Arskama.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Элемент теплового двигателя совершающий работу

Принцип действия и КПД тепловых двигателей в физике

Принцип действия и КПД тепловых двигателей

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Согласно второму началу термодинамики тепловой двигатель может непрерывно совершать периодически повторяющуюся механическую работу за счёт охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего тела (нагревателя), но при этом отдаёт теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Следовательно, на совершение работы идёт не всё количество теплоты, полученное от нагревателя, а только часть её.

Таким образом, основными элементами любого теплового двигателя являются:
1) рабочее тело (газ или пар), совершающее работу;
2) нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу;
3) холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего тела.
Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:
, где — количество теплоты, полученное от нагревателя, — количество теплоты, отданное холодильнику.
Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называется отношение работы , совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передаётся холодильнику, то . КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При двигатель не может работать.
Цикл Карно — это круговой обратимый процесс, состоящий из двух изотермических и двух адиабатических процессов.
Целью исследований Карно было выяснение причин несовершенства тепловых машин того времени (они имели ) и поиски путей их усовершенствования.

Выбор двух изотермических и двух адиабатических процессов был обусловлен тем, что работа газа при изотермическом расширении совершается за счёт внутренней энергии нагревателя, а при адиабатном процессе — за счёт внутренней энергии расширяющегося газа. В этом цикле исключён контакт тел с разной температурой, следовательно, исключена теплопередача без совершения работы.

Цикл Карно — самый эффективный из всех возможных. Его КПД максимален.
На рис. 79 изображены термодинамические процессы цикла. В процессе изотермического расширения (1-2) при температуре работа совершается за счёт изменения внутренней энергии нагревателя, т. е. за счёт подведения к газу количества теплоты :
Охлаждение газа перед сжатием (3-4) происходит при адиабатном расширении (2-3). Изменение внутренней энергии при адиабатном процессе полностью преобразуется в механическую работу:

Рис. 79

Температура газа в результате адиабатического расширения (2-3) понижается до температуры холодильника . В процессе (3-4) газ изотермически сжимается, передавая холодильнику количество теплоты :
Цикл завершается процессом адиабатического сжатия (4-1), при котором газ нагревается до температуры .
Максимальное значение КПД тепловых двигателей, работающих на идеальном газе, по циклу Карно:

(2.26)

Суть формулы (2.26) выражена в доказанной С. Карно теореме о том, что КПД любого теплового двигателя не может превышать КПД цикла Карно, осуществляемого при той же температуре нагревателя и холодильника.

Эта лекция взята со страницы лекций по всем темам предмета физика:

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

54. Обратимые и необратимые процессы, круговой процесс, тепловые двигатели, холодильные машины.

Всякий термодинамический процесс есть переход системы из одного состояния в другое и такой переход связан с нарушением равновесия системы. Равновесный процесс — процесс, состоящий из непрерывной последовательности равновесных состояний. Такие процессы на диаграмме состояния изображаются сплошной линией. Равновесным может быть только бесконечно медленный процесс. Обратимые процессы – процесс который допускает возвращение системы в исходное состояние, так что система может переходить через те же промежуточные состояния но в обратной последовательности, при этом, возвращаясь в исходное состояние, тела взаимодействуют с системой. Обратимые – бесконечно медленное расширение, сжатие газа. Необратимые – расширение газа в вакууме, явления теплопроводности, диффузии. Как правило все процессы необратимы. Круговым процессом(циклом) называется равновесный процесс, при котором система после ряда изменений возвращается в исходное состояние. Изобразим цикл на диаграмме pV:

На участке 1-2-3 газ расширяется, при этом, получая некоторое количество тепла (Q1) и совершает работу, численно равную площади вертикально заштрихованной фигуры. На участке 3-4-1 газ сжимается и совершает отрицательную работу, или над газом совершается положительная работа, при этом от газа отводится некоторое количество тепла(Q2). Работа совершаемая над газом численно равна площади горизонтально заштрихованной фигуры. После выполнения цикла газ возвращается в исходное состояние (dU=0) и 1-ое начало термодинамики имеет вид: δQA ; Работа δA численно равна площади фигуры 1-2-3-4, а

δQ= Q1— Q2 ; Прямым циклом называется равновесный круговой процесс, когда расширение газа происходит при давлениях больших, чем при сжатиях, т. е. на диаграмме pV такой цикл происходит в направлении движения часовой стрелки. В прямом цикле работа газа положительна и по такому циклу работают тепловые машины, при этом работа (δA) совершается за счет тепла (δQ) сообщенного газу. Обратный цикл протекает в направлении противоположном движению часовой стрелки, по обратному циклу работают холодильные машины, тогда работа газа отрицательна и от газа отводят некоторое количество тепла.

Тепловой машиной называют периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет тепла получаемого извне.

Основные элементы тепловой машины:

—рабочее тело вещество

Пусть Q1 это тепло получаемое от нагревателя рабочим телом на участке1-2-3 , Q2 – тепло возвращаемое рабочим телом холодильнику, тогда на работу затрачивается тепло δQ= Q1— Q2

Читать еще:  Холодный пуск двигателя мазда

Вводится КПД (η) – отношение полезно использованного тепла (Q1— Q2) к теплу Q1 полученного от нагревателя.

КПД – отношение механической работы совершаемой тепловой машиной за один цикл к количеству тепла отнятого от нагревателя.

КПД паровоза 7%, трансформатора 98% η не больше 1

Холодильный коэффициент (ε) применяется для характеристики цикла при котором происходит перенос тепла от холодного к горячему телу. Холодильный коэффициент – отношение тепла (Q2) отнятого от охлаждаемого тела к работе (А) затрачиваемой на приведение машины в действие: ε = Q2/А= Q2/ Q1 Q2 ε > 1

Холодильная машина отбирает за один цикл от тела с температурой Т2 количество тепла Q2 и отдает телу с более высокой температурой Т1 количество тепла Q1, для обратимого обратного цикла Карно холодильный коэффициент максимален и равен: ε =Т2/(Т12)

Energy
education

сайт для тех, кто хочет изучать энергетику

Двигатели и нагнетатели

Тепловые двигатели

Тепловой двигатель — устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры.

1. Общие сведения

Паровые машины. В середине XVII века были сделаны первые попытки перехода к машинному производству, потребовавшие создания двигателей, не зависящих от местных источников энергии (воды, ветра и пр.). Первым двигателем, в котором использовалось тепловая энергия химического топлива стала пароатмосферная машина, изготовленная по проектам французского физика Дени Папена и английского механика Томаса Севери. Эта машина была лишена возможности непосредственно служить механическим приводом, к ней «прилагалось в комплект» водяное мельничное колесо (по-современному говоря, водяная турбина), которое вращала вода, выжимаемая паром из котла паровой машины в резервуар водонапорной башни. Котел то подогревался паром, то охлаждался водой: машина действовала периодически.

В 1763 году русский механик Иван Иванович Ползунов изготовил по собственному проекту стационарную паровую машину непрерывного действия. В ней были сдвоены два цилиндра, поочерёдно заполнявшиеся паром, и также подающими воду на башню, но — постоянно.

К 1784 году английский механик Джеймс Уатт создал более совершенную паровую машину, названную универсальным паровым двигателем. Уатт с детства работал подручным на машине конструкции Севери. В его задачу входило постоянно переключать краны подачи пара и воды на котел. Эта однообразная работа изрядно надоела изобретателю и побудила изобрести как поршень двойного хода, так и автоматическую клапанную коробку (потом и центробежный предохранитель). В машине был предусмотрен в цилиндре жесткий поршень, по обе стороны которого поочередно подавался пар. Все происходило в автоматическом режиме и непрерывно. Поршень вращал через кривошипно—шатунную систему маховик, обеспечивающий плавность хода. Паровая машина могла теперь стать приводом различных механизмов и перестала быть привязана к водонапорной башне.

Элементы, придуманные Уаттом, входили в той или иной форме во все паровые машины. Паровые машины совершенствовали и применяли для решения различных технических задач: привода станков, судов, экипажей для перевозки людей по дорогам, локомотивов на железных дорогах. К 1880 году суммарная мощность всех работавших паровых машин превысила 26 млн кВт (35 млн л.с.).

Цикл Карно — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Цикл Карно назван в честь французского физика Сади Карно, который впервые его исследовал в 1824 году. Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропия адиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.

В 1816 шотландец Роберт Стирлинг предложил двигатель внешнего сгорания, называемый сейчас его именем Двигатель Стирлинга. В этом двигателе рабочее тело (воздух или иной газ) заключен в герметичный объём. Здесь осуществлен цикл по типу цикла Севери («до-Уаттовского»), но нагрев рабочего тела и его охлаждение производятся в различных объёмах машины и сквозь стенки рабочих камер. Природа нагревателя и охладителя для цикла не имеют значения, а потому он может работать даже в космосе и от любого источника тепла. КПД созданных сейчас стирлингов невелик. Теоретически он должен раза в 2 превышать КПД для ДВС, а практически — это примерно одинаковые величины. Но у стирлингов есть ряд других преимуществ, которые способствовали развитию исследований в этом направлении.

Двигатели внешнего сгорания — класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела. К этому классу относятся паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга, газовые турбины внешнего сгорания, а также другие типы двигателей. Долгое время были неоправданно забыты, в последнее время находят всё большее применение, в основном из-за таких своих особенностей как возможность использования любых источников тепла (например, солнечной или ядерной энергии), нетребовательность к виду топлива.

Двигатель внутреннего сгорания. Проект первого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) принадлежит известному изобретателю часового анкера Христиану Гюйгенсу и предложен ещё в XVII веке. Интересно, что в качестве топлива предполагалось использовать порох, а сама идея была подсказана артиллерийским орудием. Все попытки Дениса Папена (упомянутого выше, как создатель первой паровой машины) построить машину на таком принципе, успехом не увенчались. Первый надёжно работавший ДВС сконструировал в 1860 году французский инженер Эжен Ленуар. Двигатель Ленуара работал на газовом топливе. Спустя 16 лет немецкий конструктор Николас Отто создал более совершенный 4-тактный газовый двигатель. В этом же 1876 году шотландский инженер Дугальд Кларк испытал первый удачный 2-тактный двигатель. Совершенствованием ДВС занимались многие инженеры и механики. Так, в 1883 году немецкий инженер Карл Бенц изготовил использованный им в дальнейшем 2-тактный ДВС. В 1897 году его соотечественник и тоже инженер Рудольф Дизель предложил ДВС с воспламенением рабочей смеси в цилиндре от сжатия воздуха, названный впоследствии дизелем. В XX веке ДВС стал основным двигателем в автомобильном транспорте. В 70-х годах почти 80 % суммарной мощности всех существовавших ДВС приходилось на транспортные машины (автомобили, трактора и пр.). Параллельно шло совершенствование гидротурбин, применявшихся на гидроэлектростанциях. Их мощность в 70-х годах XX века превысила 600 МВт.

Читать еще:  Датчик температуры двигателя фиат скудо

Поршневые двигатели — камерой сгорания является цилиндр, где химическая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из возвратно-поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма.

Бензиновые двигатели — смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе и далее во впускном коллекторе, или во впускном коллекторе при помощи распыляющих форсунок (механических или электрических), далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. Основная характерная особенность топливо-воздушной смеси в этом случае — её гомогенизированность. Чем более однородной по составу является смесь, тем более качественно идёт процесс сгорания.

Дизельные двигатели — специальное дизельное топливо впрыскивается в цилиндр под высоким давлением. Горючая смесь образуется (и сразу же сгорает) непосредственно в цилиндре по мере впрыска порции топлива. Воспламенение смеси происходит под действием высокой температуры воздуха, подвергшегося сжатию в цилиндре.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, конструкция которого разработана в 1957 году инженером компании NSU Вальтером Фройде, ему же принадлежала идея этой конструкции. Двигатель разрабатывался в соавторстве с Феликсом Ванкелем, работавшим над другой конструкцией роторно-поршневого двигателя.

Реактивный двигатель — тепловой реактивный двигатель, в качестве рабочего тела которого используется атмосферный воздух, нагреваемый за счёт химической реакции окисления горючего кислородом, содержащимся в самом рабочем теле. Реактивные двигатели используются, как правило, для приведения в движение воздушных летательных аппаратов.

Газотурбинный двигатель — тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. В отличие от поршневого двигателя, в газотурбинном двигателе процессы происходят в потоке движущегося газа.

В первой половине XX века. создали новые типы первичных двигателей: газовые турбины, реактивные двигатели, а в 50-х и ядерные силовые установки. Процесс совершенствования и изобретения первичных двигателей продолжается.

Администратор сайта: Колосов Михаил
email:
Copyright © 2011-2021. All rights reserved.

Тепловой двигатель Тепловой двигатель и его коэффициент полезного действия. Влияние тепловых двигателей на окружающую среду и способы уменьшения их вредного. — презентация

Презентация была опубликована 7 лет назад пользователемАлиса Наследышева

Похожие презентации

Презентация на тему: » Тепловой двигатель Тепловой двигатель и его коэффициент полезного действия. Влияние тепловых двигателей на окружающую среду и способы уменьшения их вредного.» — Транскрипт:

1 Тепловой двигатель Тепловой двигатель и его коэффициент полезного действия. Влияние тепловых двигателей на окружающую среду и способы уменьшения их вредного воздействия.

2 … Тепловой двигатель и его коэффициент полезного действия. Влияние тепловых двигателей на окружающую среду и способы уменьшения их вредного воздействия. Тепловой двигатель и его коэффициент полезного действия. Влияние тепловых двигателей на окружающую среду и способы уменьшения их вредного воздействия. Большая часть двигателей, используемых людьми, это тепловые двигатели. Устройства, превращающие энергию топлива в механическую энергию, называются тепловыми двигателями. Любой тепловой двигатель (паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания) состоит из трех основных элементов: рабочего тела (это газ), которое совершает работу в двигателе; нагревателя, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой затем идет на совершение работы; холодильника, которым является атмосфера или специальные устройства Большая часть двигателей, используемых людьми, это тепловые двигатели. Устройства, превращающие энергию топлива в механическую энергию, называются тепловыми двигателями. Любой тепловой двигатель (паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания) состоит из трех основных элементов: рабочего тела (это газ), которое совершает работу в двигателе; нагревателя, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой затем идет на совершение работы; холодильника, которым является атмосфера или специальные устройства

3 Три основные части теплового двигателя Нагреватель рабочее тело холодильник Q1Q1Q1Q1 Q2Q2Q2Q2 Передает количество теплоты Q 1 рабочему телу Совершает работу Потребляет часть полученного количества теплоты Q2

4 … Ни один тепловой двигатель не может работать при одинаковой температуре его рабочего тела и окружающей среды. Обязательно температура нагревателя больше температуры холодильника. При совершении работы тепловыми двигателями происходит передача теплоты от более горячих тел к более холодным. Рабочее тело двигателя получает количество теплоты Qн от нагревателя, совершает работу А и передает холодильнику количество теплоты Qx. В соответствии с законом сохранения энергии. Ни один тепловой двигатель не может работать при одинаковой температуре его рабочего тела и окружающей среды. Обязательно температура нагревателя больше температуры холодильника. При совершении работы тепловыми двигателями происходит передача теплоты от более горячих тел к более холодным. Рабочее тело двигателя получает количество теплоты Qн от нагревателя, совершает работу А и передает холодильнику количество теплоты Qx. В соответствии с законом сохранения энергии.

Читать еще:  Что лить в двигатель вольво xc90

5 Модель теплового двигателя

6 … В случае равенства речь идет об идеальном двигателе, в котором нет потерь энергии. В случае равенства речь идет об идеальном двигателе, в котором нет потерь энергии. Отношение работы к энергии, которое получило рабочее тело от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия (КПД): Отношение работы к энергии, которое получило рабочее тело от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия (КПД):

Q2 Q2 — количество теплоты отданное холодильнику Q 2″ title=»КПД замкнутого цикла Q1 – количество теплоты полученное от нагревания Q1>Q2 Q2 — количество теплоты отданное холодильнику Q 2″ > 7 КПД замкнутого цикла Q1 – количество теплоты полученное от нагревания Q1>Q2 Q2 — количество теплоты отданное холодильнику Q 2 Q2 Q2 — количество теплоты отданное холодильнику Q 2″> Q2 Q2 — количество теплоты отданное холодильнику Q 2″> Q2 Q2 — количество теплоты отданное холодильнику Q 2″ title=»КПД замкнутого цикла Q1 – количество теплоты полученное от нагревания Q1>Q2 Q2 — количество теплоты отданное холодильнику Q 2″>

8 Цикл С.Карно T 1 – температура нагревания Т 2 – температура холодильника

9 … Паровая или газовая турбина, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель работают на базе ископаемого топлива. В процессе работы многочисленных тепловых машин возникают тепловые потери, которые в конечном счете приводят к повышению внутренней энергии атмосферы, т. е. к повышению ее температуры. Паровая или газовая турбина, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель работают на базе ископаемого топлива. В процессе работы многочисленных тепловых машин возникают тепловые потери, которые в конечном счете приводят к повышению внутренней энергии атмосферы, т. е. к повышению ее температуры.

10 … Это может привести к таянию ледников и катастрофическому повышению уровня Мирового океана, а вместе с тем к глобальному изменению природных условий. Это может привести к таянию ледников и катастрофическому повышению уровня Мирового океана, а вместе с тем к глобальному изменению природных условий.

11 … При работе тепловых установок и двигателей в атмосферу выбрасываются вредные для человека, животных и растений оксиды азота, углерода и серы. При работе тепловых установок и двигателей в атмосферу выбрасываются вредные для человека, животных и растений оксиды азота, углерода и серы.

12 … С вредными последствиями работы тепловых машин можно бороться путем повышения КПД, их регулировки и создания новых двигателей, не выбрасывающих вредные вещества с отработанными газами. С вредными последствиями работы тепловых машин можно бороться путем повышения КПД, их регулировки и создания новых двигателей, не выбрасывающих вредные вещества с отработанными газами.

14 … Данную работу выполнили: Ученицы 10 «А» класса Гаврилова Анастасия Петросян Вера

Тепловые двигатели. Цикл Карно

Элементы теплового двигателя. Коэффициент полезного действия теплового двигателя. Диаграмма цикла Карно в координатах (p,V),(T,S). Теорема Карно. Примеры циклов в технике.

Три основных элемента любого теплового двигателя:

1. Рабочее тело (газ или пар) при расширении совершающее работу.

2. Нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу.

3. Холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего тела.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя

отношение работы , совершаемой двигателем, к количеству теплоты , полученному от нагревателя:

Диаграмма цикла Карно в координатах (p,V),(T,S)

Теорема Карно

КПД цикла Карно не зависит от природы рабочего тела и конструкции теплового двигателя и является функцией температур нагревателя и холодильника.

Примеры циклов в технике

Двигатели внутреннего сгорания, холодильные установки, кондиционеры и т.д.

Основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества. Уравнение состояния идеального газа

Масса атомов и молекул. Количество вещества и число структурных элементов. Постоянная и число Авогадро. Модель идеального газа. Законы изопроцессов. Уравнение Клапейрона. Уравнение Клапейрона-Менделеева. Закон Авогадро. Число Лошмидта.

Масса атомов и молекул

Для измерения масс атомов и молекул в физике и химии принята единая система измерения. Атомная единица массы равна 1/12 массы атома углерода 12С.

Количество вещества и число структурных элементов

Количество вещества – это число структурных элементов (атомов, молекул и др.) в системе. Единицей измерения количества вещества является моль.

Любое вещество количеством 1 моль содержит структурных единиц (атомов, молекул, ионов).

Число частиц называется числом Авогадро или постоянной. Авогадро и обозначается

Модель идеального газа– достаточно нагретый и разрежённый газ, который можно представить в виде хаотически двигающихся маленьких твёрдых шариков. Собственный объём молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объёмом сосуда. Между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия. Столкновения молекул газа между собой и стенками сосуда – абсолютно упругие.

Законы изопроцессов:

Изо­тер­ми­че­ский про­цесс – про­цесс пе­ре­хо­да иде­аль­но­го газа из од­но­го со­сто­я­ния в дру­гое без из­ме­не­ния тем­пе­ра­ту­ры:

Изо­бар­ный про­цесс – про­цесс пе­ре­хо­да иде­аль­но­го газа из од­но­го со­сто­я­ния в дру­гое при по­сто­ян­ном зна­че­нии дав­ле­ния:

Изо­хор­ный про­цесс – про­цесс пе­ре­хо­да иде­аль­но­го газа из од­но­го со­сто­я­ния в дру­гое при по­сто­ян­ном зна­че­нии объ­ё­ма:

Уравнение Клапейрона:

Уравнение Клапейрона-Менделеева

Закон Авогадро

В равных объемах различных газов, взятых при одинаковых температурах и давлениях, содержится одно и то же число молекул

Число Лошмидта — число структурных единиц в 1 м³ вещества в состоянии идеального газа при нормальных условиях.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector