Кпд теплового двигателя равен: КПД теплового двигателя — урок. Физика, 8 класс.

Содержание

Тест по физике Тепловые двигатели для 8 класса

Тест по физике Тепловые двигатели для 8 класса с ответами. Тест включает в себя 2 варианта, в каждом варианте 7 заданий с выбором ответа.

1 вариант

A1. Тепловыми двигателями называют машины, в которых

1) внутренняя энергия топлива превращается в тепло окружающей среды
2) механическая энергия превращается в энергию топлива
3) тепло окружающей среды превращается в механи­ческую энергию
4) внутренняя энергия топлива превращается в ме­ханическую энергию

А2. Цикл двигателя внутреннего сгорания состоит из

1) впуска, выпуска
2) нагревания, рабочего хода
3) впуска, сжатия, рабочего хода, выпуска
4) впуска, нагревания, рабочего хода, выпуска

А3. В состав теплового двигателя не входит

1) нагреватель
2) рабочее тело
3) холодильник
4) турбина

А4. В тепловом двигателе нагреватель

1) отдаёт часть энергии рабочему телу, часть энергии холодильнику
2) получает всю энергию от рабочего тела
3) получает часть энергии рабочего тела
4) отдаёт всю энергию холодильнику

А5. Коэффициент полезного действия теплового двигате­ля определяется

1) только величинами полезной работы и энергии, полученной нагревателем
2) количеством теплоты, полученной от нагревателя
3) только количеством теплоты, отданной холодильнику
4) только величиной полезной работы

А6. Тепловой двигатель получает от нагревателя энергию, равную 7 кДж и отдаёт холодильнику 4,5 кДж. КПД такого двигателя равен

1) 56%
2) 280%
3) 36%
4) 64%

А7. КПД теплового двигателя равен 30%. Двигатель по­лучает от нагревателя количество теплоты 10 кДж и совершает работу, равную

1) 7 кДж
2) 300 кДж
3) 3 кДж
4) 5 кДж

2 вариант

A1. В двигателе внутреннего сгорания

1) энергия твёрдого топлива преобразуется в механи­ческую энергию снаружи двигателя
2) механическая энергия преобразуется в энергию топлива внутри двигателя
3) энергия жидкого и газообразного топлива преобразу­ется в механическую энергию внутри самого двигателя
4) механическая энергия поршня преобразуется в энергию топлива снаружи двигателя

А2.

Тепловой двигатель состоит

1) из нагревателя и холодильника
2) из нагревателя, рабочего тела и холодильника
3) из впуска, сжатия, рабочего хода, выпуска
4) из зажигания и рабочего тела

А3. К тепловым двигателям не относится

1) двигатель внутреннего сгорания
2) паровая турбина
3) реактивный двигатель
4) ядерный ускоритель

А4. В тепловом двигателе холодильник

1) получает всю энергию, переданную нагревателем, и передаёт часть её рабочему телу
2) получает часть энергии нагревателя и передаёт всю её рабочему телу
3) получает часть энергии, переданной нагревателем рабочему телу
4) отдаёт всю энергию нагревателю

А5. Коэффициент полезного действия теплового двигате­ля равен отношению

1) затраченной работы к энергии, полученной от нагревателя
2) энергии, полученной от нагревателя, к полезной работе
3) полезной работы к постоянной теплового двигателя
4) полезной работы к энергии, полученной от нагревателя

А6. КПД теплового двигателя равен 40%. Двигатель по­лучает от нагревателя количество теплоты 10 кДж и совершает работу, равную

1) 75 кДж
2) 40 кДж
3) 2,5 кДж
4) 4 кДж

А7. Тепловой двигатель получает от нагревателя количе­ство теплоты 1,5 кДж и отдаёт холодильнику количе­ство теплоты 0,5 кДж. КПД данного теплового двига­теля равен

1) 33%
2) 67%
3) 50%
4) 200%

Ответы на тест по физике Тепловые двигатели для 8 класса
1 вариант
А1-4
А2-3
А3-4
А4-1
А5-1
А6-3
А7-3
2 вариант
А1-3
А2-2
А3-4
А4-3
А5-4
А6-4
А7-2

Второй закон термодинамики. Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя

Второе начало термодинамики – физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами.

Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая, что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю (невозможно построить замкнутый цикл, проходящий через точку с нулевой температурой).

Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.

Существуют несколько эквивалентных формулировок второго начала термодинамики:

  • Постулат Клаузиуса: «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему» (такой процесс называется процессом Клаузиуса).
  • Постулат Томсона (Кельвина): «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара» (такой процесс называется процессом Томсона).

Эквивалентность этих формулировок легко показать. В самом деле, допустим, что постулат Клаузиуса неверен, то есть существует процесс, единственным результатом которого была бы передача тепла от более холодного тела к более горячему. Тогда возьмем два тела с различной температурой (нагреватель и холодильник) и проведем несколько циклов тепловой машины, забрав тепло \(Q_1\) у нагревателя, отдав \(Q_2\) холодильнику и совершив при этом работу \(A=Q_1-Q_2\). После этого воспользуемся процессом Клаузиуса и вернем тепло \(Q_2\) от холодильника нагревателю. В результате получается, что мы совершили работу только за счет отъема теплоты от нагревателя, то есть постулат Томсона тоже неверен.

С другой стороны, предположим, что неверен постулат Томсона. Тогда можно отнять часть тепла у более холодного тела и превратить в механическую работу. Эту работу можно превратить в тепло, например, с помощью трения, нагрев более горячее тело. Значит, из неверности постулата Томсона следует неверность постулата Клаузиуса.

Таким образом, постулаты Клаузиуса и Томсона эквивалентны.

Другая формулировка второго начала термодинамики основывается на понятии энтропии:

  • «Энтропия изолированной системы не может уменьшаться» (закон неубывания энтропии).

Такая формулировка основывается на представлении об энтропии как о функции состояния системы, что также должно быть постулировано.

Коэффицие́нт поле́зного де́йствия (КПД) – характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно \(\eta\) («эта»). \(\eta= \frac{W_{пол}}{W_{cyм}}\). КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. Математически определение КПД может быть записано в виде:

\(\eta = \frac AQ \cdot 100\%\), где А – полезная работа, а \(Q\) – затраченная энергия. В силу закона сохранения энергии КПД всегда меньше единицы или равен ей, то есть невозможно получить полезной работы больше, чем затрачено энергии.

КПД теплово́го дви́гателя – отношение совершенной полезной работы двигателя, к энергии, полученной от нагревателя. КПД теплового двигателя может быть вычислен по следующей формуле:

\(\eta = \frac{Q_1-Q_2}{Q_1}\cdot 100\%\),

где \(Q_1\) – количество теплоты, полученное от нагревателя, \(Q_2\) – количество теплоты, отданное холодильнику.

Наибольшим КПД среди циклических машин, оперирующих при заданных температурах горячего источника \(T_1\) и холодного \(T_2\), обладают тепловые двигатели, работающие по циклу Карно; этот предельный КПД равен

\(\eta =\frac {T_1-T_2}{T_1}.\)

Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей — Гипермаркет знаний. Принципы действия тепловых двигателей Кпд теплового двигателя равен что означает

И полезные формулы .

Задачи по физике на КПД теплового двигателя

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №1

Условие

Вода массой 175 г подогревается на спиртовке. Пока вода нагрелась от t1=15 до t2=75 градусов Цельсия, масса спиртовки уменьшилась с 163 до 157 г Вычислите КПД установки.

Решение

Коэффициент полезного действия можно вычислить как отношение полезной работы и полного количества теплоты, выделенного спиртовкой:

Полезная работа в данном случае – это эквивалент количества теплоты, которое пошло исключительно на нагрев. Его можно вычислить по известной формуле:

Полное количество теплоты вычисляем, зная массу сгоревшего спирта и его удельную теплоту сгорания.

Подставляем значения и вычисляем:

Ответ: 27%

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №2

Условие

Старый двигатель совершил работу 220,8 МДж, при этом израсходовав 16 килограмм бензина. Вычислите КПД двигателя.

Решение

Найдем общее количество теплоты, которое произвел двигатель:

Или, умножая на 100, получаем значение КПД в процентах:

Ответ: 30%.

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №3

Условие

Тепловая машина работает по циклу Карно, при этом 80% теплоты, полученной от нагревателя, передается холодильнику. За один цикл рабочее тело получает от нагревателя 6,3 Дж теплоты. Найдите работу и КПД цикла.

Решение

КПД идеальной тепловой машины:

По условию:

Вычислим сначала работу, а затем КПД:

Ответ: 20%; 1,26 Дж.

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №4

Условие

На диаграмме изображен цикл дизельного двигателя, состоящий из адиабат 1–2 и 3–4, изобары 2–3 и изохоры 4–1. Температуры газа в точках 1, 2, 3, 4 равны T1 , T2 , T3 , T4 соответственно. Найдите КПД цикла.

Решение

Проанализируем цикл, а КПД будем вычислять через подведенное и отведенное количество теплоты. На адиабатах тепло не подводится и не отводится. На изобаре 2 – 3 тепло подводится, объем растет и, соответственно, растет температура. На изохоре 4 – 1 тепло отводится, а давление и температура падают.

Аналогично:

Получим результат:

Ответ: См. выше.

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №5

Условие

Тепловая машина, работающая по циклу Карно, совершает за один цикл работу А = 2,94 кДж и отдаёт за один цикл охладителю количество теплоты Q2 = 13,4 кДж. Найдите КПД цикла.

Решение

Запишем формулу для КПД:

Ответ: 18%

Вопросы на тему тепловые двигатели

Вопрос 1. Что такое тепловой двигатель?

Ответ. Тепловой двигатель – это машина, которая совершает работу за счет энергии, поступающей к ней в процессе теплопередачи. Основные части теплового двигателя: нагреватель, холодильник и рабочее тело.

Вопрос 2. Приведите примеры тепловых двигателей.

Ответ. Первыми тепловыми двигателями, получившими широкое распространение, были паровые машины. Примерами современного теплового двигателя могут служить:

  • ракетный двигатель;
  • авиационный двигатель;
  • газовая турбина.

Вопрос 3. Может ли КПД двигателя быть равен единице?

Ответ. Нет. КПД всегда меньше единицы (или меньше 100%). Существование двигателя с КПД равным единице противоречит первому началу термодинамики.

КПД реальных двигателей редко превышает 30%.

Вопрос 4. Что такое КПД?

Ответ. КПД (коэффициент полезного действия) – отношение работы, которую совершает двигатель, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Вопрос 5. Что такое удельная теплота сгорания топлива?

Ответ. Удельная теплота сгорания q – физическая величина, которая показывает, какое количество теплоты выделяется при сгорании топлива массой 1 кг. При решении задач КПД можно определять по мощности двигателя N и сжигаемому за единицу времени количеству топлива.

Задачи и вопросы на цикл Карно

Затрагивая тему тепловых двигателей, невозможно оставить в стороне цикл Карно – пожалуй, самый знаменитый цикл работы тепловой машины в физике. Приведем дополнительно несколько задач и вопросов на цикл Карно с решением.

Цикл (или процесс) Карно – это идеальный круговой цикл, состоящий из двух адиабат и двух изотерм. Назван так в честь французского инженера Сади Карно, который описал данный цикл в своем научном труде «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1894).

Задача на цикл Карно №1

Условие

Идеальная тепловая машина, работающая по циклу Карно, совершает за один цикл работу А = 73,5 кДж. Температура нагревателя t1 =100° С, температура холодильника t2 = 0° С. Найти КПД цикла, количество теплоты, получаемое машиной за один цикл от нагревателя, и количество теплоты, отдаваемое за один цикл холодильнику.

Решение

Рассчитаем КПД цикла:

С другой стороны, чтобы найти количество теплоты, получаемое машиной, используем соотношение:

Количество теплоты, отданное холодильнику, будет равно разности общего количества теплоты и полезной работы:

Ответ: 0,36; 204,1 кДж; 130,6 кДж.

Задача на цикл Карно №2

Условие

Идеальная тепловая машина, работающая по циклу Карно, совершает за один цикл работу А=2,94 кДж и отдает за один цикл холодильнику количество теплоты Q2=13,4 кДж. Найти КПД цикла.

Решение

Формула для КПД цикла Карно:

Здесь A – совершенная работа, а Q1 – количество теплоты, которое понадобилось, чтобы ее совершить. Количество теплоты, которое идеальная машина отдает холодильнику, равно разности двух этих величин. Зная это, найдем:

Ответ: 17%.

Задача на цикл Карно №3

Условие

Изобразите цикл Карно на диаграмме и опишите его

Решение

Цикл Карно на диаграмме PV выглядит следующим образом:

  • 1-2. Изотермическое расширение, рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты q1;
  • 2-3. Адиабатическое расширение, тепло не подводится;
  • 3-4. Изотермическое сжатие, в ходе которого тепло передается холодильнику;
  • 4-1. Адиабатическое сжатие.

Ответ: см. выше.

Вопрос на цикл Карно №1

Сформулируйте первую теорему Карно

Ответ. Первая теорема Карно гласит: КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя и холодильника, но не зависит ни от устройства машины, ни от вида или свойств её рабочего тела.

Вопрос на цикл Карно №2

Может ли коэффициент полезного действия в цикле Карно быть равным 100%?

Ответ. Нет. КПД цикла карно будет равен 100% только в случае, если температура холодильника будет равна абсолютному нулю, а это невозможно.

Если у вас остались вопросы по теме тепловых двигателей и цикла Карно, вы можете смело задавать их в комментариях. А если нужна помощь в решении задач или других примеров и заданий, обращайтесь в

КПД теплового двигателя. Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:

где - теплота, полученная от нагревателя, - теплота, отданная холодильнику.

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение работы совершаемой двигателем, к количеству теплоты полученному от нагревателя:

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то во всех случаях

Максимальное значение КПД тепловых двигателей. Французский инженер и ученый Сади Карно (1796 1832) в труде «Размышление о движущей силе огня» (1824) поставил цель: выяснить, при каких условиях работа теплового двигателя будет наиболее эффективной, т. е. при каких условиях двигатель будет иметь максимальный КПД.

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Он вычислил КПД этой машины, работающей с нагревателем температуры и холодильником температуры

Главное значение этой формулы состоит в том, как доказал Карно, опираясь на второй закон термодинамики, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем температуры и холодильником температуры не может иметь коэффициент полезного действия, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

Формула (4.18) дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю,

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

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими. Так, для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: При этих температурах максимальное значение КПД равно:

Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь равно:

Повышение КПД тепловых двигателей, приближение его к максимально возможному - важнейшая техническая задача.

Тепловые двигатели и охрана природы. Повсеместное применение тепловых двигателей с целью получения удобной для использования энергии в наибольшей степени, по сравнению со

всеми другими видами производственных процессов, связано с воздействием на окружающую среду.

Согласно второму закону термодинамики производство электрической и механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительных количеств теплоты. Это не может не приводить к постепенному повышению средней температуры на Земле. Сейчас потребляемая мощность составляет около 1010 кВт. Когда эта мощность достигнет то средняя температура повысится заметным образом (примерно на один градус). Дальнейшее повышение температуры может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня мирового океана.

Но этим далеко не исчерпываются негативные последствия применения тепловых двигателей. Топки тепловых электростанций, двигатели внутреннего сгорания автомобилей и т. д. непрерывно выбрасывают в атмосферу вредные для растений, животных и человека вещества: сернистые соединения (при сгорании каменного угля), оксиды азота, углеводороды, оксид углерода (СО) и др. Особую опасность в этом отношении представляют автомобили, число которых угрожающе растет, а очистка отработанных газов затруднена. На атомных электростанциях встает проблема захоронения опасных радиоактивных отходов.

Кроме того, применение паровых турбин на электростанциях требует больших площадей под пруды для охлаждения отработанного пара С увеличением мощностей электростанций резко возрастает потребность в воде. В 1980 г. в нашей стране для этих целей требовалось около воды, т. е. около 35% водоснабжения всех отраслей хозяйства.

Все это ставит ряд серьезных проблем перед обществом. Наряду с важнейшей задачей повышения КПД тепловых двигателей требуется проводить ряд мероприятий по охране окружающей среды. Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях. Уже сейчас не допускаются к эксплуатации автомобили с повышенным содержанием СО в отработанных газах. Обсуждается возможность создания электромобилей, способных конкурировать с обычными, и возможность применения горючего без вредных веществ в отработанных газах, например в двигателях, работающих на смеси водорода с кислородом.

Целесообразно для экономии площади и водных ресурсов сооружать целые комплексы электростанций, в первую очередь атомных, с замкнутым циклом водоснабжения.

Другое направление прилагаемых усилий - это увеличение эффективности использования энергии, борьба за ее экономию.

Решение перечисленных выше проблем жизненно важно для человечества. И эти проблемы с максимальным успехом могут

быть решены в социалистическом обществе с плановым развитием экономики в масштабах страны. Но организация охраны окружающей среды требует усилий в масштабе земного шара.

1. Какие процессы называются необратимыми? 2. Назовите наиболее типичные необратимые процессы. 3. Приведите примеры необратимых процессов, не упомянутых в тексте. 4. Сформулируйте второй закон термодинамики. 5. Если бы реки потекли вспять, означало бы это нарушение закона сохранения энергии? 6. Какое устройство называют тепловым двигателем? 7. Какова роль нагревателя, холодильника и рабочего тела теплового двигателя? 8. Почему в тепловых двигателях нельзя использовать в качестве источника энергии внутреннюю энергию океана? 9. Что называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя?

10. Чему равно максимально возможное значение коэффициента полезного действия теплового двигателя?


Тепловым называется двигатель, выполняющий работу за счет источника тепловой энергии.

Тепловая энергия (Q нагревателя ) от источника передается двигателю, при этом часть полученной энергии двигатель тратит на выполнение работы W , неизрасходованная энергия (Q холодильника ) отправляется в холодильник, роль которого может выполнять, например окружающий воздух. Тепловой двигатель может работать только в том случае, если температура холодильника меньше температуры нагревателя.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя можно рассчитать по формуле: КПД = W/Q нг .

КПД=1 (100%) в том случае, если вся тепловая энергия превращается в работу. КПД=0 (0%) в том случае, если никакая тепловая энергия не превращается в работу.

КПД реального теплового двигателя лежит в промежутке от 0 до 1, чем выше КПД, тем эффективнее двигатель.

Q х /Q нг = T х /T нг КПД = 1-(Q х /Q нг) КПД = 1-(T х /T нг)

Учитывая третье начало термодинамики , которое гласит, что температуру абсолютного нуля (Т=0К) достичь невозможно, можно сказать, что невозможно разработать тепловой двигатель с КПД=1, поскольку всегда T х >0.

КПД теплового двигателя будет тем больше, чем выше температура нагревателя, и ниже температура холодильника.

Физика, 10 класс

Урок 25. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Понятие теплового двигателя;

2)Устройство и принцип действия теплового двигателя;

3)КПД теплового двигателя;

4) Цикл Карно.

Глоссарий по теме

Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Двигатель внутреннего сгорания – двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя.

Реактивный двигатель – двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Цикл Карно – это идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов.

Нагреватель – устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет на совершение работы.

Холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела (окружающая среда или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара, т.е. конденсаторы).

Рабочее тело - тело, которое расширяясь, совершает работу (им является газ или пар)

Основная и дополнительная литература по теме урока :

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 269 – 273.

2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.: Дрофа,2014. – С. 87 – 88.

Открытые электронные ресурсы по теме урока

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Сказки и мифы разных народов свидетельствуют о том, что люди всегда мечтали быстро перемещаться из одного места в другое или быстро совершать ту или иную работу. Для достижения этой цели нужны были устройства, которые могли бы совершать работу или перемещаться в пространстве. Наблюдая за окружающим миром, изобретатели пришли к выводу, что для облегчения труда и быстрого передвижения нужно использовать энергию других тел, к примеру, воды, ветра и т.д. Можно ли использовать внутреннюю энергию пороха или другого вида топлива для своих целей? Если мы возьмём пробирку, нальём туда воду, закроем её пробкой и будем нагревать. При нагревании вода закипит, и образовавшие пары воды вытолкнут пробку. Пар расширяясь совершает работу. На этом примере мы видим, что внутренняя энергия топлива превратилась в механическую энергию движущейся пробки. При замене пробки поршнем способным перемещаться внутри трубки, а саму трубку цилиндром, то мы получим простейший тепловой двигатель.

Тепловой двигатель – тепловым двигателем называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

Вспомним строение простейшего двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень. Поршень с помощью шатуна соединяется с коленчатым валом. В верхней части каждого цилиндра имеются два клапана. Один из клапанов называют впускным, а другой – выпускным. Для обеспечения плавности хода поршня на коленчатом вале укреплен тяжелый маховик.

Рабочий цикл ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Во время первого такта открывается впускной клапан, а выпускной клапан остается закрытым. Движущийся вниз поршень засасывает в цилиндр горючую смесь.

Во втором такте оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.

В третьем такте, когда поршень оказывается в верхнем положении, смесь поджигается электрической искрой свечи. Воспламенившаяся смесь образует раскаленные газы, давление которых составляет 3 -6 МПа, а температура достигает 1600 -2200 градусов. Сила давления толкает поршень вниз, движение которого передается коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок маховик будет дальше вращаться по инерции, обеспечивая движение поршня и при последующих тактах. Во время этого такта оба клапана остаются закрытыми.

В четвертом такте открывается выпускной клапан и отработанные газы движущимся поршнем выталкиваются через глушитель (на рисунке не показан) в атмосферу.

Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Q 1 – количество теплоты полученное от нагревания

Q 2 – количество теплоты, отданное холодильнику

– работа, совершаемая двигателем за цикл.

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

Зная мощность N и время работы t двигателя работу, совершаемую за цикл можно найти по формуле

Передача неиспользуемой части энергии холодильнику .

В XIX веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ определения КПД (через термодинамическую температуру).

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Сади Карно, выясняя при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из 2 адиабатных и двух изотермических процессов

Цикл Карно - самый эффективный цикл, имеющий максимальный КПД.

Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

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

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

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

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

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

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

Паровой двигатель – 8%.

Паровая турбина – 40%.

Газовая турбина – 25-30%.

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.

Дизельный двигатель – 40– 44%.

Реактивный двигатель – 25%.

Широкое использование тепловых двигателей не проходит бесследно для окружающей среды: постепенно уменьшается количество кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, воздух загрязняется вредными для здоровья человека химическими соединениями. Возникает угроза изменения климата. Поэтому нахождение путей уменьшения загрязнения окружающей среды является сегодня одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.

Примеры и разбор решения заданий

1 . Какую среднюю мощность развивает двигатель автомобиля, если при скорости 180 км/ч расход бензина составляет 15 л на 100 км пути, а КПД двигателя 25%?

© 2021 bugulma-lada.ru -- Портал для владельцев автомобилей

Разработка урока по теме "КПД тепловых машин"

1 Урок №21.

Тема: «Коэффициент полезного действия теплового двигателя».

Цели урока:

  1. Образовательные цели : обобщение знаний о принципе работы тепловых двигателей, формирование понятия КПД тепловых двигателей, установление связи между различными видами энергии, закрепление новых знаний.

  2. Развивающие цели: овладение учащимися методами научного исследования: анализа и синтеза, развитие логического мышления, расширение кругозора учащихся.

  3. Воспитательные цели: формирование добросовестного отношения к труду, положительной мотивации к учению и овладению новыми знаниями, повышение интереса к предмету.

Оборудование: пробирка с пробкой, штативы, ноутбук, мультимедийный проектор, презентация «КПД тепловых двигателей», модели тепловых двигателей (двигатель внутреннего сгорания, паровая турбина) ; таблица «Реактивный двигатель», справочник по физике.

Методы и приёмы, применяемые на уроке: тестовый опрос, решение проблемы, решение задач, беседа, демонстрации, сообщения.

Тип урока: комбинированный.

Ход урока:

1.Актуализация опорных знаний

Около 76% всей электроэнергии в мире вырабатывается на тепловых электростанциях. Тепловые двигатели устанавливают также на атомных электростанциях. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели.

1.1.Письменный опрос по пройденному материалу

  1. Ответы на вопросы тестов

Тест

1)Внутренняя энергия тела - это:

А энергия хаотического движения молекул внутри тела,

Б потенциальная энергия взаимодействия молекул,

В кинетическая энергия движения молекул внутри тела,

Г сумма потенциальной и кинетической энергии молекул внутри тела.

2) Как протекают тепловые процессы в природе:

А менее нагретое тело передает тепло более нагретому,

Б более нагретое тело передает тепло менее нагретому,

В теплообмен не происходит,

3) Результатом теплообмена может быть:

А повышение или понижение температуры,

Б смена агрегатного состояния,

В Выполнение механической работы,

4) Тепловая машина состоит из:

А нагревателя и холодильника,

Б нагревателя и рабочего тела,

В нагревателя, рабочего тела, холодильника,

Г холодильника и рабочего тела,

5)Полная работа рассчитывается:

А при полном сгорании топлива

Б при нагревании тел,

В при плавлении тел.

6) Полезная работа рассчитывается:

А при полном сгорании топлива

Б при нагревании тел,

В при плавлении тел,

Г при поднятии тела на высоту

7) Энергия измеряется в:

А Дж

Б Вт

В Н /м

Г кг

1.2.Информация учащихся (показ слайдов – изобретатели тепловых машин) об устройстве и принципе работы:

О создании тепловых машин и принципе их работы :

-Паровой турбины

-Двигателя внутреннего сгорания

-Реактивного двигателя

2.Постановка проблемы: Вся ли энергия, выделившаяся при сгорании топлива, перешла в механическую? . Ребята, как вы думаете, вся ли подводимая энергия, энергия выделяющаяся при сгорании топлива, используется тепловым двигателем ? (нет, часть её уходит в окружающее пространство, часть на нагревание установки). Правильно, итак, физическая величина, показывающая какую долю составляет совершаемая двигателем работа от энергии, полученной при сгорании топлива, называется коэффициентом полезного действия, её изучение и есть цель нашего урока.

. Экспериментальная задача.. Давайте проделаем такой эксперимент : доведём до кипения 5 мл (5 г) воды и определим массу сгоревшего при этом топлива. Тогда, зная теплоту сгорания топлива и удельную теплоёмкость воды, мы сможем рассчитать количество теплоты, выделившееся при сгорании топлива, и количество теплоты, которое получила вода при нагревании до кипения. Разность между ними - это потеря энергии.
Кто из вас мне поможет?  
(при помощи мензурок определяем объёмы воды и спирта (5 мл. и ? мл.), далее наливаем воду в пробирку, а спирт в спиртовку и подожжём , пробирку поместим над пламенем. Ждём закипания воды. Пока идёт процесс, ассистент записывает данные ).
Дано : Решение
Mв = 0,005 кг 1. Qn = C m (t2 – t1) = 4200 Дж/кг0 С х 0,005 кг
m 1 = х (100 0 С - 20 0 С) = 1680 Дж
m2 = 2. m = m 1 - m2
t1 = 20 0 С 3. Qз = q m
t2 = 100 0 С 4. Q = 2,7 х 10 7 Дж/кг х m
c = 4200 Дж/кг0 С 5. Q потерь = Qз – Qn
q = 2,7 Х 10 7 Дж/кг
Q потерь - ?
Итак, вы видите, что потери энергии велики, т. е. много энергии расходуется впустую. Коэффициент полезного действия - это отношение полезной работы к затраченной энергии, выраженной в процентах : 
КПД = Ап/Qз х 100 %
Давайте рассчитаем КПД нашей установки:
КПД = Qn/Qз х 100 % 
( расчет КПД у доски ) 
Как видим КПД очень мал.
Первые паровые двигатели имели КПД всего 0,3 %.

3.Изучение нового материала ( слайды формул для расчета КПД)

1.В тепловых двигателях рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты Q1. Эта энергия возникает в результате сгорания топлива: Q1=gm

Часть энергии, полученной от нагревателя, расходуется на совершение полезной работы Ап, на движение поршня.

  1. η = Ап/Q1.100%

.КПД теплового двигателя – это физическая величина, показывающая какая часть энергии, полученной от нагревателя, превращается в полезную работу.

Другая часть энергии уходит в виде тепла, количество которого Q2, в холодильник (в окружающую среду).

Полезная работа равна разности количества теплоты, полученного от нагревателя и количества теплоты Q1, отданного холодильнику Q2.  

 

  1. Ап = Q– Q2

  2. η = Ап/Q1.100% η =Т121100%

 

4.Осмысление изученного материала:

Устно

1.По справочнику - какое топливо имеет большую удельную теплоту сгорания?

2.Тепловой двигатель получает от сгорания горючего 10 МДж теплоты, а отдает окружающей среде 70 МДЖ. Какую работу он совершает?

3. За один цикл тепловой двигатель совершил работу 50 Дж. При этом потеря тепла в окружающую среду составила 100 Дж. Сколько тепла за цикл получил двигатель?

4. Перевести в шкалу Кельвина 20 С- 20+273 =293К

-37С- -37+273=236К

5. Мощность Р=N = A/t 6. Т1 =350К, Т2= 280К, КПД= 350К-280К/350К= 70/350 =0,2=20% 

Реши задачи

В классе №1,5,6.9,14,17,18(дополнительно)

1.Относится ли огнестрельное оружие к тепловым двигателям?(да)

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

3. Почему двигатели внутреннего сгорания не используются в подводной лодке при подводном плавании?

4. Почему в паровой турбине температура отработанного пара ниже, чем температура пара, поступающего к лопаткам турбины?

5. В одной из паровых турбин для совершения полезной работы используется 1/5 часть энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в другой — 1/4 часть. КПД какой турбины больше? Ответ обоснуйте(. КПД2 больше КПД 1)

6. Определите КПД двигателя трактора, которому для выполнения работы 1,89 • 106 Дж потребовалось 1,5 кг топлива с удельной теплотой сгорания 4,2⋅106 Дж/кг. (30%)

7. Один из учеников при решении получил ответ, что КПД теплового двигателя равен 200%. Правильно ли решил ученик задачу? (НЕТ)

8. КПД теплового двигателя 45%. Что означает это число?

9. Двигатель внутреннего сгорания мощностью 36 кВт за 1 ч работы израсходовал 14 кг бензина. Определите КПД двигателя. ( КПД=20%)

10. В топке паровоза сожгли 10 кг сухих дров с удельной теплотой сгорания 1.107Дж/кг, при этом была совершена полезная работа 8 МДж. Определить КПД паровоза.(8%)

11. Двигатель внутреннего сгорания автомобиля совершил полезную работу     92 МДж. При этом он израсходовал 5 кг бензина с удельной теплотой

сгорания 46.106 Дж/кг. Определить КПД двигателя автомобиля. (40%)

12.Определите КПД двигателя трактора , которому для выполнения работы 14,9 M Дж потребовалось 1,5 кг. дизельного топлива q = 42 * 106 Дж/ кг.(23,65%)

13.Определить КПД гусеничного трактора, который развивает мощность 60 кВт и расходует в 1 час 18 кг дизельного топлива q = 42 * 106 Дж/ кг.(28,57%)

14.Определить КПД теплового двигателя ,если температура нагревателя 800С, а холодильнику отдаётся 200С.(17%)

15. За 3 ч пробега автомобиль, КПД которого равен 25%, израсходовал 24 кг бензина. Какую среднюю мощность развивал двигатель автомобиля при этом пробеге? (25,5 кВТ)

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

17. Определить массу бензина, расходуемого автомобилем за 10 минут, если мощность его двигателя 55 кВт, а КПД=25%(2,86 кг)

18.Какую полезную работу совершает двигатель экологически чистого автомобиля с КПД 30%, если использует 15л спирта?(97,2 МДж)

Коэффициент полезного действия ТЭЦ достигает 60—70%

5.Роль тепловых двигателей ( слайды ) На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорании  и дизели. На железнодорожном транспорте до середины 20 в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. На водном транспорте используются как двигатели внутреннего сгорании, так и мощные турбины для крупных судов. В авиации на легких самолетах устанавливают. Поршневые двигатели, а на огромных лайнерах – турбовинтовые и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах.

Для любознательных

№1.

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.

№2.

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.) 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.)

Живые организмы также способны совершать механическую работу, но за счёт «сгорания» своеобразного топлива - пищи. К ним тоже применимы такие понятия, как полезная работа и КПД. Любое движение тела живого организма связано с расходом энергии. Затраты энергии прямо пропорциональны интенсивности выполняемой работы.
При различных видах деятельности человека значение КПД варьируется от 10 до 30 %

Это интересно

    1. В Арктике температура зимой -35С, а подо льдом-+1С. Каков КПД может быть? КПД=17,36%

    2. Почему КПД теплоцентралей зимой несколько ниже, чем летом? Меньше необходимо отдавать на охлаждение.

    3. Калорийность продуктов: Смалец, подсолнечное масло, сало, орехи, халва, молоко сухое, копченная колбаса, сахар.

6.Итог урока. М. В. Ломоносов Мои юные сограждане! Я вижу ваш интерес к науке и рад этому. Скажу вам как исследователь: один опыт я ставлю выше, чем тысячи мнений, рождённых только воображением. Хочу вам пожелать: везде исследовать «всечасно, что есть велико и прекрасно, чего ещё не видел свет»

7.Домашнее задание: высказать идеи предотвращения вредного воздействия тепловых двигателей на окружающую среду. §20,

Повторить § 16-19, выучить формулы, решить задачи №2,4,8, 10,

№15 (дополнительно)

НАЧАЛА ФИЗИКИ


Из формул (21.10) и (21.11) находим коэффициент полезного действия процесса

(21.12)

Выражение (21.12) показывает, что только одна двенадцатая часть энергии, полученной газом от нагревателя в процессе 1-2, становится механической работой, остальная часть этой энергии остается внутренней энергией и передается от холодильника нагревателю.

1. На рисунке приведен график циклического процесса, который происходит с идеальным газом. Параметры процесса приве дены на графике. Какую работу A газ со вершает в течение этого циклического процесса?

2. Тепловой двигатель получает за цикл от нагревателя количество теплоты, равное 100 Дж, а отдает холодильнику количество теплоты 30 Дж. Каков КПД двигателя?

А. 30 %. Б. 70 %. В. 35 %. Г. 15 %.

3. Тепловой двигатель совершает за цикл работу 400 Дж и отдает холодильнику количество теплоты, равное 600 Дж. Каков КПД двигателя?

А. 50 %. Б. 66 %. В. 40 %. Г. 33 %.

4. Тепловой двигатель, КПД которого равен 20 %, в течение цикла отдает холодильнику количество теплоты 100 Дж. Какую работу совершает двигатель за цикл?

А. 25 Дж. Б. 30 Дж. В. 35 Дж. Г. 40 Дж.

5. Тепловой двигатель, КПД которого равен 25 %, в течение цикла совершает работу 100 Дж. Какое количество теплоты двигатель отдает холодильнику за цикл?

А. 150 Дж. Б. 200 Дж. В. 250 Дж. Г. 300 Дж.

325/597

Урок по физике в 8 классе по теме "КПД тепловых машин"

библиотека
материалов

Содержание слайдов

Номер слайда 1

КПД теплового двигателя

Номер слайда 2

Тепловым двигателем называют машину, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию. Вся ли тепловая энергия превращается в тепловых двигателях в механическую энергию? Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только часть той энергии, которая выделяется топливом Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие КПД (коэффициент полезного действия) двигателя.

Номер слайда 3

Физическая величина, показывающая, какую долю составляет совершаемая двигателем работа от энергии, полученной при сгорании топлива, называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя  = (А / Q 1 ) 100%

Номер слайда 4

КПД теплового двигателя  = А п/ Аз  = Qп/ Qз  = Nп/ Nз   ВСЕГДА!  00%  = (А / Q1 ) 100%  = ( Q1-Q2 / Q1 ) 100%

Номер слайда 5

Характеристики тепловых двигателей Двигатели Мощность, кВт КПД, % ДВС: карбюраторный дизельный 1 – 200 15 - 2200  25  35 Турбины: паровые газовые 3  105 12  105  30  27 Реактивный 3  107  80

Номер слайда 6

Важнейшая техническая задача Повысить КПД тепловых двигателей Уменьшение трения частей двигателя Уменьшение потерь топлива вследствие его неполного сгорания

Номер слайда 7

1. Один из учеников при решении получил ответ, что КПД теплового двигателя равен 200%. Правильно ли решил ученик задачу? Качественные задачи: 2. КПД теплового двигателя 45%. Что означает это число?

Номер слайда 8

1.Тепловой двигатель за цикл получает от нагревателя энергию, равную 1000 Дж, и отдаёт холодильнику энергию 800 Дж. Чему равен КПД теплового двигателя? 2.Тепловой двигатель за цикл получает от нагревателя энергию, равную 1000 Дж, и отдаёт холодильнику энергию 700 Дж. Чему равен КПД теплового двигателя? Задачи(2-реши сам)

Номер слайда 9

1. Двигатель внутреннего сгорания совершил полезную работу, равную 0,23МДж и израсходовал 2кг бензина. Вычислить КПД двигателя. Задачи( 2 – реши сам) 2. Определить КПД двигателя трактора, которому для выполнения работы 18,9 МДж потребовалось 1,5кг топлива с q =42МДж/кг.

Номер слайда 10

Задача для любителей биологии 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?

Номер слайда 11

Принцип действия и КПД тепловых двигателей. Физика. 10 класс. - Паровая турбина.КПД теплового двигателя.

Комментарии преподавателя

Прин­цип дей­ствия теп­ло­во­го дви­га­те­ля

Темой про­шло­го урока был пер­вый закон тер­мо­ди­на­ми­ки, ко­то­рый за­да­вал связь между неко­то­рым ко­ли­че­ством теп­ло­ты, ко­то­рое было пе­ре­да­но пор­ции газа, и ра­бо­той, со­вер­ша­е­мой этим газом при рас­ши­ре­нии. И те­перь при­шло время ска­зать, что эта фор­му­ла вы­зы­ва­ет ин­те­рес не толь­ко при неких тео­ре­ти­че­ских рас­чё­тах, но и во вполне прак­ти­че­ском при­ме­не­нии, ведь ра­бо­та газа есть не что иное как по­лез­ная ра­бо­та, какую мы из­вле­ка­ем при ис­поль­зо­ва­нии теп­ло­вых дви­га­те­лей.

Опре­де­ле­ние. Теп­ло­вой дви­га­тель – устрой­ство, в ко­то­ром внут­рен­няя энер­гия топ­ли­ва пре­об­ра­зу­ет­ся в ме­ха­ни­че­скую ра­бо­ту (рис. 1).

Рис. 1. Раз­лич­ные при­ме­ры теп­ло­вых дви­га­те­лей (Ис­точ­ник), (Ис­точ­ник)

Как видно из ри­сун­ка, теп­ло­вы­ми дви­га­те­ля­ми яв­ля­ют­ся любые устрой­ства, ра­бо­та­ю­щие по вы­ше­ука­зан­но­му прин­ци­пу, и они ва­рьи­ру­ют­ся от неве­ро­ят­но про­стых до очень слож­ных по кон­струк­ции.

Все без ис­клю­че­ния теп­ло­вые дви­га­те­ли функ­ци­о­наль­но де­лят­ся на три со­став­ля­ю­щие (см. рис. 2):

  • На­гре­ва­тель
  • Ра­бо­чее тело
  • Хо­ло­диль­ник

Рис. 2. Функ­ци­о­наль­ная схема теп­ло­во­го дви­га­те­ля (Ис­точ­ник)

На­гре­ва­те­лем яв­ля­ет­ся про­цесс сго­ра­ния топ­ли­ва, ко­то­рое при сго­ра­нии пе­ре­да­ёт боль­шое ко­ли­че­ство теп­ло­ты  газу, на­гре­вая тот до боль­ших тем­пе­ра­тур. Го­ря­чий газ, ко­то­рый яв­ля­ет­ся ра­бо­чим телом, вслед­ствие по­вы­ше­ния тем­пе­ра­ту­ры, а сле­до­ва­тель­но, и дав­ле­ния, рас­ши­ря­ет­ся, со­вер­шая ра­бо­ту . Ко­неч­но же, так как все­гда су­ще­ству­ет теп­ло­пе­ре­да­ча с кор­пу­сом дви­га­те­ля, окру­жа­ю­щим воз­ду­хом и т. д., ра­бо­та не будет чис­лен­но рав­нять­ся пе­ре­дан­ной теп­ло­те – часть энер­гии  ухо­дит на хо­ло­диль­ник, ко­то­рым, как пра­ви­ло, яв­ля­ет­ся окру­жа­ю­щая среда.

Проще всего можно пред­ста­вить себе про­цесс, про­ис­хо­дя­щий в про­стом ци­лин­дре под по­движ­ным порш­нем (на­при­мер, ци­линдр дви­га­те­ля внут­рен­не­го сго­ра­ния). Есте­ствен­но, чтобы дви­га­тель ра­бо­тал и в нём был смысл, про­цесс дол­жен про­ис­хо­дить цик­ли­че­ски, а не ра­зо­во. То есть после каж­до­го рас­ши­ре­ния газ дол­жен воз­вра­щать­ся в пер­во­на­чаль­ное по­ло­же­ние (рис. 3).

Рис. 3. При­мер цик­ли­че­ской ра­бо­ты теп­ло­во­го дви­га­те­ля (Ис­точ­ник)

Для того чтобы газ воз­вра­щал­ся в на­чаль­ное по­ло­же­ние, над ним необ­хо­ди­мо вы­пол­нить некую ра­бо­ту (ра­бо­та внеш­них сил). А так как ра­бо­та газа равна ра­бо­те над газом с про­ти­во­по­лож­ным зна­ком, для того чтобы за весь цикл газ вы­пол­нил сум­мар­но по­ло­жи­тель­ную ра­бо­ту (иначе в дви­га­те­ле не было бы смыс­ла), необ­хо­ди­мо, чтобы ра­бо­та внеш­них сил была мень­ше ра­бо­ты газа. То есть гра­фик цик­ли­че­ско­го про­цес­са в ко­ор­ди­на­тах P-V дол­жен иметь вид: за­мкну­тый кон­тур с об­хо­дом по ча­со­вой стрел­ке. При дан­ном усло­вии ра­бо­та газа (на том участ­ке гра­фи­ка, где объём рас­тёт) боль­ше ра­бо­ты над газом (на том участ­ке, где объём умень­ша­ет­ся) (рис. 4).

 

Рис. 4. При­мер гра­фи­ка про­цес­са, про­те­ка­ю­ще­го в теп­ло­вом дви­га­те­ле

Раз мы го­во­рим о неко­ем ме­ха­низ­ме, обя­за­тель­но нужно ска­зать, каков его КПД.

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

Ротор паровой турбины

Схема устройства простейшей паровой турбины приведена на рисунке 28. На вал 5 насажен диск 4, по ободу которого закреплены лопатки 2. Около лопаток расположены трубы — сопла 1, в которые поступает пар 3 из котла. Струи пара, вырывающиеся из сопел, оказывают значительное давление на лопатки и приводят диск турбины в быстрое вращательное движение.

Схема паровой турбины

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

На электростанциях с турбиной соединён генератор электрического тока. Частота вращения вала турбин достигает 3000 оборотов в минуту, что является очень удобным для приведения в движение генераторов электрического тока.

В нашей стране строят паровые турбины мощностью от нескольких киловатт до 1 200 000 кВт.

Применяют турбины на тепловых электростанциях и на кораблях.

Постепенно находят всё более широкое применение газовые турбины, в которых вместо пара используются продукты сгорания газа.

Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только незначительную часть энергии, которая выделяется топливом. Большая часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве.

Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты. Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу за счёт своей внутренней энергии. Часть энергии передаётся атмосфере — холодильнику — вместе с отработанным паром или выхлопными газами.

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

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

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

Коэффициент полезного действия обозначают η (греч. буква «эта»).

КПД теплового двигателя определяют по формуле

где Ап — полезная работа, Q1 — количество теплоты, полученное от нагревателя, Q2 — количество теплоты, отданное холодильнику, Q1 - Q2 — количество теплоты, которое пошло на совершение работы. КПД выражается в процентах.

Например, двигатель из всей энергии, выделившейся при сгорании топлива, расходует на совершение полезной работы только одну четвёртую часть. Тогда коэффициент полезного действия двигателя равен ¼, или 25% .

КПД двигателя обычно выражают в процентах. Он всегда меньше единицы, т. е. меньше 100% . Например, КПД двигателей внутреннего сгорания 20—40%, паровых турбин — немногим выше 30%.

Домашняя работа

Задание 1. Ответить на вопросы.

  1. Какие тепловые двигатели называют паровыми турбинами?
  2. В чём отличие в устройстве турбин и поршневых машин?
  3. Из каких частей состоит паровая турбина и как она работает?
  4. Почему в тепловых двигателях только часть энергии топлива превращается в механическую энергию?
  5. Что называют КПД теплового двигателя?
  6. Почему КПД двигателя не может быть не только больше 100%, но и равен 100%?

Задание 2. Решить задачи.
☝    При равномерном перемещении груза массой 30 кг по наклонной плоскости была приложена сила 80 Н.  Вычисли КПД плоскости, если ее длина 3,6 м, а высота – 60 см.
☝    Какова длина наклонной плоскости, если при перемещении груза массой 1 кг была приложена сила 5 Н? Высота наклонной плоскости 0,2 м, а КПД 80%.
☝    Груз массой 300 кг подняли с помощью рычага на высоту 0,5 м. При этом к длинному плечу рычага была приложена сила 500 Н, а точка приложения силы опустилась на 4 м. Вычислите КПД рычага.
☝    Какая сила была приложена к длинному плечу рычага с КПД 40%, если груз массой 100 кг был поднят на высоту 10 см, а длинное плечо рычага опустилось на 50 см?

ИНТЕРЕСНО

1. Мощные механизмы приводят в движение не паровыми поршневыми машинами, а паровыми турбинами. Ведь поршневые машины при той же мощности имеют большие размеры и вес и меньший кпд. В ряде случаев это технически неудобно и экономически невыгодно.

2. Чтобы поднять КПД парового двигателя стенки парового котла лучше делать из железа или меди.
Эти металлы улучшат теплопроводность котла и этим поднимут его КПД. Кстати, слой накипи ухудшает теплопроводность котла и приводит к появлению на нем трещин и, в конце концов, к порче котла, поэтому-то так необходимо очищать котел от накипи.

К занятию прикреплен файл  «Изобретение и распространение паровых турбин.». Вы можете скачать файл в любое удобное для вас время.

Использованные источники: 

  • http://interneturok.ru/ru/school/physics/10-klass/
  • http://www.youtube.com/watch?v=AMFRpRQnMRM
  • http://www.youtube.com/watch?v=iDDGCf9eyes
  • http://www.youtube.com/watch?v=Ny2YDArHerY
  • http://www.youtube.com/watch?v=G3RtYsmE_Jw
     

Каков максимальный КПД теплового двигателя? - Mvorganizing.org

Каков максимальный КПД теплового двигателя?

- суммарный ввод тепловой энергии от горячего источника. Тепловые двигатели часто работают с КПД от 30% до 50% из-за практических ограничений. Тепловые двигатели не могут достичь 100% теплового КПД () согласно Второму закону термодинамики.

Необходима ли разница температур для работы теплового двигателя?

Да, разница температур необходима для работы теплового двигателя в цикле.

Какой тепловой двигатель имеет больший КПД?

Двигатель Карно

Каков максимальный КПД цикла Карно?

Ни одна настоящая тепловая машина не может работать так хорошо, как КПД Карно - фактический КПД около 0,7 от этого максимума обычно является лучшим, что может быть достигнуто. Но идеальный двигатель Карно, как и пьяная птица наверху, хотя и является увлекательной новинкой, имеет нулевую мощность. Это делает его нереалистичным для любых приложений.

Как можно повысить тепловую эффективность?

Более низкие степени сжатия требуют более высоких степеней постоянного объема для повышения теплового КПД за счет уменьшения потерь при охлаждении.Следовательно, способ, который снижает потери на охлаждение без снижения степени постоянного объема, будет эффективным для повышения теплового КПД двигателей внутреннего сгорания.

Какова эффективность цикла Ренкина?

Расчет теплового КПД цикла Ренкина: Тепловой КПД цикла Ренкина: Тепловой КПД цикла Ренкина - это соотношение между работой, производимой паровой турбиной, которая была уменьшена из-за работы насоса, с поступающей тепловой энергией от котла. .

Какова формула КПД теплового двигателя?

Формула КПД теплового двигателя W = Полученная полезная работа. QH = заданное количество тепловой энергии. Это известно как формула теплового двигателя. Концепция теплового двигателя была впервые представлена ​​и открыта французским физиком Карно в 1824 году.

Как рассчитать тепловую машину?

Полезная работа, выполняемая тепловым двигателем, равна W = Q1 - Q2 (энергосбережение). Идеальный реверсивный двигатель выполняет максимум работы.

Почему двигатель Карно самый эффективный?

Цикл Карно можно рассматривать как наиболее эффективный цикл тепловой машины, допускаемый законами физики. Это означает, что цикл Карно является идеализацией, поскольку никакие реальные процессы двигателя не являются обратимыми, и все реальные физические процессы включают некоторое увеличение энтропии.

Каковы основные характеристики теплового двигателя?

Ключевые качественные характеристики: (1) форма петли; (2) максимальная эффективность намного ниже КПД Карно; (3) близость точек максимальной эффективности и максимальной мощности.сдерживающий фактор для работы как при высоких, так и при низких скоростях подводимого тепла.

Реверсивны ли тепловые двигатели?

Этот цикл до сих пор известен как цикл Карно, но, поскольку он определен как обратимый, ни одна тепловая машина никогда не сможет работать с его использованием.

Реверсивный ли двигатель Карно?

Описанный цикл теплового двигателя Карно является полностью обратимым циклом. Это все процессы, из которых он состоит, могут быть обращены вспять, и в этом случае он становится холодильным циклом Карно.

Каков КПД реверсивного теплового двигателя?

Каждый реверсивный тепловой двигатель, работающий между двумя одинаковыми резервуарами температуры, имеет одинаковую эффективность. Это означает, что независимо от того, как устроен реверсивный тепловой двигатель или какая рабочая жидкость, его эффективность такая же, как и у всех других тепловых двигателей, работающих при тех же двух температурах.

Какие два типа тепловых двигателей?

Тепловые двигатели подразделяются на два следующих типа: двигатели внешнего сгорания и двигатели внутреннего сгорания.

Какой тип источника тепла самый чистый?

печи на пеллетах

Что такое идеальный тепловой двигатель?

Тепловые двигатели преобразуют внутреннюю энергию в механическую. Работу реверсивного теплового двигателя можно описать на фотоэлектрической диаграмме. Эффективность реверсивного теплового двигателя зависит от температур, между которыми он работает.

Что утверждает первый закон термодинамики?

Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, а только изменена по форме.

Проще говоря, что такое 2-й закон термодинамики?

Второй закон термодинамики касается качества энергии. В нем говорится, что по мере передачи или преобразования энергии все больше и больше ее тратится. Второй закон также гласит, что любая изолированная система имеет естественную тенденцию к вырождению в более неупорядоченное состояние.

Каковы 1-й, 2-й и 3-й законы термодинамики?

Второй закон термодинамики гласит, что энтропия любой изолированной системы всегда увеличивается.Третий закон термодинамики гласит, что энтропия системы приближается к постоянному значению, когда температура приближается к абсолютному нулю.

Простыми словами, что такое 3-й закон термодинамики?

Проще говоря, третий закон гласит, что энтропия идеального кристалла чистого вещества приближается к нулю, когда температура приближается к нулю. Выравнивание идеального кристалла не оставляет двусмысленности относительно расположения и ориентации каждой части кристалла.

Каковы 3 закона термодинамики?

Традиционно термодинамика признает три основных закона, просто названных порядковым номером: первый закон, второй закон и третий закон.Третий закон термодинамики гласит, что энтропия системы приближается к постоянному значению, когда температура приближается к абсолютному нулю.

Каков реальный пример третьего закона термодинамики?

Пар - это газообразная форма воды при высокой температуре. Молекулы внутри него свободно перемещаются, и, следовательно, он имеет высокую энтропию. Если охладить этот пар до температуры ниже 100 градусов Цельсия, он превратится в воду, где движение молекул будет ограничено, что приведет к снижению энтропии воды.

Возможна ли нулевая энтропия?

Энтропия системы при абсолютном нуле обычно равна нулю и во всех случаях определяется только количеством различных основных состояний, которые она имеет. В частности, энтропия чистого кристаллического вещества при температуре абсолютного нуля равна нулю. При абсолютном нуле возможно только 1 микросостояние (Ω = 1) и ln (1) = 0.

Какая энтропия равна 0?

Третий закон гласит: «Энтропия идеального кристалла равна нулю, когда температура кристалла равна абсолютному нулю (0 K).Согласно Университету Пердью, «Кристалл должен быть идеальным, иначе будет какой-то врожденный беспорядок.

Что произойдет, если энтропия отрицательна?

Отрицательное изменение энтропии указывает на то, что беспорядок изолированной системы уменьшился. Например, реакция, при которой жидкая вода замерзает в лед, представляет собой изолированное снижение энтропии, потому что жидкие частицы более неупорядочены, чем твердые частицы.

Наноразмерный тепловой двигатель превышает стандартный предел эффективности

Эффективность теплового двигателя при максимальной мощности показана как функция параметра сжатия.Результаты моделирования методом Монте-Карло (черные точки) показывают, что эффективность предлагаемого теплового двигателя может быть увеличена в четыре раза, если параметр сжатия равен или превышает 0,4. Обобщенный предел Карно - это предел эффективности двигателя, взаимодействующего со сжатым тепловым резервуаром. Предоставлено: J. Roßnagel и др. © Американское физическое общество, 2014 г.

(Phys.org). В 2012 году группа физиков из Германии предложила схему реализации наноразмерного теплового двигателя, состоящего из одного иона.Подобно тепловому двигателю на макроуровне, теоретическая версия в наномасштабе может преобразовывать тепло в механическую работу, используя разницу температур между двумя тепловыми резервуарами. Поскольку одноионный тепловой двигатель настолько мал, в то время физики отметили, что у него есть потенциал, чтобы подключиться к квантовому режиму и испытать квантовые эффекты.

Теперь в новой статье физики из университетов Майнца и Эрлангена-Нюрнберга в Германии теоретически показали, что наноразмерный тепловой двигатель может использовать преимущества нетепловых эффектов.

«Наши теоретические и численные результаты показывают, что производительность квантовых тепловых машин можно повысить, подключив их к инженерным нетепловым резервуарам, таким как сжатые резервуары», - сказал Phys.org соавтор Эрик Лутц, профессор физики Университета Эрлангена-Нюрнберга. . «Эти результаты вытекают из применения второго закона термодинамики к конфигурации резервуара, которая является более общей, чем обычно рассматривается в учебниках. С теоретической точки зрения они указывают на то, что второй закон менее ограничивает равновесие.«

В своей статье физики показали, что когда высокотемпературный тепловой резервуар, к которому прикреплен квантовый тепловой двигатель, «сжимается», эффективность теплового двигателя при максимальной мощности резко возрастает и может превышать стандартный предел Карно в два раза. . Поскольку мощность двигателя исчезает при максимальном КПД, КПД при максимальной мощности представляет наибольший интерес для практических приложений.

Как выражение второго закона термодинамики результат Карно устанавливает фундаментальный предел максимальной эффективности теплового двигателя.Однако этот предел сохраняется только для конкретной конфигурации, которая включает два тепловых резервуара с разными температурами.

Предлагаемый двигатель имеет только один тепловой резервуар, так как сжатый резервуар считается нетепловым. В то время как термальные резервуары характеризуются только своей температурой, нетепловые резервуары можно контролировать дополнительными способами, такими как сжатие.

Как объясняют физики, сжатие - это концепция квантовой оптики, которая оказалась полезным инструментом в высокоточной спектроскопии, квантовой информации, квантовой криптографии и других областях.Однако использование сжатых тепловых резервуаров в квантовой термодинамике до сих пор практически не исследовалось.

Моделирование физиками показало, что эта тепловая машина может быть экспериментально реализована с использованием современной технологии, включающей одиночный ионный и лазерный резервуары. Моделирование показало, что такой тепловой двигатель может реально работать на максимальной мощности с КПД, который до четырех раз превышает КПД, полученный с двумя тепловыми резервуарами, и в два раза выше стандартного предела Карно.

В будущем такое резкое повышение эффективности за счет сжатия может привести к реализации более эффективных нано-двигателей.

«Нам недавно удалось захватить ионы, и мы планируем проверить предсказанные результаты в лаборатории», - сказал Лутц. «В настоящее время мы изучаем тепловые насосы и возможности увеличения количества ионов».


Можно ли построить автомобильный двигатель из одной-единственной частицы?
Дополнительная информация: Дж.Росснагель и др. «Наноразмерный тепловой двигатель за пределом Карно». Письма о физических проверках . DOI: 10.1103 / PhysRevLett.112.030602

Также доступно по адресу arXiv: 1308.5935 [Quant-ph]

© 2014 Phys.орг. Все права защищены.

Ссылка : Наноразмерный тепловой двигатель превышает нормативный предел эффективности (2014, 27 января) получено 1 сентября 2021 г. с https: // физ.org / news / 2014-01-nanoscale-standard -fficiency-limit.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Реверсивный тепловой двигатель

- обзор

3.4.6.1 Термодинамические границы преобразования биомассы в полезную энергию

Преобразование энергии биомассы в рабочую форму можно смоделировать с помощью адиабатической камеры сгорания и реверсивного теплового двигателя. На рис. 38 показана система преобразования энергии биомассы для получения максимальной работы. Предполагается, что адиабатическая камера сгорания, которая функционирует при температуре адиабатического пламени T и , используется для сжигания биомассы. Вырабатываемое в этом процессе тепло называется низшей теплотворной способностью (NCV) биомассы, и это генерируемое тепло будет использоваться для работы обратимого теплового двигателя, который контактирует с окружающей средой на низкотемпературной стороне, чтобы произвести полезную работу.

Рис. 38. Термодинамическая система показывает преобразование энергии биомассы в работу. Использование реверсивного теплового двигателя.

Следовательно, произведенная работа этой системы составляет

(63) Ẇ = NCV × (1 − T0Tad)

Следовательно, эффективность преобразования биомассы может быть рассчитана следующим образом:

(64) η = 1 − T0Tad

По этой причине определение адиабатической температуры пламени биомассы позволит нам определить термодинамическую границу преобразования биомассы в полезную энергию.Состав биомассы необходимо исследовать, поскольку он оказывает значительное влияние на полученную NCV и эквивалент T ad . Биомасса в основном состоит из множества биохимических веществ, таких как сахар, аминокислоты и волокна; кроме того, в некоторой биомассе могут встречаться живые микроорганизмы и ферменты. Биомасса также содержит атомы металлов, которые превращаются в золу, когда биомасса подвергается процессу сгорания. Однако биомасса всегда богата кислородом, углеродом, азотом и водородом.

Биомассу можно смоделировать на основе ее химического состава с помощью следующего выражения: CXcHXHOXONXNSXSashXash (h3O) Xw, здесь X i - количество компонентов вида i . Удаление влаги из биомассы посредством процесса сушки изменит химическую модель на CXcHXHOXONXNSXSashXash.

Молекулярную массу высушенной биомассы можно определить по следующему уравнению:

(65) M = (12 × XC) + XH + (16 × XO) + (14 × XN) + (32 × XS) + ( Mash × Xash)

В сухом случае концентрация массы основного химического элемента составляет

wc = 12 × XcM; wH = XHM; wO = 16 × XoM; wN = 14 × XNM; wS = 32 × XSM; стирка = Mash × XashM

В сухом случае стирка = 0.5-12%, концентрация влаги wW в биомассе находится в диапазоне от 0% до 50%, и ее можно определить на влажной основе следующим образом:

(66) MWet = M + (XW × 18)

Следовательно,

(67) wW = 18 × XWM + (XW × 18)

Зная массовую концентрацию влаги, молярную концентрацию можно рассчитать следующим образом:

(68) XW = wW × M18 × (1 - wW)

Теплотворная и эксергетическое содержание может быть определено с использованием формул. (67) и (68). Эти уравнения также полезны для расчета сжигания биомассы.Следовательно, высшая теплотворная способность биомассы может быть выражена следующим образом:

(69) GCV = 34,91 × wC + 117,83 × wH + 10,05 × wS − 1,51 × wN − 1,034 × wO − 2,11 × стирка

См. [49]. Низшая теплотворная способность. Предполагая, что выхлопные газы содержат воду в парообразном состоянии, а температура выхлопных газов эквивалентна температуре подаваемой биомассы. NCV выражается следующим образом:

(70) NCV = GCV × (1 - wW) - (2,444 × wW) - [2,444wH × 8,936 × (1 - wW)]

Уравнение химической эксергии биомассы без учета существования Сера в процессе горения предлагает Саргута [50] следующее:

(71) exx, biomassch = NCV × (1.0347 + 0,014 × XHXC + 0,0968 × XOXC + 0,0493 × XNXC)

Стехиометрическое уравнение, учитывающее чистый кислород в процессе полного сгорания биомассы, может быть выражено следующим уравнением:

(72) CXCHXHOXONXNSXSashXash (h3O) XW + XCCO2O + Xh3Oh3O + XN2N2 + XSSO2 + Xashash

, где XO2 = 2 × XC + Xh3 + 2 × XS − XO; Xh3O = Xh3 + XW

И уравнение баланса энергии может быть выражено как

(73) hBMAF = hBM− Xash × hash = XC × hCO2 + Xh3O × h30 + XS × hSO2 + NCV

здесь h BM - энтальпия образования биомассы с учетом химических элементов, а hBMAF аналогичен для биомассы, не содержащей золы.

Сжигание биомассы, обогащенной O 2 и усиленной рециркуляцией дымовых газов, можно выразить следующим уравнением:

CXCHXHOXONXNSXSashXash (h3O) XW + λ × XO2 [ζ × (O2 + 3.76N2) + (ζ− 1) O2] → Prod + Xashash

здесь, λ≥1 и представляет собой дополнительный кислород; 3.76 - концентрация азота в воздухе, ζ = 0-1, представляющая долю воздуха, где «Prod» обозначает продукты, образующиеся в результате реакции в виде дымовых газов.

Учитывая полное сгорание реагентов, Prod = XCCO2 + Xh3Oh3O + XSSO2 + XN2N2 + (λ − 1) × XO2O2, а стехиометрический коэффициент азота можно определить как XN2 = XN2 + 3.76 × λ × ζ × XO2.

На основе уравнений. (65) и (73) получены данные, представленные в таблице 6; данные иллюстрируют влияние изменения содержания влаги на T ad , энергетическую и эксергетическую эффективность преобразования биомассы. Для проведения расчетов были сделаны следующие допущения:

Таблица 6. Изменение T ad , η, ψ типичной биомассы с влажностью

Содержание влаги в% по массе Энергоэффективность (%) КПД Exergy (%) T и (° C)
0 69.37 62,2 703,2
5,477 67,99 60,93 660,2
10,60 66,5 59,66
20,92 63,3 56,71 539,35
25,7 61,45 55,026 501,18
30.95 59,34 53,13 460,62
36,36 56,8 50,86 416,09
41,08 54,34 41,08 54,34 54,34 336,566
50 48,7 43,63 308

λ = 2; XC = 2,5; XH: XC = 1,5; XO: XC = 0,6; XN: XC = 0,04; XS: XC = 0,04 = 0,004; Зола: 6% по весу

КПД по энергии и эксергии определяется с учетом полученной полезной работы, а также энергии и эксергии, поступающих в систему, как показано на рис.38.

Следовательно,

η = 1 − T0Tad и ψ = NCVexch × (1 − T0Tad)

В таблице 7 представлены некоторые характеристики некоторых типов биомассы, такие как химическая эксергия адиабатической температуры, содержание влаги, GCV, насыпная плотность. , и NCV.

Таблица 7. Важные характеристики некоторых ресурсов биомассы

9027 9027
Тип биомассы T ad (° C) ex ch (МДж / кг wb) Содержание влаги (% wb) GCV (МДж / кг db) Насыпная плотность (кг wb / m 3 ) NCV (МДж / кг wb)
Древесные гранулы 1140 18.3 10 19,8 600 16,4
Опилки 530 8,9 50 19,8 240 8 18,7 175 14,5
Оливковые ядра 370–530 7,1–9 53–63 21–23 650–1130 6.5–8,5
Древесная щепа 530–840 8,9–13,6 30–50 19,8 25–450 8–12,2
9027 9027 5027 9027 Кора 20,2 320 8,2
Солома 1065 16,2 15 18,7 120 14,5
Трава3 18 18,4 200 13,7

Источник : Динсер I, Замфиреску К. Возобновляемые источники энергии. Устойчивые энергетические системы и приложения, Бостон, Массачусетс: Springer США; 2011, стр. 283–387.

Сокращения: GCV - высшая теплотворная способность; NCV, низшая теплотворная способность.

Тепловые двигатели и их эффективность - College Physics

Второй закон термодинамики касается направления самопроизвольных процессов.Многие процессы происходят спонтанно только в одном направлении, то есть они необратимы при заданном наборе условий. Хотя необратимость наблюдается в повседневной жизни - например, разбитое стекло не возвращается в исходное состояние - полная необратимость - это статистическое утверждение, которое нельзя увидеть в течение всей жизни Вселенной. Точнее, необратимый процесс - это процесс, зависящий от пути. Если процесс может идти только в одном направлении, то обратный путь принципиально отличается, и процесс не может быть обратимым.Например, как отмечалось в предыдущем разделе, тепло включает в себя передачу энергии от более высокой температуры к более низкой. Холодный объект, соприкасающийся с горячим, никогда не становится холоднее, передавая тепло горячему объекту и делая его более горячим. Кроме того, механическая энергия, такая как кинетическая энергия, может быть полностью преобразована в тепловую за счет трения, но обратное невозможно. Горячий неподвижный объект никогда самопроизвольно не остывает и не начинает двигаться. Еще один пример - расширение потока газа, введенного в один угол вакуумной камеры.Газ расширяется и заполняет камеру, но никогда не собирается в углу. Случайное движение молекул газа могло бы вернуть их всех в угол, но этого никогда не происходит. (См. (Рисунок).)

Тот факт, что определенные процессы никогда не происходят, предполагает, что существует закон, запрещающий их возникновение. Первый закон термодинамики позволяет им происходить - ни один из этих процессов не нарушает закон сохранения энергии. Закон, запрещающий эти процессы, называется вторым законом термодинамики.Мы увидим, что второй закон можно сформулировать разными способами, которые могут показаться разными, но на самом деле эквивалентными. Как и все законы природы, второй закон термодинамики дает представление о природе, и несколько его утверждений подразумевают, что он широко применим, фундаментально влияя на многие очевидно несопоставимые процессы.

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

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

Тепловые двигатели

Теперь давайте рассмотрим устройство, которое для работы использует теплопередачу. Как отмечалось в предыдущем разделе, такое устройство называется тепловой машиной и схематично показано на (Рисунок) (b). Бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины - все это тепловые двигатели, которые работают, используя часть теплопередачи от какого-либо источника. Передача тепла от горячего объекта (или горячего резервуара) обозначается как, в то время как передача тепла в холодный объект (или холодный резервуар) есть, а работа, выполняемая двигателем, есть.Температуры горячего и холодного резервуаров равны и соответственно.

(а) Передача тепла происходит самопроизвольно от горячего объекта к холодному, что соответствует второму закону термодинамики. (б) Тепловой двигатель, представленный здесь кружком, использует часть теплопередачи для выполнения работы. Горячие и холодные предметы называются горячими и холодными резервуарами. - это передача тепла из горячего резервуара, это рабочая мощность, и это передача тепла в холодный резервуар.

Поскольку горячий резервуар нагревается снаружи, что требует больших затрат энергии, важно, чтобы работа выполнялась как можно более эффективно.По сути, хотелось бы равных, и чтобы не было передачи тепла в окружающую среду (). К сожалению, это невозможно. Второй закон термодинамики также гласит относительно использования теплопередачи для выполнения работы (второе выражение второго закона):

Второй закон термодинамики (второе выражение)

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

Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла. В большинстве тепловых двигателей, таких как поршневые двигатели и вращающиеся турбины, используются циклические процессы. Второй закон, только что сформулированный в его второй форме, четко гласит, что такие двигатели не могут иметь идеального преобразования теплопередачи в выполненную работу. Прежде чем углубляться в основные причины ограничений на преобразование теплопередачи в работу, нам необходимо изучить взаимосвязи между, и, а также определить эффективность циклического теплового двигателя.Как уже отмечалось, циклический процесс возвращает систему в исходное состояние в конце каждого цикла. Внутренняя энергия такой системы одинакова в начале и в конце каждого цикла, то есть. Первый закон термодинамики гласит, что

, где - чистая теплопередача во время цикла () и чистая работа, выполненная системой. Так как для полного цикла у нас

, так что

Таким образом, чистая работа, выполненная системой, равна чистой теплопередаче в систему, или

так же, как схематично показано на (Рисунок) (b).Проблема в том, что во всех процессах происходит некоторая передача тепла в окружающую среду, причем обычно очень значительную.

При преобразовании энергии в работу мы всегда сталкиваемся с проблемой получения меньше, чем мы вкладываем. Мы определяем эффективность преобразования как отношение полезной выходной работы к вложенной энергии (или, другими словами, соотношение того, что мы получаем, к тому, что мы тратим). В этом духе мы определяем эффективность теплового двигателя как его чистую мощность, деленную на передачу тепла двигателю; то есть

Поскольку в циклическом процессе это также можно выразить как

, поясняющий, что эффективность 1 или 100% возможна только при отсутствии передачи тепла в окружающую среду ().Обратите внимание, что все s положительны. Направление теплопередачи обозначается знаком плюс или минус. Например, находится вне системы, поэтому перед ним стоит знак минус.

Ежедневная работа угольной электростанции, ее эффективность и выбросы углекислого газа

Угольная электростанция - это огромная тепловая машина. Он использует теплопередачу от сжигания угля для работы по включению турбин, которые используются для выработки электроэнергии. За один день на большой угольной электростанции происходит передача тепла от угля и теплопередача в окружающую среду.а) Какую работу выполняет электростанция? (б) Каков КПД электростанции? (c) В процессе горения происходит следующая химическая реакция: . Это означает, что каждые 12 кг угля выбрасывают в атмосферу 12 кг + 16 кг + 16 кг = 44 кг углекислого газа. Если предположить, что 1 кг угля может обеспечить теплопередачу при сгорании, сколько выбрасывается этой электростанцией в день?

Стратегия для (а)

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

Решение для (а)

Объем работ определяется по:

Подставляя указанные значения:

Стратегия для (b)

Эффективность может быть рассчитана с помощью, поскольку дана и работа была найдена в первой части этого примера.

Решение для (b)

Эффективность определяется по формуле:.{\ text {14}} \ phantom {\ rule {0.25em} {0ex}} \ text {J}} \\ & = & 0 \ text {.} \ text {408} \ text {или} \ text {40} \ text {.} 8% \ text {} \ end {массив} *** Сообщение об ошибке: Ошибка пакета inputenc: символ Юникода × (U + 00D7) начальный текст: ... t {14}} \ phantom {\ rule {0.25em} {0ex}} \ text {J}} Ошибка пакета inputenc: символ Юникода × (U + 00D7) начальный текст: ... t {14}} \ phantom {\ rule {0.25em} {0ex}} \ text {J}} \ begin {array} в строке ввода 9 заканчивается \ end {document}. начальный текст: \ end {document} Неправильно \ преддепт.начальный текст: \ end {document} Не указан $ вставлен. начальный текст: \ end {document} Отсутствует} вставлено. начальный текст: \ end {document} Отсутствует \ cr вставлен. начальный текст: \ end {document} Отсутствует $ вставлен. начальный текст: \ end {document} Вы не можете использовать `\ end 'во внутреннем вертикальном режиме. начальный текст: \ end {document} \ begin {array} в строке ввода 9 заканчивается \ end {document}. начальный текст: \ end {document} Отсутствует} вставлено. начальный текст: \ end {document}

Стратегия для (c)

Суточное потребление угля рассчитывается с использованием информации о ежедневной теплопередаче от угля.В процессе сгорания имеем . Таким образом, каждые 12 кг угля выбрасывают в атмосферу 12 кг + 16 кг + 16 кг = 44 кг .

Решение для (c)

Суточное потребление угля

Предполагая, что уголь чистый и весь уголь идет на производство диоксида углерода, количество диоксида углерода, производимого в день, составляет

Это 370 000 метрических тонн из , производимых ежедневно.

Обсуждение

Если вся производимая работа преобразуется в электричество в течение одного дня, средняя выходная мощность составит 1180 МВт (это остается вам как проблема в конце главы).Это значение примерно соответствует размеру крупномасштабной традиционной электростанции. Обнаруженный КПД достаточно близок к значению 42%, указанному для угольных электростанций. Это означает, что 59,2% энергии приходится на передачу тепла в окружающую среду, что обычно приводит к потеплению озер, рек или океана вблизи электростанции, и в целом способствует потеплению планеты. Хотя законы термодинамики ограничивают эффективность таких установок, в том числе установок, работающих на ядерном топливе, нефти и природном газе, передача тепла в окружающую среду может использоваться и иногда используется для отопления домов или промышленных процессов.В целом низкая стоимость энергии не сделала экономичным более эффективное использование отходящего тепла от большинства тепловых двигателей. Угольные электростанции производят наибольшее количество на единицу выработанной энергии (по сравнению с природным газом или нефтью), что делает уголь наименее эффективным ископаемым топливом.

Используя информацию, представленную на (Рисунок), мы можем найти такие характеристики, как эффективность теплового двигателя, не зная, как он работает, но более детальное изучение механизма двигателя даст нам более глубокое понимание.(Рисунок) иллюстрирует работу обычного четырехтактного бензинового двигателя. Показанные четыре этапа завершают цикл этого теплового двигателя, возвращая бензиново-воздушную смесь в исходное состояние.

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

Адиабатический процесс AB соответствует почти адиабатическому такту сжатия бензинового двигателя.В обоих случаях производится работа с системой (газовой смесью в баллоне), повышая ее температуру и давление. На пути BC цикла Отто теплопередача в газ происходит при постоянном объеме, вызывая дальнейшее повышение давления и температуры. Этот процесс соответствует сжиганию топлива в двигателе внутреннего сгорания и происходит так быстро, что объем почти постоянный. Путь CD в цикле Отто - это адиабатическое расширение, которое действительно работает во внешнем мире, точно так же, как рабочий такт двигателя внутреннего сгорания при его почти адиабатическом расширении.Работа, выполняемая системой по пути CD, больше, чем работа, выполняемая системой по пути AB, потому что давление больше, и, следовательно, имеется чистый выход работы. По пути DA в цикле Отто передача тепла от газа при постоянном объеме снижает его температуру и давление, возвращая его в исходное состояние. В двигателе внутреннего сгорания этот процесс соответствует выхлопу горячих газов и всасыванию воздушно-бензиновой смеси при значительно более низкой температуре. В обоих случаях на этом конечном пути происходит передача тепла в окружающую среду.

Чистая работа, выполняемая циклическим процессом, - это область внутри замкнутого пути на диаграмме, например, внутри пути ABCDA на (рисунок). Обратите внимание, что во всех мыслимых циклических процессах абсолютно необходима передача тепла от системы для получения чистой выходной мощности. В цикле Отто теплообмен происходит по пути DA. Если теплопередача не происходит, то обратный путь тот же, а полезная мощность равна нулю. Чем ниже температура на пути AB, тем меньше работы требуется для сжатия газа.Тогда площадь внутри замкнутого пути больше, поэтому двигатель выполняет больше работы и, следовательно, более эффективен. Точно так же, чем выше температура на пути CD, тем больше выходная мощность. (См. (Рисунок).) Таким образом, эффективность связана с температурами горячего и холодного резервуаров. В следующем разделе мы увидим, каков абсолютный предел эффективности теплового двигателя и как он связан с температурой.

В четырехтактном бензиновом двигателе внутреннего сгорания передача тепла в работу происходит в циклическом процессе, показанном здесь.Поршень соединен с вращающимся коленчатым валом, который одновременно работает с газом в цилиндре. (а) Во время такта впуска воздух смешивается с топливом. (b) Во время такта сжатия топливовоздушная смесь быстро сжимается, что является почти адиабатическим процессом, когда поршень поднимается при закрытых клапанах. Работа сделана на газе. (c) Рабочий ход состоит из двух отдельных частей. Во-первых, воспламеняется топливно-воздушная смесь, почти мгновенно преобразующая химическую потенциальную энергию в тепловую, что приводит к значительному увеличению давления.Затем поршень опускается, и газ действует, передавая силу на расстоянии, что является почти адиабатическим процессом. (d) Такт выпуска вытесняет горячий газ, чтобы подготовить двигатель к следующему циклу, начиная с такта впуска.

диаграмма для упрощенного цикла Отто, аналогичного используемому в двигателе внутреннего сгорания. Точка А соответствует началу такта сжатия двигателя внутреннего сгорания. Траектории AB и CD являются адиабатическими и соответствуют тактам сжатия и мощности двигателя внутреннего сгорания соответственно.Пути BC и DA изохоричны и дают аналогичные результаты для участков зажигания и выхлопа-впуска, соответственно, цикла двигателя внутреннего сгорания. Работа выполняется с газом по пути AB, но больше работы выполняется с газом по пути CD, так что имеется чистый выход работы.

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

Тепловой КПД тепловых двигателей

Тепловой КПД цикла Ренкина

Цикл Ренкина - термодинамика как наука о преобразовании энергии

Цикл Ренкина подробно описывает процессы в паровых тепловых двигателях, обычно встречающихся на большинстве из тепловых электростанций . Источниками тепла, используемыми на этих электростанциях, обычно являются сжигание ископаемого топлива, такого как уголь, природный газ, а также ядерное деление .

А АЭС (атомная электростанция) выглядит как стандартная тепловая электростанция с одним исключением.Источником тепла на АЭС является ядерный реактор . Как это обычно бывает на всех традиционных тепловых электростанциях, тепло используется для выработки пара, который приводит в действие паровую турбину, соединенную с генератором, вырабатывающим электричество.

Обычно большинство из атомных электростанций эксплуатируют многоступенчатых конденсационных паровых турбин . В этих турбинах ступень высокого давления принимает пар (этот пар является почти насыщенным паром - x = 0,995 - точка C на рисунке; ​​ 6 МПа ; 275.6 ° C) из парогенератора и выводят его в сепаратор-подогреватель влаги (точка D). Пар необходимо повторно нагреть, чтобы избежать повреждений, которые могут быть нанесены лопаткам паровой турбины паром низкого качества. Подогреватель нагревает пар (точка D), а затем пар направляется в ступень низкого давления паровой турбины, где расширяется (точка от E до F). Затем отработанный пар конденсируется в конденсаторе, и он находится под давлением значительно ниже атмосферного (абсолютное давление 0,008 МПа ) и находится в частично конденсированном состоянии (точка F), как правило, с качеством около 90%.

В этом случае парогенераторы, паровая турбина, конденсаторы и насосы питательной воды составляют тепловой двигатель, на который распространяются ограничения эффективности, налагаемые вторым законом термодинамики . В идеальном случае (отсутствие трения, обратимые процессы, идеальная конструкция) этот тепловой двигатель имел бы КПД Карно

= 1 - T холодный / T горячий = 1 - 315/549 = 42,6%

, где температура горячего резервуара 275,6 ° С (548,7К), температура холодного резервуара 41.5 ° С (314,7 К). Но АЭС - это настоящая тепловая машина , в которой термодинамические процессы почему-то необратимы. Они не делаются бесконечно медленно. В реальных устройствах (таких как турбины, насосы и компрессоры) механическое трение и тепловые потери вызывают дополнительные потери эффективности.

Для расчета теплового КПД простейшего цикла Ренкина (без повторного нагрева) инженеры используют первый закон термодинамики в терминах энтальпии , а не в терминах внутренней энергии.

Первый закон в терминах энтальпии:

dH = dQ + Vdp

В этом уравнении член Vdp представляет собой процесс потока . Эта работа, Vdp , используется для систем с открытым потоком , таких как турбина или насос , в которых есть «dp» , то есть изменение давления. Изменений в контрольной громкости нет. Как видно, эта форма закона упрощает описание передачи энергии . При постоянном давлении изменение энтальпии на равно энергии , переданной из окружающей среды при нагревании:

Изобарический процесс (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H 2 - H 1 ​​

При постоянной энтропии , т. Е. В изоэнтропическом процессе, изменение энтальпии равно поточной работе процесса , выполненной системой или системой:

Изэнтропический процесс (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H 2 - H 1 ​​

Очевидно, он будет очень полезен при анализе обоих термодинамических циклов, используемых в энергетике. , я.е. в цикле Брайтона и цикле Ренкина.

Энтальпия может быть преобразована в интенсивную или специфическую , переменную путем деления на массу. Инженеры используют удельную энтальпию в термодинамическом анализе больше, чем саму энтальпию. Он указан в таблицах пара вместе с удельным объемом и удельной внутренней энергией. Тепловой КПД такого простого цикла Ренкина с точки зрения удельных энтальпий будет равен:

Это очень простое уравнение, и для определения теплового КПД вы можете использовать данные из таблиц пара .

На современных атомных электростанциях общий тепловой КПД составляет около одной трети (33%), поэтому для выработки 1000 МВт электроэнергии требуется 3000 МВт тепл. тепловой энергии от реакции деления. Причина кроется в относительно низкой температуре пара ( 6 МПа, ; 275,6 ° C). Более высокая эффективность может быть достигнута за счет повышения температуры пара ° C. Но для этого требуется повышение давления внутри котлов или парогенераторов.Однако металлургические соображения устанавливают верхний предел такого давления. По сравнению с другими источниками энергии тепловой КПД 33% - это немного. Но следует отметить, что атомные электростанции намного сложнее электростанций, работающих на ископаемом топливе, и сжигать ископаемое топливо намного проще, чем вырабатывать энергию из ядерного топлива. Докритические электростанции, работающие на ископаемом топливе, которые работают при критическом давлении (т.е. ниже 22,1 МПа), могут достичь КПД 36-40%.

Термодинамика

Термодинамика

Тепло двигатели преобразуют внутреннюю энергию в механическую.

работу реверсивной тепловой машины можно описать на фотоэлектрической диаграмма.

КПД реверсивной тепловой машины зависит от температуры, между которыми он работает.

ср опишем тепловую машину такой схемой:

Q h = Q c + W

КПД тепловой машины описывает, насколько эффективно он превращает тепло в работу.


Сади Карно

Принцип Карно: An необратимая тепловая машина, работающая между двумя тепловыми резервуарами при постоянные температуры не могут иметь КПД выше, чем реверсивного теплового двигателя, работающего между двумя температуры.

Следствие: Все обратимые тепловые двигатели, работающие между одинаковыми температурами, имеют такой же КПД .

Цикл Карно:

Реверсивный "двигатель" Карно использует изотермические и адиабатические процессы между двумя резервуарами тепла при температуры T h (горячий) и T c (холодно).

A Цикл Карно также может быть представлен на фотоэлектрической диаграмме.


Холодильник - тепловая машина, обкатанная реверс .

Вт + Q с = Q ч


Другая форма Второго закона термодинамики - это что

Невозможно сделать тепловой двигатель, единственный эффект которого заключается в поглощении тепла от высокотемпературной области и превратить все это тепло в Работа.

То есть не возможно на спроектировать тепловой двигатель, который отводит , а не тепло выхлопным газам среда.

Или невозможно спроектировать тепловой двигатель с КПД 1,00 или 100%.

Если бы , мы могли бы спроектировать такой 100% эффективный тепловой двигатель, тогда мы могли бы использовать этот тепловой двигатель для питания холодильника. И чистый результат этой комбинации приведет к тому, что тепло будет течь от холодной температуры к высокой температура.

И , что возвращает нас к нашему исходное утверждение Второго закона Термодинамика:

c) 2002 год, Дуг Дэвис; все права защищены

Как работают тепловые двигатели?

Как работают тепловые двигатели? - Объясни это Рекламное объявление

В наш век топливных элементов и электромобили, паровозы (и даже автомобили с бензиновым двигателем) может показаться ужасно старой технологией. Но посмотрите на историю шире, и вы увидите, что даже самые старые паровой двигатель - действительно очень современное изобретение. Люди были использовать инструменты для увеличения мышечной силы примерно на 2,5 миллионов лет, но только за последние 300 лет или около того мы усовершенствовали искусство создания «мускулов» - машин с приводом от двигателя - которые работают все сами по себе.Другими словами: люди были без двигатели для более чем 99,9 процента нашего существования на Земле!

Теперь у нас есть двигатели, без которых, конечно, не обойтись. их. Кто мог представить себе жизнь без машин, грузовиков, кораблей или самолеты - все они приводились в движение мощными двигателями. И двигатели не просто перемещают нас по миру, они помогают нам его кардинально изменить. От мостов и туннелей до небоскребов и плотины, практически каждое крупное здание и сооружение, построенное людьми за последние пару веков был построен с помощью двигатели - краны, экскаваторы, самосвалы и бульдозеры среди их.Двигатели также подпитывают современную сельскохозяйственную революцию: подавляющая часть всех наших еда теперь собирается или транспортируется с помощью двигателя. Двигатели не заставляют мир идти раунд, но они участвуют практически во всем, что происходит на нашей планете. Давайте подробнее разберемся, что это такое и как они Работа!

Artwork: Основная концепция теплового двигателя: машина, которая преобразует тепловую энергию в работу, перемещаясь туда и обратно между высокой и низкой температурой.Типичный тепловой двигатель приводится в действие за счет сжигания топлива (внизу слева) и использует расширяющийся-сжимающийся поршень (вверху в центре) для передачи энергии топлива к вращающемуся колесу (внизу справа).

Что такое тепловая машина?

« Всем известно, что тепло может вызывать движение. В том, что он обладает огромной движущей силой, никто не может сомневаться ...

Николас Сади Карно, 1824

Двигатель - это машина, которая энергия, заключенная в топливе, превращается в силу и движение.Угля нет очевидное использование кто угодно: это грязный, старый, каменистый материал, похороненный под землей. Сжечь это в двигателем, и вы можете высвободить содержащуюся в нем энергию, чтобы силовые заводские машины, автомобили, лодки или локомотивы. То же самое верно других видов топлива, таких как природный газ, бензин, древесина и торф. С двигатели работают, сжигая топливо для выделения тепла, иногда они назвали тепловыми машинами . Процесс сжигания топлива включает в себя химическая реакция, называемая сгорание , где топливо сгорает в кислород в воздухе для образования углекислого газа и пара.(Как правило, двигатели также загрязняют воздух, потому что топливо не всегда чистое на 100 процентов и не горит идеально.)

Есть два основных типа тепловых двигателей: внешнего сгорания и внутреннего сгорания. сжигание:

  • В двигателе внешнего сгорания топливо горит снаружи и вдали от основной части двигателя, где сила и движение производятся. Хороший пример - паровая машина: уголь горит на одном конце, который нагревает воду для образования пара.Пар подается по трубопроводу в прочный металлический цилиндр , где он перемещает Плотно прилегающий поршень называется поршнем вперед-назад. В движущийся поршень приводит в действие все, к чему прикреплен двигатель (возможно, заводская машина или колеса локомотива). Это внешний двигатель внутреннего сгорания, потому что уголь горит снаружи, а некоторые расстояние от цилиндра и поршня.
  • В двигателе внутреннего сгорания топливо горит внутри цилиндр. Например, в типичном автомобильном двигателе есть что-то вроде четырех-шести отдельных цилиндров, внутри которых бензин постоянно горит кислородом, выделяя тепловую энергию.В цилиндры поочередно «загораются», чтобы двигатель постоянный источник энергии, приводящий в движение колеса автомобиля.

Двигатели внутреннего сгорания, как правило, намного более эффективны, чем внешние двигатели внутреннего сгорания, потому что энергия не тратится впустую на передачу тепла от огонь и бойлер к баллону; все происходит в одном месте.

Художественное произведение: В двигателе внешнего сгорания (таком как паровой двигатель) топливо горит вне цилиндра, и тепло (обычно в виде горячего пара) необходимо отводить на некоторое расстояние.В двигателе внутреннего сгорания (таком как двигатель автомобиля) топливо сгорает прямо внутри цилиндров, что намного эффективнее.

Как двигатель приводит в действие машину?

В двигателях

используются поршни и цилиндры, поэтому мощность, которую они производят, равна непрерывное возвратно-поступательное движение, толкающее и вытягивающее или возвратно-поступательное движение движение. Проблема в том, что многие машины (и практически все автомобили) полагаются на на вращающихся колесах - другими словами, вращающихся движение. Существуют различные способы поворота возвратно-поступательного движения. движение во вращательное движение (или наоборот).Если вы когда-нибудь смотрели паровой двигатель гудит, вы заметите, как колеса ведомый кривошипом и шатуном: простой рычажный рычаг, который соединяет одну сторону колеса с поршнем, так что колесо вращается, когда поршень качается вперед и назад.

Альтернативный способ преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение использовать шестерни. Вот что гениальный шотландский инженер Джеймс Ватт (1736–1819) решил заняться этим в 1781 году, когда обнаружил кривошипно-шатунный механизм. потребовалось использовать в его усовершенствованной конструкции паровой машины, на самом деле, уже защищен патентом.Дизайн Ватта известен как Солнце и планетарная передача шестерня) и состоит из двух или более шестерен колеса, одно из которых (планета) толкается вверх и вниз поршнем стержень, вращающийся вокруг другой шестерни (Солнца) и заставляющий ее вращаться.


Фото: Два способа преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное: Первое фото: Солнце и планетарная шестерня. Когда поршень движется вверх и вниз, шестерни вращаются. Второе фото: В этом токарном станке с ножным приводом просто решена проблема преобразования вертикального движения в круговое.Когда вы нажимаете вверх и вниз на педаль (педаль), вы заставляете струну подниматься и опускаться. Это заставляет вал, к которому прикреплена струна, вращаться со скоростью, приводя в действие токарный станок и сверло или другой инструмент, прикрепленный к нему. Обе фотографии сделаны в Think Tank, музее науки в Бирмингеме, Англия.

Некоторым двигателям и машинам необходимо преобразовывать вращательное движение в возвратно-поступательное движение. Для этого вам нужно что-то, что работает в путь, противоположный коленчатому валу, а именно кулачок. Камера - это некруглое (обычно яйцевидное) колесо, имеющее что-то вроде бар, опирающийся на него.Когда ось поворачивает колесо, колесо заставляет штангу подниматься и опускаться. Не можете себе это представить? Попробуйте представить себе машину, колеса которой яйцевидной формы. Во время движения колеса (кулачки) поворачиваются как обычно, но кузов автомобиля подпрыгивает и вниз одновременно - поэтому вращательное движение производит возвратно-поступательное движение (подпрыгивание) у пассажиров!

Кулачки работают на всех видах машин. Есть камера в электрическая зубная щетка, которая делает щетка движется вперед и назад, когда внутри вращается электродвигатель.

Рекламные ссылки

Типы двигателей

Фото: Внешнее сгорание: Этот стационарный паровой двигатель использовался для закачки природного газа в дома людей с 1864 года. Фотография сделана в Think Tank.

Существует полдюжины или около того основных типов двигателей, которые вырабатывают энергию за счет сжигания топлива:

Двигатели внешнего сгорания

Балочные двигатели (атмосферные двигатели)

Первые паровые машины были гигантскими машинами, которые заполняли целые здания. и они обычно использовались для откачки воды из затопленных шахт.Первопроходец англичанин Томас Ньюкомен (1663 / 4–1729) в начале 18 века они имели один цилиндр и поршень, прикрепленный к большой балке, которая раскачивалась взад и вперед. Тяжелая балка обычно наклонялась вниз так, чтобы поршень находился высоко в цилиндре. В цилиндр закачивался пар, затем вбрызгивалась вода, охлаждающая пар, создавая частичный вакуум и заставляя луч отклоняться назад наоборот, до того, как процесс повторится. Лучевые двигатели были важным технологическим достижением, но они были слишком большими, медленными и неэффективными, чтобы приводить в действие заводские машины и поезда.

Иллюстрация: Как работает атмосферный (пучковый) двигатель (упрощенно). Двигатель состоит из тяжелой балки (серая), установленной на башне (черная), которая может качаться вверх и вниз. Обычно балка наклоняется вниз и вправо под весом присоединенного к ней насосного оборудования. Водогрейный котел (1) выпускает пар (2) в цилиндр (3). Когда цилиндр заполнен, из бака (4) впрыскивается холодная вода. Это конденсирует пар, создавая более низкое давление в цилиндре.Поскольку атмосферное давление (воздух) над поршнем выше, чем давление под ним, поршень толкается вниз, вся балка наклоняется влево, а насос тянется вверх, вытягивая воду из шахты (5).

Паровозы

В 1760-х годах Джеймс Ватт значительно улучшил паровую машину Ньюкомена, сделав ее меньше, эффективнее и мощнее - и эффективно превращает пар двигатели в более практичные и доступные машины. Работа Ватта привела к стационарному пару двигатели, которые можно использовать на заводах, и компактные движущиеся двигатели которые могли приводить в действие паровозы.Подробнее читайте в нашей статье о паровых двигателях.

Двигатели Стирлинга

Не все двигатели внешнего сгорания огромны и неэффективны. Шотландский священник Роберт Стирлинг (1790–1878) изобрел очень умную двигатель, который имеет два цилиндра с поршнями, приводящими в действие два кривошипа вождение одного колеса. Один цилиндр постоянно горячий (нагревается внешней энергией). источник, который может быть чем угодно, от угольного костра до геотермальной энергии поставка), в то время как другой постоянно остается холодным. Двигатель работает перекачивает тот же объем газа (постоянно запечатанный внутри двигатель) вперед и назад между цилиндрами через устройство, называемое регенератор , который помогает сохранять энергию и значительно увеличивает КПД двигателя.Двигатели Стирлинга не обязательно предполагают сгорание, хотя они всегда питаются от внешнего источника тепла. Узнайте больше в нашей основной статье о двигателях Стирлинга.

Фото: Машинный зал Think Tank (научный музей в Бирмингеме, Англия) представляет собой удивительную коллекцию энергетических машин XVIII века. Среди экспонатов - огромный паровой двигатель Сметвик, самый старый действующий двигатель в мире. Это не показано на этом снимке, в основном потому, что оно было слишком большим, чтобы его можно было сфотографировать!

Двигатели внутреннего сгорания

Бензиновые двигатели

В середине 19 века несколько европейских инженеров, в том числе Француз Жозеф Этьен Ленуар (1822–1900) и немец Николаус Отто (1832–1891) усовершенствовал двигатели внутреннего сгорания, которые сжигали бензин.Для Карла Бенца (1844–1929) это был короткий шаг. подключить один из этих двигателей к трехколесному перевозки и создать первый в мире автомобиль, работающий на газе. Подробнее в нашей статье о автомобильных двигателях.

Фото: мощный бензиновый двигатель внутреннего сгорания от спортивного автомобиля Jaguar.

Дизельные двигатели

Позже, в 19 веке, другой немецкий инженер, Рудольф Дизель (1858–1913), понял, что может сделать гораздо более мощный внутренний двигатель внутреннего сгорания, который может работать на всех видах топлива.В отличие от бензиновых двигателей, дизельные двигатели сжимают топливо намного сильнее. он самопроизвольно загорается и выделяет тепловую энергию заперт внутри него. Сегодня дизельные двигатели по-прежнему являются предпочтительными машинами для вождения. тяжелые транспортные средства, такие как грузовики, корабли и строительные машины, а также многие автомобили. Подробнее читайте в нашей статье о дизельных двигателях.

Роторные двигатели

Одним из недостатков двигателей внутреннего сгорания является то, что они нужны цилиндры, поршни и вращающийся коленчатый вал, чтобы использовать их мощность: цилиндры неподвижны, поршни и коленчатый вал постоянно двигаются.Роторный двигатель - это кардинально другая конструкция двигателя внутреннего сгорания, в котором "цилиндры" (которые не всегда цилиндры по форме) вращаются вокруг неподвижного коленчатого вала. Хотя роторные двигатели восходят к 19 веку, возможно, наиболее известной конструкцией является относительно современный роторный двигатель Ванкеля , особенно используется в некоторых японских автомобилях Mazda. Статья в Википедии о Роторный двигатель Ванкеля - хорошее вступление с прекрасной небольшой анимацией.

Теоретические двигатели

Фото: Машинист: гениальный Николя Сади Карно, 17 лет.

Пионерами двигателей были инженеры, а не ученые. Ньюкомен и Ватт были скорее практическими «деятелями», чем ломающими голову теоретическими мыслителями. Лишь когда в 1824 году появился француз Николя Сади Карно (1796–1832), то есть спустя более века после того, как Ньюкомен построил свой первый паровой двигатель, были предприняты какие-либо попытки понять эту теорию. о том, как работают двигатели и как их можно улучшить с истинно научной точки зрения. Карно интересовался, как сделать двигатели более эффективными (в другими словами, как можно получить больше энергии из того же количества топлива).Вместо того, чтобы возиться с настоящим паровым двигателем и пытаться его улучшить методом проб и ошибок (такой же подход, который использовал Ватт с двигателем Ньюкомена), он заставил себя теоретический двигатель - на бумаге - и вместо этого поигрался с математикой.

Фото: Паровые двигатели по своей сути неэффективны. Работа Карно говорит нам, что для максимальной эффективности пар в двигателе как будто это нужно перегреть (так что это выше его обычная температура кипения 100 ° C), а затем дать ему максимально расшириться и остыть в цилиндрах, чтобы передать как можно больше энергии поршням.

Цикл Карно

Тепловая машина Карно представляет собой довольно простую математическую модель. о том, как в теории может работать наилучший поршневой и цилиндровый двигатель, путем бесконечного повторения четырех шагов, теперь называемых циклом Карно . Мы не собираемся здесь подробно останавливаться на теории или математике (если вам интересно, см. Страница цикла Карно НАСА и превосходные Тепловые двигатели: страница цикла Карно Майкла Фаулера с превосходной флэш-анимацией).

Базовый двигатель Карно состоит из газа, заключенного в цилиндр с поршнем. Газ забирает энергию от источника тепла, расширяется, охлаждается и выталкивает поршень. Когда поршень возвращается в цилиндр, он сжимает и нагревает газ, поэтому газ завершает цикл с точно такими же давлением, объемом и температурой, с которых он был начат. Двигатель Карно не теряет энергии на трение или окружающую среду. Это полностью обратимо - теоретически совершенная и совершенно теоретическая модель того, как работают двигатели.Но это также многое говорит нам о реальных двигателях.

Насколько эффективен двигатель?

Стоит отметить вывод, к которому пришел Карно: КПД двигателя (реальная или теоретическая) зависит от максимальной и минимальной температур, между которыми он работает . С математической точки зрения, эффективность двигателя Карно, работающего между Tmax (его максимальная температура) и Tmin (его минимальная температура):

(Tmax − Tmin) / Tmax

, где обе температуры измеряются в кельвинах (К).Повышение температуры жидкости внутри цилиндра в начале цикла делает его более эффективным; понижение температуры на противоположном конце цикла также делает его более эффективным. Другими словами, действительно эффективная тепловая машина работает между максимально возможной разницей температур. Другими словами, мы хотим, чтобы Tmax была как можно выше, а Tmin как можно меньше. Вот почему такие вещи, как паровые турбины на электростанциях, должны использовать градирни для максимального охлаждения пара: именно так они могут получить максимум энергии из пара и произвести больше электроэнергии.В реальном мире движущиеся транспортные средства, такие как автомобили и самолеты, очевидно, не могут иметь ничего похожего на градирни, и трудно достичь низких температур Tmin, поэтому мы обычно фокусируемся на повышении Tmax. Настоящие двигатели - в автомобилях, грузовиках, реактивных самолетах и ​​космических ракетах - работают. при чрезвычайно высоких температурах (поэтому они должны быть построены из высокотемпературных материалы, такие как сплавы и керамика).

Мы не должны ожидать, что когда-либо сможем использовать на практике всю движущую силу горючих материалов.

Николас Сади Карно, 1824

Каков максимальный КПД двигателя?

Есть ли предел эффективности теплового двигателя? Да! Tmin никогда не может быть меньше нуля (при абсолютном нуле), поэтому, согласно Согласно приведенному выше уравнению, никакой двигатель не может быть эффективнее, чем Tmax / Tmax = 1, что равно 100-процентной эффективности, и большинство настоящие двигатели даже близко не подходят к этому. Если бы у вас был паровой двигатель, работающий при температуре от 50 ° C до 100 ° C, это будет около 13 процентов эффективности.Чтобы добиться 100-процентной эффективности, вам нужно охладить пар. до абсолютного нуля (−273 ° C или 0K), что, очевидно, невозможно. Даже если бы вы могли охладить его до заморозки (0 ° C или 273K), вы все равно сможете достичь эффективности только на 27 процентов.

Диаграмма

: Тепловые двигатели более эффективны, когда они работают при больших перепадах температур. Если предположить, что минимальная ледяная температура остается постоянной (0 ° C или 273K), эффективность медленно растет по мере увеличения максимальной температуры. Но обратите внимание, что мы получаем убывающую отдачу: с каждым повышением температуры на 50 ° C эффективность с каждым разом растет все меньше.Другими словами, мы никогда не сможем достичь 100-процентной эффективности, просто подняв максимальную температуру.

Это также помогает нам понять, почему более поздние паровые двигатели (впервые разработанные такими инженерами, как Ричард Тревитик) и Оливер Эванс) использовали гораздо более высокое давление пара , чем давление пара, производимое такими людьми, как Томас Ньюкомен. Двигатели с более высоким давлением были меньше, легче и их легче было установить на движущихся транспортных средствах, но они также были намного эффективнее: при более высоких давлениях вода закипает при более высоких температурах, и это дает нам большую эффективность.При двойном атмосферном давлении вода закипает при температуре около 120 ° C (393K), что дает КПД 30%. с минимальной температурой 0 ° C; при давлении, в четыре раза превышающем атмосферное, температура кипения составляет 143 ° C (417K), а эффективность приближается к 35 процентам. Это большое улучшение, но до 100 процентов еще далеко. Паровые турбины на электростанциях используют действительно высокое давление (в 200 раз превышающее атмосферное давление). типично). При 200 атмосфер вода закипает при температуре около 365 ° C (~ 640K), что дает максимальную теоретическую эффективность около 56 процентов, если мы также можем охладить воду вплоть до замерзания (и если нет других потерь тепла или неэффективности).Даже в этих экстремальных и идеальных условиях мы все еще очень далеки от 100-процентной эффективности; реальные турбины с большей вероятностью достигнут 35–45 процентов. Создать эффективные тепловые двигатели намного сложнее, чем кажется!

Рекламные ссылки

Узнать больше

На этом сайте

На других сайтах

Один из лучших способов понять движки - это посмотреть их анимацию в действии. Вот два очень хороших сайта, которые исследуют широкий спектр различных движков:

  • Анимированные движки: этот замечательный сайт охватывает практически все виды движков, о которых вы только можете подумать, с простой для понимания анимацией и очень четкими письменными описаниями.
  • Посмотрите, как работают двигатели: Коллекция очень красиво нарисованных анимаций реальных двигателей из Лондонского музея науки. (Архивировано через Wayback Machine.)

Книги

Вводный
  • Шесть легких пьес Ричарда П. Фейнмана. Penguin, 1998. Глава 4 представляет собой очень оригинальное объяснение сохранения энергии, включая довольно простое объяснение того, почему ни один двигатель или машина не являются более эффективными, чем идеально обратимые (идеальные).
Более сложный
Детские книги

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США.Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Крис Вудфорд 2009, 2019. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Подписывайтесь на нас

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом друзьям с помощью:

Цитируйте эту страницу

Вудфорд, Крис.(2009/2019) Двигатели. Получено с https://www.explainthatstuff.com/engines.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *