II. Молекулярная физика

Тестирование онлайн

Тепловой двигатель

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 Q₁ (происходит расширение) и отдает холодильнику количество теплоты Q₂, когда возвращается в исходное состояние и сжимается. Полное количество теплоты Q=Q₁-Q₂, 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 Q₁ и передает нагревателю большее количество теплоты Q₂.

Коэффициент полезного действия

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 Q₁ и изотермически расширяется при температуре T₁
участок 2-3: газ адиабатически расширяется, температура снижается до температуры холодильника T₂
участок 3-4: газ экзотермически сжимается, при этом он отдает холодильнику количество теплоты Q₂
участок 4-1: газ сжимается адиабатически до тех пор, пока его температура не повысится до T₁.
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.

КПД цикла Карно не зависит от вида рабочего тела

для холодильной машины

В реальных тепловых двигателях нельзя создать условия, при которых их рабочий цикл был бы циклом Карно. Так как процессы в них происходят быстрее, чем это необходимо для изотермического процесса, и в то же время не настолько быстрые, чтоб быть адиабатическими.

wiki.eduVdom.com

Инструменты пользователя

Инструменты сайта

Боковая панель

Физика:

Контакты

Содержание

Тепловые машины. Цикл Карно

В современной технике механическую энергию получают главным образом за счёт внутренней энергии топлива. Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии в механическую, называют тепловыми двигателями.

Примеры тепловых двигателей

КПД тепловой машины

Работа, совершаемая тепловой машиной, не может быть больше: $A = Q_ <1>— |Q_<2>|$, т.к. рабочее тело, получая некоторое количество теплоты ($Q_<1>$) от нагревателя , часть этого количества теплоты (по модулю равную $|Q_<2>|$) отдаёт холодильнику . Отношение этой работы к количеству теплоты, полученному расширяющимся газом от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия $\eta$ тепловой машины.

Коэффициент полезного действия любой тепловой машины считается по формуле: $$\eta = \frac>=\frac-|Q_<2>|>> = 1 — \frac<|Q_<2>|>>$$

Для увеличения КПД, при расширении или сжатии газа должны быть использованы процессы, позволяющие исключить уменьшение энергии горячего тела, которое происходило бы без совершения работы. Такие процессы существуют — это изотермический и адиабатный процесс.

Цикл Карно

Сади Карно искал пути решения актуальной для его времени задачи — установить причину несовершенства тепловых машин, найти пути наиболее эффективного их использования. Именно он, впервые предложил наиболее совершенный технический процесс, состоящий из изотерм и адиабат.

Схема цикла Карно

Прямой цикл Карно. Исходным состоянием рабочего тела двигателя является состояние точки 4 . На участке 4—1 цикла рабочее тело сжимается адиабатически, т. е. без потерь теплоты. В точке 1 к нему начинают изотермически подводить теплоту $Q_<1>$ от высокотемпературного источника, в результате чего рабочее тело расширяется по линии 1—2 . На участке 2—3 расширение рабочего тела продолжается уже без подвода теплоты, т. е. адиабатически. На участке 3—4 от рабочего тела с помощью источника низкой температуры отбирается теплота $Q_<2>$. В двигателях, работающих по разомкнутому циклу, когда теплоноситель в каждом цикле работы обновляется, процесс охлаждения заменяется процессом обновления теплоносителя.

Линия	Состояние		Описание
1-2	Изотерма $T=T_<1>$ $dQ_<1>$ (нагревание) $V\Uparrow$	От нагревателя поступает теплота $dQ_<1>$ (или $Q_$), газ под поршнем изотермически расширяется.	В начале процесса рабочее тело ( газ ) имеет температуру температуру нагревателя ($T_$ или $T_<1>$). Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты $Q_$ (или $Q_<1>$). При этом объём рабочего тела увеличивается, оно совершает механическую работу, а его энтропия возрастает.
2-3	Адиабата

$dQ=0$
$V\Uparrow$ Газ изолирован от нагревателя и холодильника и адиабатически расширяется. Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой.
При этом температура тела уменьшается до температуры холодильника ($T_$ или $T_<2>$), тело совершает механическую работу, а энтропия остаётся постоянной. 3-4 Изотерма
$T=T_<2>$
$dQ_<2>$
(охлаждение)
$V\Downarrow$ Газ изотермически (при $T = T_<2>$) сжимается и отдает теплоту $dQ_<2>$ холодильнику. Рабочее тело, имеющее температуру холодильника ($T_$ или $T_<2>$), приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты $Q_$ (или $Q_<2>$).
Над телом совершается работа, его энтропия уменьшается. 4-1 Адиабата

$dQ=0$
$V\Downarrow$ Газ изолирован и адиабатически сжимается. Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается под действием внешней силы без теплообмена с окружающей средой.
При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя ($T_$ или $T_<1>$), над телом совершается работа, его энтропия остаётся постоянной.

Иллюстрации цикла Карно

Цикл Карно

Максимальный КПД тепловой машины

Коэффициент полезного действия идеального цикла, как показал С.Карно, может быть выражен через температуру нагревателя ($T_<1>$) и холодильника ($T_<2>$). В реальных двигателях не удаётся осуществить цикл, состоящий из идеальных изотермических и адиабатных процессов. Поэтому КПД их цикла всегда меньше, чем КПД цикла Карно (при прочих равных условиях). $$\eta_ 3 . Адиабатически сжатое компрессором по линии 3—2 рабочее тело охлаждается изотермически по линии 2—1 и далее продолжает расширяться адиабатически по линии 1—4 . На изотерме 4—3 к рабочему телу подводится теплота камеры охлаждения и оно возвращается к исходному состоянию точки 3 .

При этом чем меньше разность температур между холодильной камерой и окружающей средой, тем меньше нужно затратить энергии для передачи теплоты от холодного тела к горячему и тем выше холодильный коэффициент.

Анализ обратного цикла Карно показывает, что передача теплоты от тела менее нагретого телу более нагретому возможна, но этот процесс требует соответствующей энергетической компенсации в системе, в виде затраченной работы или теплоты более высокого потенциала, способного совершить работу при переходе на более низкий потенциал.

Энтропия — часть внутренней энергии замкнутой системы или энергетической совокупности Вселенной, которая не может быть использована, в частности не может перейти или быть преобразована в механическую работу. Существует мнение, что мы можем смотреть на энтропию и как на меру беспорядка в системе.

Тепловая машина: цикл, работа, КПД. Экологические проблемы тепловых машин. Какая она — идеальная тепловая машина?

Потребность использования механической энергии на производстве привело к появлению тепловых машин.

Устройство тепловых машин

Тепловая машина (тепловой двигатель) — устройство для преобразования внутренней энергии в механическую.

Любая тепловая машина имеет нагреватель, рабочее тело (газ или пар), которое в результате нагрева выполняет работу (приводит во вращение вал турбины, двигает поршень и так далее) и холодильник. На рисунке ниже изображена схема теплового двигателя.

Основы действия тепловых двигателей

Каждая тепловая машина функционирует благодаря двигателю. Для выполнения работы ему нужно, чтобы по ту и другую сторону поршня двигателя или лопастей турбины была разность давлений. Достигается эта разность во всех тепловых двигателях так: температура рабочего тела повышается на сотни или тысячи градусов в сравнении с температурой окружающей среды. В газовых турбинах и в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) происходит повышение температуры за счет того, что топливо сгорает внутри самого двигателя. Холодильником может выступать атмосфера или специального назначения устройства для конденсации и охлаждения отработанного пара.

Цикл Карно

Цикл (круговой процесс) — совокупность изменений состояния газа, в результате которых он возвращается в исходное состояние (может выполнять работу). В 1824 году французский физик Сади Карно показал, что выгодным является цикл тепловой машины (цикл Карно), который состоит из двух процессов — изотермического и адиабатного. На рисунке ниже изображен график цикла Карно: 1-2 и 3-4 — изотермы, 2-3 и 4-1 — адиабаты.

В соответствии с законом сохранения энергии работа тепловых машин, которую выполняет двигатель, равна:

где Q₁ — количество теплоты, которое получено от нагревателя, а Q₂ — количество теплоты, которое предано холодильнику.
КПД тепловой машины называется отношение работы А, которую выполняет двигатель, к количеству теплоты, которое получено от нагревателя:

В работе «Мысли о движущей силе огня и о машинах, которые способны развивать эту силу» (1824) Карно описал тепловую машину под названием «идеальная тепловая машина с идеальным газом, который представляет собой рабочее тело». Благодаря законам термодинамики можно вычислить КПД (максимально возможный) теплового двигателя с нагревателем, который имеет температуру Т₁, и холодильником с температурой Т₂. Тепловая машина Карно имеет КПД:

Сади Карно доказал, что какая угодно тепловая машина реальная, которая работает с нагревателем с температурой Т₁ и холодильником с температурой Т₂ не способна иметь КПД, который бы превышал КПД тепловой машины (идеальной).

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Четырехтактный ДВС состоит из одного или нескольких цилиндров, поршня, кривошипно-шатунного механизма, впускного и выпускного клапанов, свечи.

1) засасывания — горючая смесь попадает через клапан в цилиндр;
2) сжатия — оба клапана закрыты;
3) рабочий ход — взрывное сгорание горючей смеси;
4) выхлоп — выпуск отработанных газов в атмосферу.

Паровая турбина

В паровой турбине преобразование энергии происходит за счет разницы давлений водяного пара на входе и выходе.
Мощности современных паровых турбин достигают 1300 МВт.

Некоторые технические параметры паровой турбины мощностью 1200 МВт

• Давление пара (свежего) — 23,5 МПа.
• Температура пара — 540 °С.
• Расход пара турбиной — 3600 т/ч.
• Частота вращения ротора — 3000 об/мин.
• Давление пара в конденсаторе — 3,6 кПа.
• Длина турбины — 47,9 м.
• Масса турбины — 1900 т.

Тепловая машина состоит из воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины. Принцип работы: воздух адиабатно засасывается в компрессор, поэтому его температура повышается до 200 °С и более. Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, куда одновременно под большим давлением поступает жидкое топливо — керосин, фотоген, мазут. При сгорании топлива воздух нагревается до температуры 1500-2000 °С, расширяется, и скорость его движения растет. Воздух движется с большой скоростью, и продукты сгорания направляются в турбину. После перехода от ступени к ступени продукты сгорания отдают лопастям турбины свою кинетическую энергию. Часть энергии, полученной турбиной, идет на вращение компрессора; оставшаяся часть расходуется на вращение ротора электрогенератора, винта самолета или морского судна, колес автомобиля.

Газовую турбину можно использовать, кроме вращения колес автомобиля и винтов самолета или теплохода, в качестве реактивного двигателя. Воздух и продукты сгорания с большой скоростью выбрасываются из газовой турбины, поэтому реактивная тяга, которая возникает при этом процессе, может использоваться для хода воздушных (самолет) и водных (теплоход) судов, железнодорожного транспорта. Например, турбовинтовые двигатели имеют самолеты Ан-24, Ан-124 («Руслан»), Ан-225 («Мечта»). Так, «Мечта» при скорости полета 700-850 км/ч способна перевозить 250 тонн груза на расстояние почти 15 000 км. Это крупнейший транспортный самолет в мире.

Экологические проблемы тепловых машин

Большое влияние на климат имеет состояние атмосферы, в частности наличие углекислого газа и водяного пара. Так, изменение содержания углекислого газа приводит к усилению или ослаблению парникового эффекта, при котором углекислый газ частично поглощает тепло, которое Земля излучает в космос, задерживает его в атмосфере и повышает тем самым температуру поверхности и нижних слоев атмосферы. Явление парникового эффекта играет решающую роль в смягчении климата. При его отсутствии средняя температура планеты была бы не +15 °С, а ниже на 30-40 °С.

Сейчас в мире существует более 300 млн различного вида автомобилей, которые создают более половины всех загрязнений атмосферы.

В состав атмосферы входит озон, который защищает все живое на земле от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей. В 1982 году Дж. Фарманом, английским исследователем, над Антарктидой была открыта озоновая дыра — временное снижение содержания озона в атмосфере. В момент максимального развития озоновой дыры 7 октября 1987 количество озона в ней уменьшилось в 2 раза. Озоновая дыра, вероятно, возникла в результате антропогенных факторов, в том числе использования в промышленности хлорсодержащих хладонов (фреонов), которые разрушают озоновый слой. Однако исследования 1990 гг. не подтвердили эту точку зрения. Скорее всего, появление озоновой дыры не связано с деятельностью человека и является естественным процессом. В 1992 году и над Арктикой была открыта озоновая дыра.

Если весь атмосферный озон собрать в слой у поверхности Земли и сгустить его к плотности воздуха при нормальном атмосферном давлении и температуре 0 °С, то толщина озонового щита будет всего лишь 2-3 мм! Вот и весь щит.

Немного из истории.

• Июль 1769 года. В парижском парке Медоне военный инженер Н. Ж. Кюньйо на «огненной телеге», которая была оснащена двухцилиндровым паровым двигателем, проехал несколько десятков метров.
• 1885 год. Карл Бенц, немецкий инженер, построил первый бензиновый четырехтактный трехколесный автомобиль Motorwagen мощностью 0,66 кВт, на который 29 января 1886 года получил патент. Скорость машины достигала 15-18 км/ч.
• 1891 год. Готлиб Даймлер, немецкий изобретатель, изготовил грузовую тележку с двигателем мощностью 2,9 кВт (4 лошадиные силы) от легкового автомобиля. Максимальная скорость автомобиля достигала 10 км/ч, грузоподъемность в различных моделях составляла от 2 до 5 тонн.
• 1899 год. Бельгиец К. Женатци на своем автомобиле «Жаме Контант» («Всегда недовольная») впервые преодолел 100-километровый рубеж скорости.

Примеры решения задач

Задача 1. Температуру нагревателя идеальная тепловая машина имеет равную 2000 К, а температуру холодильника — 100 °С. Определить КПД.

Решение:
Формула, которая определяет КПД тепловой машины (максимальный):

Ответ: КПД двигателя — 81 %.

Задача 2. В тепловом двигателе при сгорании топлива было получено 200 кДж теплоты, а холодильнику передано 120 кДж теплоты. Каков КПД двигателя?

Решение:
Формула для определения КПД имеет такой вид:

ŋ = Q1 — Q2 / Q1.
ŋ = (2·10 5 Дж — 1,2·10 5 Дж) / 2·10 5 Дж = 0,4.

Ответ: КПД теплового двигателя — 40 %.

Задача 3. Каков КПД тепловой машины, если рабочее тело после получения от нагревателя количества теплоты 1,6 МДж выполнило работу 400 кДж? Какое количество теплоты было передано холодильнику?

Решение:
КПД можно определить по формуле

ŋ = 0,4·10 6 Дж / 1,6·10 6 Дж = 0,25.

Переданное холодильнику количество теплоты можно определить по формуле

Q₁ — А = Q_2.
Q₂ = 1,6·10 6 Дж — 0,4·10 6 Дж = 1,2·10 6 Дж.
Ответ: тепловая машина имеет КПД 25 %; переданное холодильнику количество теплоты — 1,2·10 6 Дж.