и закрывает клапаны и дает искру в нужный момент? Параллельно коленчатому валу движется распределительный вал с кулачками или кулачками (рис. 5). Через пару зацепленных зубчатых колес, по одной на конце каждого вала, вращающийся коленчатый вал поворачивает распределительный вал. В двигателе нашей косилки шестерня коленчатого вала имеет 20 зубьев, а шестерня распределительного вала имеет 40 зубцов, вращая распределительный вал с половиной угловой скорости коленчатого вала.Перпендикулярно распределительному валу и на кулачках расположены толкатели клапанов, а сами клапаны стоят поверх толкателей. Когда распределительный вал вращается, кулачок поднимает толкатель и клапан, открывая проход в камеру сгорания. Когда кулачок выкатывается из-под подъемника, пружины клапана снова закрывают клапан (рис. 6). На распределительном валу нашего одноцилиндрового двигателя с двумя клапанами кулачки ориентированы на 90 градусов друг от друга, потому что впускные и выпускные клапаны открываются на соседних тактах. Один ход — это половина оборота коленчатого вала и, следовательно, четверть оборота распределительного вала.На обоих зубчатых колесах есть метки, которые необходимо совместить, чтобы клапаны открывались в нужное время в течение цикла (рис. 7).

В четырехтактном цикле одноцилиндровый двигатель обеспечивает один рабочий ход на каждые два оборота коленчатого вала. [8] В случае двух цилиндров рабочий ход происходит на каждом обороте. Четыре цилиндра производят рабочий ход каждые пол-оборота. Восемь цилиндров обеспечивают один рабочий ход за четверть оборота и так далее. Увеличение числа цилиндров делает машину более сложной, но выигрыш в том, что мощность прилагается более равномерно.Большинство автомобилей имеют четыре, шесть или восемь цилиндров; у некоторых их 10 (например, Dodge Viper), у некоторых — 12 (например, у большинства Ferrari и Lamborghinis, а также Lincolns и Auburns 1930-х годов), а у некоторых — 16 (например, Cadillac 1932 года, Marmon 1933 года и современный Bugatti Veyron).

К внешнему концу коленчатого вала на конце, противоположном зубчатому колесу привода ГРМ, находим маховик (рис. 8). Самая важная задача маховика в любом двигателе — обеспечить большой момент инерции для максимально плавного вращения коленчатого вала с его штоком и поршнем в сборе между рабочими тактами.В двигателях косилок маховик также играет роль в системах охлаждения и зажигания, как будет описано ниже.

Объемный КПД, отношение объема паров воздух-топливо, попадающих в двигатель во время такта впуска, к рабочему объему цилиндра, предлагает еще один показатель характеристик двигателя. Говоря простым языком, он измеряет, насколько хорошо двигатель «дышит». Движущийся воздух обладает инерцией, а при турбулентности сила сопротивления воздуха равна квадрату скорости воздуха. Размер и расположение клапана, а также гладкость внутренних поверхностей, через которые проходят газы, существенно влияют на производительность двигателя.Двигатель нашей косилки представляет собой конструкцию с плоской или L-образной головкой, так называемую конструкцию, потому что клапаны проходят через блок параллельно цилиндру, и, таким образом, камера сгорания должна располагаться не только над поршнем, но и над определенной областью. в головке с одной стороны цилиндра, где открываются клапаны (рис. 8). В течение 1940-х годов большинство автомобильных двигателей были плоскими. Примерно в 1950 году производители начали производить конструкции с верхним расположением клапанов. Перемещение клапанов над поршнем увеличивает расход и объемный КПД, поскольку топливовоздушная смесь попадает в камеру сгорания непосредственно над поршнем, а не сбоку.Теперь, когда клапаны должны быть опущены сверху, а коленчатый вал и синхронизирующие шестерни по-прежнему соединены их синхронизирующими шестернями, длинные толкатели расположены над толкателями клапанов и коромыслами, которые качаются вперед и назад на горизонтальном валу, как качели. , теперь сядьте на макушку. Кулачок поднимает толкатель, который поднимает одну сторону коромысла, а другая сторона коромысла толкает клапан вниз, открывая его. Пружины под коромыслами закрывают клапан, когда кулачок выкатывается из-под подъемника и толкателя.

Если бы толкатели и коромысла можно было исключить, а распределительный вал расположить на верхней стороне головки, механическая энергия, потребляемая двигателем, перемещающим его внутренние части, была бы значительно уменьшена. Это достигается в двигателях с верхним распределительным валом (ohc). (Логотип «DOHC» на некоторых автомобильных значках обозначает двойные верхние кулачки, один для ряда впускных клапанов, а другой для выпускных клапанов.) Коленчатый вал и распределительный вал находятся слишком далеко друг от друга, чтобы их можно было соединить с помощью синхронизирующих шестерен, и коленчатый вал поворачивает распределительный вал ремнем ГРМ или цепью ГРМ.Ремни ГРМ изготовлены из армированной проволокой синтетической резины и должны меняться через регулярные промежутки времени, обычно около 90 000 миль. Если ремень ГРМ обрывается, открытие клапанов больше не будет зависеть от положения поршня. Столкновение клапана с поршнем приводит к возникновению дорогостоящего шума!

Для дальнейшего увеличения объемного КПД некоторые двигатели имеют четыре клапана на цилиндр, два впускных и два выпускных. Добавление нагнетателя (или «нагнетателя») значительно увеличивает объемный КПД.Нагнетатель — это компрессор, приводимый в движение ремнем от шкива коленчатого вала, который нагнетает в двигатель больше воздуха за цикл, чем это было бы возможно только за счет атмосферной аспирации. К началу 1920-х годов на гоночных автомобилях Гран-при использовались нагнетатели. Турбонагнетатель использует поток выхлопных газов для привода небольшого компрессора с той же целью.

Смазка и охлаждение

Внутри нашей скромной газонокосилки, работающей на скромных 800 об / мин, царит оживленная среда. Поршень перемещается между ВМТ и НМТ 1600 раз в минуту; коленчатый и распределительный валы вращаются в своих подшипниках со скоростью 800 и 400 об / мин, соответственно, при этом зацепляются друг с другом через вращающиеся зубчатые передачи; кулачковые выступы открывают клапаны, которые закрываются пружинами; пары бензина взрываются 200 раз в минуту.Некоторые спортивные мотоциклы развивают скорость до 14 000 об / мин и более! Чтобы продержаться более нескольких секунд, это шоу должно иметь соответствующую смазку, которая не дает металлическим поверхностям сливаться друг с другом, когда они вращаются или скользят друг мимо друга. Избыточное тепло необходимо отводить для поддержания постоянной температуры.

В двигателе нашей косилки масло (1 литр 30 Вт) разбрызгивается на движущиеся части внутри картера с помощью стропила (рис. 7), шестерни, зацепленной с зубчатым колесом распределительного вала и снабженных маленькими лопастными колесами по ее периметру.Несмотря на примитивность, он обеспечивает адекватную смазку даже в гонках на картинге, когда двигатели испытывают гораздо большую нагрузку, чем при стрижке газонов. В более крупных двигателях масляный насос, приводимый в действие распределительным валом, подает масло непосредственно к подшипникам через проходы в блоке и головке. Масло не только обеспечивает смазку, предотвращающую сваривание движущихся частей металла, но и помогает отводить тепло. Масло не может проскользнуть мимо поршня в камеру сгорания (где оно может засорить свечу и вызвать синий дым), а топливовоздушная смесь не может протолкнуться мимо поршня, чтобы разбавить масло в картере с помощью набора поршней. кольца, пружинящие круги из сплава (с небольшим зазором для установки и теплового расширения), которые перемещаются в канавках в верхней части поршня (рис.2).

Двигатель газонокосилки представляет собой двигатель с воздушным охлаждением (рис. 2, 4). Головка и блок, изготовленные из алюминия, который эффективно проводит тепло, имеют отлитые в них охлаждающие ребра, которые обеспечивают большую площадь поверхности для обмена теплом с окружающим воздухом. Маховик двигателя косилки выполняет функции охлаждающего вентилятора. Окруженный кожухом из листового металла (рис.1) с проволочной сеткой, которая позволяет воздуху втягиваться внутрь, маховик имеет залитые в него лопатки, которые при вращении обеспечивают циркуляцию воздуха по ребрам охлаждения на блоке (рис.9). Пластиковая лопасть, называемая регулятором (рис.9), соединенная пружиной с дроссельной заслонкой, находится между периметром маховика и кожухом, где она поворачивается в ответ на изменения давления воздуха, возникающие в результате изменения скорости двигателя из-за переменной нагрузки двигателя. Простой регулятор помогает поддерживать постоянную частоту вращения двигателя при заданной настройке дроссельной заслонки и предотвращает случайное превышение скорости оператором оборотов двигателя.

Большинство автомобильных двигателей имеют водяное охлаждение; Блок и головка имеют залитые в них проходы, называемые водяной рубашкой, по которым циркулирует хладагент.Из двигателя охлаждающая жидкость поступает в радиатор, где она течет по длинным трубкам, окруженным охлаждающими ребрами, прежде чем вернуться в двигатель. В дополнение к движению автомобиля вперед, вентилятор, приводимый в движение ремнем вентилятора, змеевидным ремнем или электродвигателем, помогает втягивать воздух через радиатор. Охлаждающая жидкость проходит между двигателем и радиатором через верхний и нижний шланги радиатора и проталкивается водяным насосом, обычно приводимым в действие ремнем вентилятора или ремнем привода ГРМ. Охлаждающая жидкость обычно состоит на 50 процентов из дистиллированной воды и на 50 процентов из этиленгликоля; более низкая точка замерзания этой смеси по сравнению с чистой водой предотвращает образование трещин в блоках в холодную погоду (поскольку вода расширяется при замерзании), а также смесь обеспечивает коррозионную стойкость.

Термодинамическая эффективность

В контексте двигателей «КПД» означает отношение выполненной работы (то, что вы хотите) к затраченной тепловой энергии (сколько это стоит). Второй закон термодинамики гласит, что эффективность никогда не может достигнуть единицы, поэтому возникает вопрос, насколько большой она может быть, ограничиваясь только вторым законом. Паровые двигатели получают энергию от перегретого пара, впрыскиваемого в цилиндр с температурой TH. Они выполняют работу и отводят отработанный пар в окружающий воздух при температуре TC.Цикл Карно был изобретен Сади Карно (1796-1832) в 1824 году для концептуализации идеализированной версии паровой машины. Таким образом достигается максимальная эффективность, достижимая в принципе для двухтемпературного двигателя. В каждом цикле двигатель Карно изотермически получает энергию в виде тепла от горячего резервуара при абсолютной температуре TH, выполняет работу и изотермически отводит тепло в холодный резервуар с температурой TC. Два изотермических теплообмена связаны адиабатическими процессами. Обычное упражнение по общей физике требует, чтобы эффективность двигателя Карно была равна 1 — TC / TH.

Концептуальный цикл, называемый циклом Отто (ок. 1880 г.), выполняет те же теоретические функции для четырехтактного бензинового двигателя. Этот идеализированный цикл назван в честь Николауса Отто (1832–1891), который построил первые коммерчески успешные четырехтактные двигатели. Как и цикл Карно, цикл Отто термодинамически обратим (т.е. отклонения от равновесия незначительны), а идеальный газ служит рабочей жидкостью. Но шаги в цикле отличаются от таковых Карно.Давайте продумаем их и отобразим их изменения состояния на диаграмме давление-объем (рис. 10), начиная с рабочего хода, который мы разбиваем на две части. Давайте начнем с события, зажигания свечи зажигания в точке a на фотоэлектрической диаграмме, которое происходит в объеме V1 с поршнем в ВМТ. Это событие повышает температуру и давление от точки a до точки b на диаграмме PV, в то время как объем остается на уровне V1. Остальная часть рабочего хода моделируется поршнем, который адиабатически опускается до НМТ (от b до c) по мере увеличения объема газов от V1 до V2.Затем такт выпуска удаляет горячие выхлопные газы, когда поршень движется из НМТ в ВМТ, а такт впуска приводит к более холодной воздушно-топливной смеси, когда поршень возвращается в НМТ. В фотоэлектрическом пространстве чистым эффектом тактов выпуска и впуска является падение температуры и давления при постоянном объеме V2, переходя цикл от c к d. Такт сжатия адиабатически уменьшает объем от V2 до V1, повышая температуру и давление и возвращая представление цикла на PV-диаграмме от d к точке a.

Эффективность этого цикла, как вы, возможно, продемонстрировали во вводной термодинамике, составляет 1 — (V2 / V1) 1 − γ. V2 / V1 — степень сжатия, а γ — отношение удельной теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме. Для воздуха γ ≈ 1,4. Двигатели косилок имеют степень сжатия около 5, что соответствует теоретическому верхнему пределу эффективности 0,47. Напротив, двигатель соревнований со степенью сжатия 15 имеет верхний предел эффективности 0,66. Настоящий двигатель менее эффективен, чем его идеальный верхний предел, потому что он имеет не только диссипативные влияния, такие как трение, но и теплообмен, превышающий требования второго закона, потери работы при перемещении его внутренних масс и т. Д., Не говоря уже о качении. и сопротивление воздуха, препятствующее движению машины.Как правило, автомобиль ведет себя хорошо, если четверть выходной мощности, измеренной на маховике, преобразовывается в кинетическую энергию центра масс всего автомобиля [9].

Теперь, когда мы вступаем в сезон кошения, проявите уважение к двигателю своей косилки, заменив масло и промытый или новый воздушный фильтр, сотрите грязь с ребер охлаждения и взаимодействуйте со своей машиной с искренней признательностью!

В Части 2 мы обсудим, как топливо смешивается с воздухом перед сгоранием и как искра подается в эту смесь в решающий момент между тактами сжатия и такта сжатия.Эта статья также будет включать несколько примечаний по техническому обслуживанию, и мы увидим некоторых известных физиков-историков, взаимодействующих со своими автомобилями и мотоциклами. //

Благодарность

Большое спасибо Девину Пауэллу за внимательное редактирование этой статьи.

Ссылки и примечания

[1] Лаборатория трупов двигателей с фотографиями студентов, работающих с двигателями, описана в «Техническом обслуживании мотоциклов и признании физики», Радиация (осень 2007 г.), стр.5-11. Веб-сайт с интерактивным моделированием всех типов двигателей можно найти по адресу http://www.animatedengines.com/index.html.
[2] То, что мы вообще можем понять атомы благодаря существованию простейшего атома, водорода, элегантно сформулировано Джоном Ригденом в книге «Водород, существенный элемент» (издательство Гарвардского университета, Кембридж, Массачусетс, 2002).
[3] Выходная мощность, которая обязательно меньше погонной энергии, является утверждением второго закона термодинамики. См. «Второй закон термодинамики и несохранение энтропии», SPS Newsletter (июнь 1998 г.), стр.9-13.
[4] Гленн Элерт, изд., The Physics Factbook, http://hypertextbook.com/facts/2003/ArthurGolnik.shtml.
[5] Брэд Кинг, Книга всех цветов гоночных автомобилей (Crescent Books, Нью-Йорк, 1972), стр. 5-7.
[6] Объем одноцилиндровых двигателей Brigg & Stratton составляет от 5 до 32 кубических дюймов; эта и другие спецификации двигателя косилки из книги Пола Демпси, «Как ремонтировать двигатели Briggs & Stratton» (Tab Books, Blue Summit, PA, 1978), стр. 9.
[7] Чтобы двигаться быстрее, объем ранних гоночных автомобилей становился все больше.Fiat S79 1910 года обладал, возможно, самым большим 4-цилиндровым двигателем в истории, мощностью 28,3 литра от дирижабля и разгонялся до 132,37 миль в час в 1913 году. Знаменитый «Blitzen Benz» с 21,5 литровым двигателем в 1911 году разогнался до более 140 миль в час; Король, исх. 5, pp. 5-7, 22.
[8] В двухтактных двигателях поршень используется в качестве клапана с отверстиями или портами, вырезанными по бокам цилиндра, а впуск и выпуск — на противоположных сторонах. Чтобы смазать поршень как клапан, масло необходимо предварительно смешать с бензином. Эти двигатели дымные и шумные, но выдают большую мощность для своего размера с одним рабочим ходом на оборот.Дизельные двигатели работают на четырехтактных двигателях без свечи зажигания. Степень сжатия достаточно высока, чтобы температура достигла температуры вспышки менее летучего дизельного топлива в конце такта сжатия.
[9] Колин Кэмпбелл, Двигатель спортивного автомобиля: его настройка и модификация (Robert Bentley Inc., Кембридж, Массачусетс, 1965, старый, но хороший, загруженный прикладной физикой и написанный с юмором), стр. 4-7.

Основы водорода — Двигатели внутреннего сгорания

Водород обладает высокой удельной энергией, высокой скоростью пламени, широким диапазоном воспламеняемости и характеристиками чистого горения, которые предполагают возможность высокой производительности в двигателях внутреннего сгорания (ДВС).Эти атрибуты были реализованы более чем полвека с начала разработки водородных двигателей. В начале 1990-х годов FSEC провела исследования по использованию водорода в ДВС. Результатом этой работы стала разработка смешанного топлива под названием HYTEST. Сегодня производители автомобилей и Министерство энергетики продолжают работать над водородными ДВС.

Заправка водородом / природным газом (топливо HYTEST) Ford Ranger, FSEC h3 Lab (Фото.Спенсер)

Существует четыре основных вопроса, касающихся двигателей и транспортных средств, работающих на водороде: обратная вспышка двигателя и восприимчивость водорода к поверхностному воспламенению, несколько пониженная мощность двигателя, выбросы с высоким содержанием оксида азота (NOx) и проблема хранения топлива на борту и безопасность. Хотя частичные решения были найдены для большинства этих проблем, до сих пор нет единого мнения о наилучшем методе окончательного решения всех этих проблем.

Что касается характеристик водородного двигателя, его предел воспламеняемости в воздухе является наиболее важным фактором. Низкий предел воспламеняемости водорода на обедненной смеси дает возможность довольно успешно использовать концепцию двигателя с обедненной смесью (LBE) с водородными двигателями. Концепция LBE относится к более обедненной работе двигателя (более высокое отношение массы воздуха к топливу), чем к стехиометрической (химически правильное соотношение воздух-топливо). Объем работы, выполняемой в процессе расширения в двигателе, работающем на обедненной смеси, относительно велик (из-за более низкой температуры цикла), что приводит к пропорционально более высокому тепловому КПД.

Концепция LBE с водородом дополнительно упрощает и способствует использованию так называемого «регулирования смеси» или «контроля качества» при малых нагрузках двигателя. В отличие от двигателей, работающих на бензине, которые требуют дросселирования при более низких нагрузках двигателя, двигатели, работающие на водороде, могут работать на пониженных уровнях мощности, ограничивая только скорость подачи топлива, не ограничивая расход всасываемого воздуха. Таким образом, полностью исключаются «насосные потери» двигателя, возникающие при использовании дроссельной заслонки.Высокая температура самовоспламенения водорода дает возможность эксплуатировать двигатели, работающие на водороде, при более высоких степенях сжатия, чем те, которые обычно используются с бензиновыми двигателями. Результатом является дальнейшее увеличение указанного теплового КПД.

Препятствия для использования водорода в ДВС вызваны его низкой энергией воспламенения и широкими пределами воспламеняемости. Это делает водородные двигатели особенно склонными к преждевременному воспламенению. Ситуация усугубляется высокой скоростью пламени водорода.Предварительное зажигание приводит к опасным обратным вспышкам в карбюратор и плохой работе и, как полагают, происходит из-за развития поверхностных «горячих точек». Индукционное зажигание может произойти из-за чрезмерных температур как компонентов камеры сгорания, так и небольших отложений на поверхности или взвешенных частиц. Исключительно низкая энергия воспламенения водорода требует, чтобы средняя температура, преобладающая в пространстве сгорания во время индукции, была достаточно низкой, чтобы избежать образования горячих точек.Для этого требуется соответствующее охлаждение головки блока цилиндров, поршня, клапанов, стенки камеры сгорания и использование холодных свечей зажигания (свечи зажигания с неплатиновыми наконечниками). Одним из способов уменьшить влияние горячих точек камеры сгорания на преждевременное воспламенение свежего заряда является использование методов термического разбавления. Необычные характеристики тепломассопереноса водорода делают практически необходимым переосмысление конструкции камеры сгорания и системы охлаждения, чтобы можно было в полной мере использовать уникальные свойства водорода.

Другой важный вопрос, связанный с работой двигателя, особенно с почти стехиометрическими смесями водорода и воздуха, — это степень образования NOx. Эта проблема решается с помощью любого типа термического разбавления заряда за счет использования избыточного воздуха (концепция сжигания обедненной смеси), впрыска воды в цилиндр и рециркуляции выхлопных газов. Коллективные результаты многих исследователей, по-видимому, указывают на то, что для того, чтобы в полной мере использовать преимущества концепции сжигания обедненной смеси и широкие пределы воспламеняемости водорода для снижения выбросов NOx до приемлемых уровней, необходимо ограничить работу двигателя коэффициентами эквивалентности, равными примерно 0.65 или ниже. Также возможно достичь низких уровней выбросов NOx с водородными двигателями, использующими внутреннее смесеобразование с помощью DCI или впрыска в порт. В методике внутреннего смесеобразования водород впускается в камеру сгорания непосредственно и под давлением. Этот подход потребовал разработки системы криогенного впрыска под высоким давлением, а также конструктивных камер сгорания, которые способствуют турбулентности и быстрому перемешиванию водорода и воздуха в цилиндре.Представляется, что возможны мощные водородные двигатели, работающие на обедненной смеси, которые также производят минимальные выбросы NOx.

Персонал

FSEC провел большую работу по использованию водорода и природного газа в качестве топлива для ДВС, изучив перспективы смешивания водорода с природным газом для улучшения характеристик двигателя и снижения выбросов двигателя. Исследователи начали работу со смешивания небольшого количества водорода (от 5 до 10 процентов) с природным газом, но результаты показали, что для достижения желаемого сокращения выбросов потребуются смеси, содержащие более 20 процентов водорода.

Эта работа была сосредоточена на смеси обогащенного водородом природного газа, которая позволила увеличить «предел сжигания обедненной смеси» и, таким образом, снизить выбросы двигателя без использования каталитического нейтрализатора. В ходе этой работы компания FSEC провела серию испытаний смеси метана, обогащенной водородом более 30%, которая использовалась для работы двигателя V8 объемом 350 кубических дюймов. Результаты показали, что выбросы оксидов азота можно снизить примерно на 90 процентов по сравнению с автомобилями с бензиновым двигателем.FSEC назвала водородно-метановую смесь HYTEST (любое водородно-метановое топливо с содержанием водорода более 20 процентов) и получила патент на топливо.

Для получения дополнительной технической информации о водородных ДВС см. Http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/tech_validation/pdfs/fcm03r0.pdf.

Глава 3d — Первый закон — Закрытые системы

Глава 3d — Первый закон — Закрытые системы — Двигатели с циклом Отто (обновлено 22 апреля 2012 г.)

Глава 3: Первый закон термодинамики для Закрытые системы

г) Цикл Отто стандарта воздуха (искровое зажигание) Двигатель

The Air Стандартный цикл Отто — идеальный цикл для Искровое зажигание (SI) двигатели внутреннего сгорания, впервые предложенные Николаус Отто более 130 лет назад, и который в настоящее время используется чаще всего автомобили.Следующая ссылка на Kruse Технологическое партнерство представляет Описание четырехтактного двигателя Операция цикла Отто , включая короткую история Николауса Отто. И снова у нас отличная анимация производство Matt Keveney представляет как четырехтактный и двухтактный двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием операция

Анализ цикла Отто очень похож на цикл дизельного двигателя, который мы анализировали в предыдущей версии . Раздел .Мы воспользуемся идеалом «стандартное» допущение в нашем анализе. Таким образом, рабочий жидкость — это фиксированная масса воздуха, совершающего полный цикл, который относился во всем как к идеальному газу. Все процессы идеальны, сгорание заменяется добавлением тепла к воздуху, а выхлоп — заменен процессом отвода тепла, который восстанавливает воздух в начальное состояние.

Самое существенное отличие идеального Цикл Отто и идеальный дизельный цикл — это метод зажигания топливно-воздушная смесь.Напомним, что в идеальном дизельном цикле чрезвычайно высокая степень сжатия (около 18: 1) позволяет воздуху достигать температура воспламенения топлива. Затем впрыскивается топливо так, чтобы процесс воспламенения происходит при постоянном давлении. В идеале Отто цикл: топливно-воздушная смесь вводится во время такта впуска и сжат до гораздо более низкой степени сжатия (около 8: 1) и является затем воспламеняется от искры. Возгорание приводит к внезапному скачку давление, в то время как объем остается практически постоянным.В продолжение цикла, включая расширение и выхлоп процессы практически идентичны идеальным дизельным двигателям. цикл. Считаем удобным разработать аналитический подход идеальный цикл Отто через следующую решенную задачу:

Решенная задача 3.7 — An идеальный двигатель с воздушным стандартным циклом Отто имеет степень сжатия 8. При начало процесса сжатия рабочая жидкость на 100 кПа, 27 ° C (300 K) и 800 кДж / кг тепла во время процесс добавления тепла с постоянным объемом.Аккуратно нарисуйте давление-объем [ P-v ] диаграмму для этого цикла, и используя значения удельной теплоемкости для воздуха при типичная средняя температура цикла 900K определяет:

• а) температура и давление воздуха в конце каждого процесса

• б) сеть производительность / цикл [кДж / кг], и

• c) тепловой КПД [η _th ] этого цикла двигателя.

Подход к решению:

Первым шагом является построение диаграммы P-v полный цикл, включая всю актуальную информацию.Мы замечаем что ни объем, ни масса не указаны, поэтому диаграмма и решение будет в конкретных количествах.

Мы предполагаем, что топливно-воздушная смесь представлена чистый воздух. Соответствующие уравнения состояния, внутренней энергии и адиабатический процесс для воздуха:

Напомним из предыдущего раздела, что номинальная Значения удельной теплоемкости, используемые для воздуха при 300K, составляют C _v = 0,717 кДж / кг · K ,, и k = 1,4. Однако все они функции температуры, а также с чрезвычайно высокой температурой диапазон, испытанный в двигателях внутреннего сгорания, можно получить существенные ошибки.В этой задаче мы используем типичный средний цикл температура 900К взята из таблицы Удельная Теплоемкость воздуха .

Теперь мы проходим все четыре процесса, чтобы определить температуру и давление в конце каждого процесса, как а также о проделанной работе и тепле, передаваемом во время каждого процесса.

Обратите внимание, что давление P ₄ (а также P ₂ выше) также можно оценить из уравнения адиабатического процесса.Мы делаем это ниже в качестве проверки действительности, однако мы находим это больше По возможности удобно использовать уравнение состояния идеального газа. Любой метод удовлетворителен.

Мы продолжаем последний процесс определения отклонено тепло:

Обратите внимание, что мы применили уравнение энергии к все четыре процесса позволяют нам два альтернативных способа оценки «чистая производительность за цикл» и термический КПД, следующим образом:

Обратите внимание, что при использовании постоянных значений удельной теплоемкости более цикла мы можем определить тепловой КПД непосредственно из коэффициент удельных теплоемкостей k по формуле:

где r — степень сжатия

Quick Quiz: Использование тепла и уравнения энергии работы, полученные выше, выводят это соотношение

Задача 3.8 — Это является расширением Решенной задачи 3.7, в котором мы хотим использовать во всех четырех процессах номинальная стандартная удельная теплоемкость значения емкости для воздуха при 300К. Используя значения C _v = 0,717 кДж / кг · К и k = 1,4, определите:

• а) температура и давление воздуха в конце каждого процесса [P ₂ = 1838 кПа, Т ₂ = 689К, Т ₃ = 1805K, P ₃ = 4815 кПа, P ₄ = 262 кПа, Т ₄ = 786 КБ]

• б) сеть выход / цикл [451.5 кДж / кг], и

• c) тепловой КПД этого цикла двигателя. [η _th = 56%]

______________________________________________________________________________________

Инженерная термодинамика, Израиль Уриэли под лицензией Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 США Лицензия

.