Aklaypart.ru

Авто Журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Ход работы тепловой двигатель

Согласно законам молекулярно-кинетической теории, тепло представляет собой энергию движения молекул вещества. Нулевая энергия соответствует абсолютному нулю температуры, чем температура выше, тем средняя энергия молекулы выше.

Запасы внутренней тепловой энергии на Земле огромны. Однако, Второе Начало термодинамики налагает жесткое ограничение на их использование. Действительно, если некоторая часть внутренней энергии будет превращена в энергию движения макроскопических тел, то внутренняя энергия уменьшится, уменьшив температуру молекул. Согласно же Второму Началу термодинамики, тепловая энергия молекул без дополнительных усилий может переходить только от более нагретого тела к менее нагретому. Для передачи энергии от менее нагретого тела к более нагретому, требуется совершить дополнительную работу.

Рис. 1. Второе начало термодинамики.

Таким образом, даже располагая большой внутренней энергией в окружающей среде, превратить ее в работу оказывается далеко не всегда возможно. Ведь при этом должно произойти охлаждение окружающей среды без наличия более холодных тел. А этого не может быть.

То есть, превращение внутренней энергии вещества в работу возможно только при наличии «потока тепла», который может быть организован только при наличии двух тел с разной температурой. Такие тела в теории тепловых двигателей называются Нагревателем и Холодильником. Тепло от Нагревателя переходит к Холодильнику, при этом совершается полезная работа.

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.

Понятие теплового двигателя

Дабы разобраться, какое устройство называют тепловым двигателем, рассмотрим, как функционирует агрегат. По принятой классификации, установка способна преобразовать тепло от окисления горючего в действие силы на тело посредством теплового объёмного увеличения. Что касается изменения объёма, этот показатель часто встречающийся, однако, в некоторых двигателях используется изменение формы рабочего вещества.

Принцип работы теплового двигателя заключается в воздействии расширяющихся частиц газа на поршень, или лопасти турбины. В результате этого давления происходит перемещение детали, либо вращение вокруг оси. Работа наблюдается в силовых установках, работающих за счёт пара и в агрегатах, где сгорание горючего происходит внутри. Используя вращение, функционируют реактивные моторы самолётов.

Конструктивно агрегаты отличаются между собой, однако принцип действия тепловых двигателей одинаков. Механизмы оборудованы устройством нагрева, в роли рабочего вещества выступает пар или газ и устройством, поддерживающим низкую температуру. Установка нагрева предназначена для выработки тепловой энергии, способствует сгоранию и выделению тепла. Допустим, при горении выделилось некоторое количество тепла «Q нагревателя», эта энергия частично передаётся нагревателю и нагревает до температуры «T нагревателя». Проводится работа «А», ей предшествует перемещение поршня или турбинных лопаток.

Читать еще:  Что стучит в двигателе n52 бмв

Структурная схема работы теплового двигателя:

Вся величина в работу не трансформируется, её количество «Q холодильника» передаётся посредством теплоотдачи через корпус охладительной установке с величиной температуры «T холодильника», роль охладителя играет атмосфера.

Термины

  • Тепловая энергия – внутренняя энергия при термодинамическом балансе.
  • Внутренняя энергия – сумма всей энергии в системе, включая кинетическую и потенциальную.

Тепловой двигатель – система, трансформирующая тепловую энергию в механическую работу. К ним относятся бензиновые, дизельные, реактивные и паровые турбины. Все они используют тепло из источника. Передача тепла от горячего тела – Qh, а холодное – Qc. Температуры их обозначаются соответственно: Th и Tc.

(а) – Теплообмен осуществляется спонтанно от горячего тела к прохладному (подчиняется второму закону термодинамики). (b) – Тепловой двигатель (круг) использует часть теплопередачи, чтобы выполнить работу. Объекты именуются горячими и холодными резервуарами. Qh – теплопередача из горячего резервуара, W – выход работы, Qc – передача в холодный

Горячий резервуар нагревается внешним воздействием, поэтому работа выполняется максимально эффективно. Но нам бы хотелось выровнять W и Qh, чтобы не переносить тепло во внешний мир (Qc = 0). К сожалению, этого не случится. Второй закон термодинамики указывает на то, что при переносе тепла нельзя полностью преобразовать его в работу в циклическом процессе.

Циклический процесс заставляет систему возвращаться в исходное положение. Второй закон доходчиво объясняет, что такие двигатели не располагают идеальной трансформацией теплопередачи в работу.

Что можно сказать о КПД теплового двигателя? Итак, циклический процесс вынуждает систему постоянно начинать все сначала. Внутренняя энергия (U) системы одинакова на первом и последнем этапе цикла, так что ΔU = 0. В первом законе указано, что ΔU = Q – W (Q – чистый теплообмен во время цикла, а W – чистая работа). Так как ΔU = 0, то W = Q. Поэтому выполняемая системой работа приравнивается к чистой передаче тепла в систему или W = Qh — Qc (циклический процесс), как отображено на рисунке (b).

Эффективность выступает важнейшим параметром для теплового двигателя. Загвоздка лишь в том, что во всех процессах присутствует трата тепла на внешнюю среду (Qc). Если трансформируем энергию в работу, то всегда вынуждены получать меньше, чем вкладываем. Эффективность определяется в качестве выходной мощности, разделенной на теплопередачу:

В циклическом процессе W = Qh – Qc, поэтому можно выразить как:

(для циклического процесса).

100% эффективность возможна только, если теплопередача в окружающую среду отсутствует (Qc = 0).

Теория [ | ]

Работа, совершаемая двигателем, равна:

A = Q H − | Q X | -left|Q_right| >, где:

  • Q H >— количество теплоты, полученное от нагревателя,
  • Q X >— количество теплоты, отданное охладителю.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя рассчитывается как отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя: η = | Q H | − | Q X | | Q H | = 1 − | Q X | | Q H | right|-left|Q_right|>right|>>=1-right|>right|>>>

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

η K = T H − T X T H = 1 − T X T H =-T_ over T_>=1- over T_>>

Однако, смотря по устройству двигателя, его теоретический КПД может быть меньше такого для цикла Карно. Так, для наиболее распространённого двигателя Отто, работающего по циклу Отто, теоретический КПД циклла составляет:

η = 1 − 1 n k − 1 >>>, где:

  • n = V 1 / V 2 /V_<2>>— степень сжатия,
  • k — показатель адиабаты.

Так называемый индикаторный КПД меньше теоретического, что показывает несовершенство осуществляемого цикла (отличие индикаторной диаграммы от теоретической ввиду потерь теплоты в стенки, отличного от нуля времени нагрева газа, наполнения и очистки цилиндра).

В свою очередь, эффективный КПД (учитывающий все потери, до выходного вала) ещё меньше на сумму механических потерь и потерь на привод систем двигателя (масляный насос, системы газораспределения, охлаждения и другие — в зависимости от устройства).

8. Тепловая энергия в океане

Тип теплопередачи: Конвекция и Проводимость

На протяжении десятилетий океаны поглощали более 9/10 избыточного тепла атмосферы от выбросов парниковых газов. Согласно исследованию, океан нагревается со скоростью 0,5-1 ватт энергии на квадратный метр в течение последних десяти лет.

Океаны обладают невероятным потенциалом для хранения тепловой энергии. Поскольку их поверхности подвергаются воздействию прямых солнечных лучей в течение длительных периодов времени, существует огромная разница между температурами мелководных и глубоководных морских районов.

Эта разница температур может быть использована для запуска теплового двигателя и выработки электроэнергии. Этот тип преобразования энергии, известный как преобразование тепловой энергии океана, может работать непрерывно и может поддерживать различные побочные отрасли.

В глубокой древности люди научились разжигать огонь — первый самостоятельно добытый источник энергии. На огне готовят пищу, им обогревают жилище, он горит в топках тепловых электростанций. Для того чтобы огонь горел, необходимо топливо. В качестве топлива могут быть использованы уголь, нефть, торф, дрова, природный газ и др. Технический прогресс во многом зависит от умения человечества использовать огромные запасы внутренней энергии различных видов топлива.

ЭНЕРГИЯ ТОПЛИВА

При сгорании топлива выделяется энергия. Выясним, за счёт чего это происходит.

Горение топлива — это химическая реакция окисления, при которой атомы углерода, содержащиеся в топливе, соединяются с атомами кислорода, содержащимися в воздухе. В результате образуются молекулы углекислого газа, кинетическая энергия которых оказывается больше, чем у исходных частиц. Поэтому процесс горения сопровождается выделением энергии.

Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, называется теплотой сгорания топлива.

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА

Как показывают опыты, при сгорании 1 кг сухих берёзовых дров выделяется 1,0 • 10 7 Дж энергии. При сгорании 2 кг сухих дров выделяется 2,0 • 10 7 Дж, т. е. вдвое больше. Следовательно, количество теплоты, выделяемое при сжигании топлива, пропорционально массе топлива.

При сгорании разного топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Например, при сжигании 1 кг нефти можно получить количество теплоты, в 3 раза большее, чем при сжигании той же массы торфа, и в 4 раза большее, чем при сжигании той же массы дров.

Приведённые примеры показывают, что при полном сжигании топлива массой m количество выделенной энергии Q зависит также от вида топлива:
Q = qm, (1)
где q — некоторая величина, характеризующая тепловые свойства топлива и называющаяся удельной теплотой сгорания топлива.

Нетрудно установить физический смысл этой величины. Если массу топлива принять равной единице массы, то согласно формуле (1) величина q будет численно равна количеству теплоты.

Измеряется удельная теплота сгорания топлива в джоулях на килограмм (1 Дж/кг).

ПРОСТЕЙШИЙ ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Если в пробирку, плотно закрытую пробкой, налить немного воды и нагреть её до кипения, то под давлением образовавшегося пара пробка вылетит из пробирки. Часть энергии топлива перешла во внутреннюю энергию пара, который, расширяясь, совершил работу по перемещению пробки. Внутренняя энергия пара превратилась в кинетическую энергию пробки.

Если заменить пробирку прочным металлическим цилиндром, а пробку плотно пригнанным поршнем, который может двигаться вдоль цилиндра, то получится простейший тепловой двигатель. Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии топлива в механическую, называют тепловыми двигателями.

Первые тепловые двигатели были созданы Т. Ньюменом, И. Ползуновым и усовершенствованы Д. Уаттом в XVIII в.

Газ, расширение которого вызывает перемещение поршня, называют рабочим телом. Газ, получив энергию от нагревателя, расширяется и совершает работу.

Для постоянной работы теплового двигателя необходимо, чтобы поршень после расширения газа возвращался в исходное положение, сжимая газ до первоначального состояния. Для этого газ нужно охладить. Следовательно, нужно иметь холодильник, которому рабочее тело отдаёт некоторое количество теплоты. Роль холодильника может выполнять и окружающий воздух. После этого вновь могут происходить процессы расширения и сжатия газа, т. е. работа теплового двигателя состоит из периодически повторяющихся процессов (циклов) расширения и сжатия.

Рабочее тело, получая некоторое количество теплоты Q1 от нагревателя, часть этого количества теплоты, по модулю равную |Q2|, отдаёт холодильнику. Поэтому совершаемая работа не может быть больше А = Q1 – |Q2|.

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

При сгорании топлива в двигателе только часть энергии идёт на совершение полезной работы. Чем меньше энергии теряется, тем экономичнее тепловой двигатель.

Для характеристики экономичности различных двигателей вводится понятие коэффициента полезного действия двигателя — КПД.

Отношение полезной работы, совершённой двигателем, к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя:

У всех тепловых двигателей КПД невысок, он не достигает даже 50 %. Это означает, что более половины энергии, содержащейся в топливе, теряется.

Основная причина низкого КПД тепловых двигателей заключается в том, что пар или газ, получив энергию от сгоревшего топлива, не может её полностью превратить в механическую энергию. Часть её неизбежно рассеивается в окружающем пространстве и не может быть использована.

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Энергия топлива. Принципы работы тепловых двигателей».

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector