Тепловой двигатель. Коэффициент полезного действия теплового двигателя. Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей Кпд теплового двигателя определение формула единицы
Чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.
Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ (см. § 3.11), который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через Т 1 . Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т 1 называют температурой нагревателя.
Роль холодильника
По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т 2 . Эта температура не может быть ниже температуры окружающей среды, так как в противном случае давление газа станет меньше атмосферного и двигатель не сможет работать. Обычно температура Т 2 несколько больше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника. Холодильником являются атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара - конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть несколько ниже температуры атмосферы.
Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть энергии неизбежно передается атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии безвозвратно теряется. Именно об этом и говорит второй закон термодинамики в формулировке Кельвина.
Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 5.15. Рабочее тело двигателя получает при сгорании топлива количество теплоты Q 1 , совершает работу А" и передает холодильнику количество теплоты |Q 2 | <| Q 1 |.
Кпд теплового двигателя
Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна
(5.11.1)
где Q 1 - количество теплоты, полученное от нагревателя, a Q 2 - количество теплоты, отданное холодильнику.
Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение работы А", совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:
(5.11.2)
У паровой турбины нагревателем является паровой котел, а у двигателей внутреннего сгорания - сами продукты сгорания топлива.
Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η < 1.
Применение тепловых двигателей
Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей (в основном мощных паровых турбин) на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Около 80% всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях.
Тепловые двигатели (паровые турбины) устанавливают также на атомных электростанциях. На этих станциях для получения пара высокой температуры используется энергия атомных ядер.
На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели). Эти же двигатели устанавливаются на тракторах.
На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. Но и электровозы получают энергию от тепловых двигателей электростанций.
На водном транспорте используются как двигатели внутреннего сгорания, 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.
Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы дешевую электроэнергию и были бы лишены всех видов современного скоростного транспорта.
Издревле люди пытались преобразовать энергию в механическую работу. Они преобразовывали кинетическую энергию ветра, потенциальную энергию воды и т.д. Начиная, с 18 века начали появляться машины, преобразовывающие внутреннею энергию топлива в работу. Подобные машины работали, благодаря тепловым двигателям.
Тепловой двигатель – прибор, преобразующий тепловую энергию в механическую работу, за счет расширения (чаще всего газов) от высокой температуры.
Любые тепловые двигатели имеют составные части:
- Нагревательный элемент . Тело с высокой температурой относительно окружающей среды.
- Рабочее тело. Поскольку работу обеспечивает расширение, данный элемент должен хорошо расширяться. Как правило, используется газ или пар.
- Охладитель . Тело с низкой температурой.
Рабочее тело получает тепловую энергию от нагревателя. В следствии, оно начинает расширяться и совершать работу. Чтобы система могла вновь совершить работу, её нужно вернуть в исходное состояние. Поэтому рабочее тело охлаждается, то есть излишняя тепловая энергия, как бы сбрасывается в охлаждающий элемент. И система приходит в изначальное состояние, далее процесс повторяется снова.
Вычисление КПД
Для расчета КПД, введем следующие обозначения:
Q 1 –Количество теплоты получаемое от нагревательного элемента
A’– Работа совершаемая рабочим телом
Q 2 –Количество теплоты полученной рабочим телом от охладителя
В процессе охлаждения, тело передает теплоту, поэтому Q 2 < 0.
Работа такого устройства это циклический процесс. Это означает, что после совершения полного цикла, внутренняя энергия вернется в исходное состояние. Тогда, по первому закону термодинамики, работа совершаемая рабочим телом будет равна, разности количества теплоты полученного от нагревателя и теплоты полученного от охладителя:
Q 2 – отрицательная величина, поэтому она берется по модулю
КПД выражается как отношение полезной работы к полной работе, которая выполнила система. В данном случае, полная работа будет равно количеству теплоты, которое израсходовано на нагревание рабочего тела. Вся затраченная энергия выражается через Q 1 .
Поэтому коэффициент полезного действия определяется как.
Класс: 10
Тип урока: Урок изучения нового материала.
Цель урока: Разъяснить принцип действия теплового двигателя.
Задачи урока:
Образовательные: познакомить учащихся с видами тепловых двигателей, развивать умение определять КПД тепловых двигателей, раскрыть роль и значение ТД в современной цивилизации; обобщить и расширить знания учащихся по экологическим проблемам.
Развивающие: развивать внимание и речь, совершенствовать навыки работы с презентацией.
Воспитательные: воспитывать у учащихся чувство ответственности перед последующими поколениями, в связи с чем, рассмотреть вопрос о влиянии тепловых двигателей на окружающую среду.
Оборудование: компьютеры для учащихся, компьютер учителя, мультимедийный проектор, тесты (в Excel), Физика 7-11 Библиотека электронных наглядных пособий. “Кирилл и Мефодий”.
Ход урока
1. Оргмомент
2. Организация внимания учащихся
Тема нашего урока: “Тепловые двигатели”. (Слайд 1)
Сегодня мы вспомним виды тепловых двигателей, рассмотрим условия их эффективной работы, поговорим о проблемах связанных с их массовым применением. (Слайд 2)
3. Актуализация опорных знаний
Прежде чем перейти к изучению нового материала предлагаю проверить как вы к этому готовы.
Фронтальный опрос:
– Дайте формулировку первого закона термодинамики. (Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количество теплоты, переданное системе. U=A+Q)
– Может ли газ нагреться или охладиться без теплообмена с окружающей средой? Как это происходит? (При адиабатических процессах.) (Слайд 3)
– Напишите первый закон термодинамики в следующих случаях: а) теплообмен между телами в калориметре; б) нагрев воды на спиртовке; в) нагрев тела при ударе. (а) А=0 , Q=0, U=0; б) А=0, U= Q; в) Q=0, U=А)
– На рисунке изображен цикл, совершаемый идеальным газом определенной массы. Изобразить этот цикл на графиках р(Т) и Т(р). На каких участках цикла газ выделяет теплоту и на каких – поглощает?
(На участках 3-4 и 2-3 газ выделяет некоторое количество теплоты, а на участках 1-2 и 4-1 теплота поглощается газом.) (Слайд 4)
4. Изучение нового материала
Все физические явления и законы находят применение в повседневной жизни человека. Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать этими запасами недостаточно. Необходимо за счет энергии уметь приводить в действие устройства, способные совершать работу. (Слайд 5)
Что является источником энергии? (различные виды топлива, энергия ветра, солнца, приливов и отливов)
Существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой.
Тепловой двигатель – устройство, превращающее внутреннею энергию топлива в механическую энергию. (Слайд 6)
Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. Тепловая машина работает циклично.
Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. (Слайд 7)
КПД замкнутого цикла (Слайд 8)
Q 1 – количество теплоты полученное от нагревания Q 1 >Q 2
Q 2 – количество теплоты отданное
холодильнику Q 2 A / = Q 1 – |Q 2 | – работа
совершаемая двигателем за цикл? < 1. Цикл C. Карно (Слайд 9) T 1 – температура нагревания. Т 2 – температура холодильника. На всех основных видах современного
транспорта преимущественно используются
тепловые двигатели. На железнодорожном
транспорте до середины XX в. основным двигателем
была паровая машина. Теперь же главным образом
используют тепловозы с дизельными установками и
электровозы. На водном транспорте также
использовались вначале паровые двигатели,
сейчас используются как двигатели внутреннего
сгорания, так и мощные турбины для крупных судов. Наибольшее значение имеет
использование тепловых двигателей (в основном
мощных паровых турбин) на тепловых
электростанциях, где они приводят в движение
роторы генераторов электрического тока. Около 80 %
всей электроэнергии в нашей стране
вырабатывается на тепловых электростанциях. Тепловые двигатели (паровые турбины)
устанавливают также на атомных электростанциях.Газовые турбины широко используются в ракетах,
в железнодорожном и автомобильном транспорте. На автомобилях применяют поршневые
двигатели внутреннего сгорания с внешним
образованием горючей смеси (карбюраторные
двигатели) и двигатели с образованием горючей
смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели). 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. (Слайд 10) (Показ видеофрагментов работы
турбореактивного двигателя.) Рассмотрим более подробно работу
двигателя внутреннего сгорания. Просмотр
видеофрагмента. (Слайд 11) Работа четырехтактного ДВС. Тепловые двигатели и охрана
окружающей среды (Слайд 13) Неуклонный рост энергетических
мощностей – все большее распространение
укрощенного огня – приводит к тому, что
количество выделяемой теплоты становится
сопоставимым с другими компонентами теплового
баланса в атмосфере. Это не может не приводить к
повышению средней температуры на Земле.
Повышение температуры может создать угрозу
таяния ледников и катастрофического повышения
уровня Мирового океана. Но этим не исчерпываются
негативные последствия применения тепловых
двигателей. Растет выброс в атмосферу
микроскопических частиц – сажи, пепла,
измельченного топлива, что приводит к увеличению
“парникового эффекта”, обусловленного
повышением концентрации углекислого газа в
течение длительного промежутка времени. Это
приводит к повышению температуры атмосферы. Выбрасываемые в атмосферу токсические
продукты горения, продукты неполного сгорания
органического топлива – оказывают вредное
воздействие на флору и фауну. Особую опасность в
этом отношении представляют автомобили, число
которых угрожающе растет, а очистка отработанных
газов затруднена. Все это ставит ряд серьезных проблем
перед обществом. (Слайд 14) Необходимо повышать эффективность
сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу
вредных веществ; добиваться более полного
сгорания топлива в автомобильных двигателях, а
также увеличения эффективности использования
энергии, экономии ее на производстве и в быту. Альтернативные двигатели: Пути решения экологических проблем: Использование альтернативного
топлива. Использование альтернативных
двигателей. Оздоровление окружающей среды. Воспитание экологической культуры.
(Слайд 16) Всем вам предстоит всего лишь через
год сдавать единый государственный экзамен.
Предлагаю вам решить несколько задач из части А
демоверсии по физике за 2009 год. Задание вы
найдете на рабочих столах ваших компьютеров. С момента, когда была построена первая
паровая машина, до настоящего времени прошло
более 240 лет. За это время тепловые машины сильно
изменили содержание жизнь человека. Именно
применение этих машин позволило человечеству
шагнуть в космос, раскрыть тайны морских глубин. Выставляет оценки за работу на уроке. Прежде чем покинуть класс просьба
заполнить таблицу. На уроке я работал активно / пассивно Своей работой на уроке я доволен / не доволен Урок для меня показался коротким / длинным За урок я не устал / устал Современные реалии предполагают широкую эксплуатацию тепловых двигателей. Многочисленные попытки замены их на электродвигатели пока претерпевают неудачу. Проблемы, связанные с накоплением электроэнергии в автономных системах, решаются с большим трудом. Все еще актуальны проблемы технологии изготовления аккумуляторов электроэнергии с учетом их длительного использования. Скоростные характеристики электромобилей далеки от таковых у авто на двигателях внутреннего сгорания. Первые шаги по созданию гибридных двигателей позволяют существенно уменьшить вредные выбросы в мегаполисах, решая экологические проблемы. Возможность превращения энергии пара в энергию движения была известна еще в древности. 130 год до нашей эры: Философ Герон Александрийский представил на суд зрителей паровую игрушку - эолипил. Сфера, заполненная паром, приходила во вращение под действием исходящих из нее струй. Этот прототип современных паровых турбин в те времена не нашел применения. Долгие годы и века разработки философа считались лишь забавной игрушкой. В 1629 г. итальянец Д. Бранки создал активную турбину. Пар приводил в движение диск, снабженный лопатками. С этого момента началось бурное развитие паровых машин. Превращение топлива в энергию движения частей машин и механизмов используется в тепловых машинах. Основные части машин: нагреватель (система получения энергии извне), рабочее тело (совершает полезное действие), холодильник. Нагреватель предназначен для того, чтобы рабочее тело накопило достаточный запас внутренней энергии для совершения полезной работы. Холодильник отводит излишки энергии. Основной характеристикой эффективности называют КПД тепловых машин. Эта величина показывает, какая часть затраченной на нагревание энергии расходуется на совершение полезной работы. Чем выше КПД, тем выгоднее работа машины, но эта величина не может превышать 100%. Пусть нагреватель приобрел извне энергию, равную Q 1 . Рабочее тело совершило работу A, при этом энергия, отданная холодильнику, составила Q 2 . Исходя из определения, рассчитаем величину КПД: η= A / Q 1 . Учтем, что А = Q 1 - Q 2. Отсюда КПД тепловой машины, формула которого имеет вид η= (Q 1 - Q 2)/ Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, позволяет сделать следующие выводы: Возможно ли создание такого двигателя, коэффициент полезного действия которого был бы максимальным (в идеале - равным 100%)? Найти ответ на этот вопрос попытался французский физик-теоретик и талантливый инженер Сади Карно. В 1824 его теоретические выкладки о процессах, протекающих в газах, были обнародованы. Основной идеей, заложенной в идеальной машине, можно считать проведение обратимых процессов с идеальным газом. Начинаем с расширения газа изотермически при температуре T 1 . Количество теплоты, необходимой для этого, - Q 1. После газ без теплообмена расширяется Достигнув температуры Т 2 , газ сжимается изотермически, передавая холодильнику энергию Q 2 . Возвращение газа в первоначальное состояние производится адиабатно. КПД идеального теплового двигателя Карно при точном расчете равен отношению разности температур нагревательного и охлаждающего устройств к температуре, которую имеет нагреватель. Выглядит это так: η=(T 1 - Т 2)/ T 1. Возможный КПД тепловой машины, формула которого имеет вид: η= 1 - Т 2 / T 1 , зависит только от значения температур нагревателя и охладителя и не может быть более 100%. Более того, это соотношение позволяет доказать, что КПД тепловых машин может быть равен единице только при достижении холодильником температур. Как известно, это значение недостижимо. Теоретические выкладки Карно позволяют определить максимальный КПД тепловой машины любой конструкции. Доказанная Карно теорема звучит следующий образом. Произвольная тепловая машина ни при каких условиях не способна иметь коэффициент полезного действия больше аналогичного значения КПД идеальной тепловой машины. Пример 1. Каков КПД идеальной тепловой машины, в случае если температура нагревателя составляет 800 о С, а температура холодильника на 500 о С ниже?
T 1 = 800 о С= 1073 К, ∆T= 500 о С=500 К, η - ? По определению: η=(T 1 - Т 2)/ T 1. Нам не дана температура холодильника, но ∆T= (T 1 - Т 2), отсюда: η= ∆T / T 1 = 500 К/1073 К = 0,46. Ответ: КПД = 46%. Пример 2. Определите КПД идеальной тепловой машины, если за счет приобретенного одного килоджоуля энергии нагревателя совершается полезная работа 650 Дж. Какова температура нагревателя тепловой машины, если температура охладителя - 400 К?
Q 1 = 1 кДж=1000 Дж, А = 650 Дж, Т 2 = 400 К, η - ?, T 1 = ? В данной задаче речь идет о тепловой установке, КПД которой можно вычислить по формуле: Для определения температуры нагревателя воспользуемся формулой КПД идеальной тепловой машины: η = (T 1 - Т 2)/ T 1 = 1 - Т 2 / T 1. Выполнив математические преобразования, получим: Т 1 = Т 2 /(1- η). Т 1 = Т 2 /(1- A / Q 1). Вычислим: η= 650 Дж/ 1000 Дж = 0,65. Т 1 = 400 К /(1- 650 Дж/ 1000 Дж) = 1142,8 К. Ответ: η= 65%, Т 1 = 1142,8 К. Идеальный тепловой двигатель разработан с учетом идеальных процессов. Работа совершается только в изотермических процессах, ее величина определяется как площадь, ограниченная графиком цикла Карно. В действительности создать условия для протекания процесса изменения состояния газа без сопровождающих его изменений температуры невозможно. Нет таких материалов, которые исключили бы теплообмен с окружающими предметами. Адиабатный процесс осуществить становится невозможно. В случае теплообмена температура газа обязательно должна меняться. КПД тепловых машин, созданных в реальных условиях, значительно отличаются от КПД идеальных двигателей. Заметим, что протекание процессов в реальных двигателях происходит настолько быстро, что варьирование внутренней тепловой энергии рабочего вещества в процессе изменения его объема не может быть скомпенсировано притоком количества теплоты от нагревателя и отдачей холодильнику. Реальные двигатели работают на иных циклах: Создать равновесные процессы в реальных двигателях (чтобы приблизить их к идеальным) в условиях современной технологии не представляется возможным. КПД тепловых машин значительно ниже, даже с учетом тех же температурных режимов, что и в идеальной тепловой установке. Но не стоит уменьшать роль расчетной формулы КПД поскольку именно она становится точкой отсчета в процессе работы над повышением КПД реальных двигателей. Проводя сравнение идеальных и реальных тепловых двигателей, стоит отметить, что температура холодильника последних не может быть любой. Обычно холодильником считают атмосферу. Принять температуру атмосферы можно только в приближенных расчетах. Опыт показывает, что температура охладителя равна температуре отработанных в двигателях газов, как это происходит в двигателях внутреннего сгорания (сокращенно ДВС). ДВС - наиболее распространенная в нашем мире тепловая машина. КПД тепловой машины в этом случае зависит от температуры, созданной сгорающим топливом. Существенным отличием ДВС от паровых машин является слияние функций нагревателя и рабочего тела устройства в воздушно-топливной смеси. Сгорая, смесь создает давление на подвижные части двигателя. Повышения температуры рабочих газов достигают, существенно меняя свойства топлива. К сожалению, неограниченно это делать невозможно. Любой материал, из которого изготовлена камера сгорания двигателя, имеет свою температуру плавления. Теплостойкость таких материалов - основная характеристика двигателя, а также возможность существенно повлиять на КПД. Если рассмотреть температура рабочего пара на входе которой равна 800 К, а отработавшего газа - 300 К, то КПД этой машины равно 62%. В действительности же эта величина не превышает 40%. Такое понижение возникает вследствие тепловых потерь при нагревании корпуса турбин. Наибольшее значение внутреннего сгорания не превышает 44%. Повышение этого значения - вопрос недалекого будущего. Изменение свойств материалов, топлива - это проблема, над которой работают лучшие умы человечества. 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.
1 такт: впуск.
2 такт: сжатие.
3 такт: рабочий ход.
4 такт: выпуск.
Устройство: цилиндр, поршень, коленчатый вал, 2
клапана(впуск и выпуск), свеча.
Мертвые точки – крайнее положение поршня.
Сравним эксплуатационные характеристики
тепловых двигателей.5. Закрепление материала
6. Подведение итогов урока
7. Домашнее задание:
§ 82 (Мякишев Г.Я.),
упр. 15 (11, 12) (Слайд 17)
8. Рефлексия
Немного истории
Тепловая машина
Расчет коэффициента полезного действия
Идеальный тепловой двигатель
Пример решения задач
Реальные условия
Иные тепловые двигатели
Пути изменения КПД
Значения КПД двигателей
