Термичният двигател е двигател, който извършва работа, използвайки източник на топлинна енергия.
Термална енергия ( Нагревател Q) се прехвърля от източника към двигателя, а двигателят изразходва част от получената енергия за извършване на работа У, неизразходвана енергия ( хладилник Q) се изпраща в хладилника, чиято роля може да играе например околният въздух. Топлинният двигател може да работи само ако температурата на хладилника е по-ниска от температурата на нагревателя.
Коефициентът на ефективност (COP) на топлинен двигател може да се изчисли по формулата: Ефективност = W/Q ng.
Ефективност = 1 (100%), ако цялата топлинна енергия се преобразува в работа. Ефективност = 0 (0%), ако топлинната енергия не се преобразува в работа.
Ефективността на истински топлинен двигател варира от 0 до 1; колкото по-висока е ефективността, толкова по-ефективен е двигателят.
Q x /Q ng = T x /T ng Ефективност = 1-(Q x /Q ng) Ефективност = 1-(T x /T ng)
Като се има предвид третият закон на термодинамиката, който гласи, че е невъзможно да се достигне температурата на абсолютната нула (T=0K), можем да кажем, че е невъзможно да се разработи топлинна машина с ефективност=1, тъй като Tx винаги е >0.
Колкото по-висока е температурата на нагревателя и колкото по-ниска е температурата на хладилника, толкова по-голяма е ефективността на топлинния двигател.
Работата, извършена от двигателя, е:
Този процес е разгледан за първи път от френския инженер и учен N. L. S. Carnot през 1824 г. в книгата „Размисли върху движещата сила на огъня и върху машините, способни да развият тази сила“.
Целта на изследването на Карно беше да открие причините за несъвършенството на топлинните двигатели от онова време (те имаха ефективност ≤ 5%) и да намери начини за тяхното подобряване.
Цикълът на Карно е най-ефективният от всички. Ефективността му е максимална.
Фигурата показва термодинамичните процеси на цикъла. По време на изотермично разширение (1-2) при температура T 1 , работата се извършва поради промяна във вътрешната енергия на нагревателя, т.е. поради подаването на топлина към газа Q:
А 12 = Q 1 ,
Охлаждането на газа преди компресия (3-4) възниква по време на адиабатно разширение (2-3). Промяна във вътрешната енергия ΔU 23 по време на адиабатен процес ( Q = 0) се превръща напълно в механична работа:
А 23 = -ΔU 23 ,
Температурата на газа в резултат на адиабатно разширение (2-3) пада до температурата на хладилника T 2 < T 1 . В процеса (3-4) газът е изотермично компресиран, пренасяйки количеството топлина към хладилника Въпрос 2:
A 34 = Q 2,
Цикълът завършва с процеса на адиабатно компресиране (4-1), при който газът се нагрява до температура Т 1.
Максимална стойност на ефективност на идеални газови топлинни двигатели според цикъла на Карно:
.
Същността на формулата се изразява в доказана СЪС. Теорема на Карно, че ефективността на която и да е топлинна машина не може да надвишава ефективността на цикъл на Карно, извършен при една и съща температура на нагревателя и хладилника.
Тема: „Принципът на работа на топлинен двигател. Термичен двигател с най-висока ефективност."
форма:Комбиниран урок с използване на компютърни технологии.
Цели:
План на урока.
Не. |
Въпроси |
време |
| 1 | Покажете необходимостта от използването на топлинни двигатели в съвременни условия. | |
| 2 | Повторение на понятието „топлинна машина“. Видове топлинни двигатели: двигатели с вътрешно горене (карбураторни, дизелови), парни и газови турбини, турбореактивни и ракетни двигатели. | |
| 3 | Обяснение на нов теоретичен материал. Схема и устройство на топлинен двигател, принцип на действие, КПД. Цикъл на Карно, идеална топлинна машина, нейната ефективност. Сравнение на ефективността на реална и идеална топлинна машина. |
|
| 4 | Решение на задача № 703 (Степанова), № 525 (Бендриков). | |
| 5 | Работа с модел на топлинна машина. |
|
| 6 | Обобщаване. Домашна работа § 33, задачи № 700 и № 697 (Степанова) |
Теоретичен материал
От древни времена човекът е искал да се освободи от физическо усилие или да го облекчи, когато движи нещо, да има повече сила и бързина.
Създадени са легенди за самолетни килими, ботуши със седем лиги и магьосници, пренасящи човек в далечни земи с махване на пръчка. Когато носят тежки товари, хората са измислили колички, защото е по-лесно да се търкалят. След това приспособяват животни – волове, елени, кучета и най-вече коне. Така се появиха каруците и файтоните. Във вагоните хората търсеха комфорт, като ги подобряваха все повече и повече.
Желанието на хората да увеличат скоростта също ускори промяната на събитията в историята на развитието на транспорта. От гръцкото „autos” – „себе си” и латинското „mobilis” – „подвижен” в европейските езици е образувано прилагателното „самоходен”, буквално „автомобилен”.
Отнасяше се за часовници, автоматични кукли, за всякакви механизми, като цяло за всичко, което служи като вид допълнение към „продължението“, „усъвършенстването“ на човек. През 18-ти век те се опитват да заменят работната сила с парна енергия и прилагат термина „кола“ за безрелсови колички.
Защо ерата на автомобила започва от първите „бензинови автомобили“ с двигател с вътрешно горене, изобретени и построени през 1885-1886 г.? Сякаш забравяме за парните и батерийните (електрически) екипажи. Факт е, че двигателят с вътрешно горене направи истинска революция в транспортните технологии. Дълго време се оказва, че е най-съвместим с идеята за автомобил и следователно запазва доминиращата си позиция за дълго време. Делът на превозните средства с двигатели с вътрешно горене днес представлява повече от 99,9% от световния автомобилен транспорт.<Приложение 1 >
Основни части на топлинен двигател
В съвременните технологии механичната енергия се получава главно от вътрешната енергия на горивото. Устройствата, в които вътрешната енергия се преобразува в механична, се наричат топлинни двигатели.<Приложение 2 >
За да извършите работа чрез изгаряне на гориво в устройство, наречено нагревател, можете да използвате цилиндър, в който газът се нагрява и разширява и движи бутало.<Приложение 3 > Газът, чието разширение кара буталото да се движи, се нарича работен флуид. Газът се разширява, защото налягането му е по-високо от външното налягане. Но когато газът се разширява, налягането му пада и рано или късно ще стане равно на външното налягане. Тогава разширяването на газа ще приключи и той ще спре да върши работа.
Какво трябва да се направи, за да не спре работата на топлинния двигател? За да може двигателят да работи непрекъснато, е необходимо буталото след разширяване на газа да се връща в първоначалното си положение всеки път, компресирайки газа до първоначалното му състояние. Компресията на газ може да възникне само под въздействието на външна сила, която в този случай извършва работа (силата на налягането на газа в този случай извършва отрицателна работа). След това процесите на разширяване и компресия на газа могат да възникнат отново. Това означава, че работата на топлинния двигател трябва да се състои от периодично повтарящи се процеси (цикли) на разширение и компресия.
Фигура 1 показва графично процесите на разширяване на газа (линия AB) и компресиране до оригиналния обем (ред CD).Работата, извършена от газа по време на разширение, е положителна ( AF > 0 ABEF. Работата, извършена от газа по време на компресия, е отрицателна (тъй като А.Ф.< 0
) и е числено равен на площта на фигурата CDEF.Полезната работа за този цикъл е числено равна на разликата в площите под кривите ABИ CD(защрихована на снимката).
Наличието на нагревател, работна течност и хладилник е фундаментално необходимо условие за непрекъснатата циклична работа на всеки топлинен двигател.
Ефективност на топлинния двигател
Работният флуид, получавайки определено количество топлина Q 1 от нагревателя, отдава част от това количество топлина, равно по модул |Q2|, на хладилника. Следователно свършената работа не може да бъде по-голяма A = Q 1 - |Q 2 |.Съотношението на тази работа към количеството топлина, получено от разширяващия се газ от нагревателя, се нарича ефективносттоплинен двигател:
Ефективността на топлинна машина, работеща в затворен цикъл, винаги е по-малка от единица. Задачата на топлоенергетиката е да направи възможно най-висока ефективност, тоест да използва възможно най-много топлина, получена от нагревателя, за да произвежда работа. Как може да се постигне това?
За първи път най-съвършеният цикличен процес, състоящ се от изотерми и адиабати, е предложен от френския физик и инженер С. Карно през 1824 г.
Цикъл на Карно.
Да приемем, че газът е в цилиндър, чиито стени и бутало са направени от топлоизолационен материал, а дъното е от материал с висока топлопроводимост. Обемът, зает от газа, е равен на V 1.
Нека поставим цилиндъра в контакт с нагревателя (Фигура 2) и да дадем възможност на газа да се разширява изотермично и да върши работа . Газът получава определено количество топлина от нагревателя Въпрос 1.Този процес е представен графично чрез изотерма (крива AB).
Когато обемът на газа стане равен на определена стойност V 1'< V 2 ,
дъното на цилиндъра е изолирано от нагревателя ,
След това газът се разширява адиабатично до обема V 2,съответстващ на максималния възможен ход на буталото в цилиндъра (адиабатен слънце). В този случай газът се охлажда до температура Т 2< T 1 .
Охладеният газ вече може да бъде компресиран изотермично при температура Т2.За да направите това, той трябва да бъде приведен в контакт с тяло със същата температура Т 2,тоест с хладилник ,
и компресирайте газа от външна сила. При този процес обаче газът няма да се върне в първоначалното си състояние - температурата му винаги ще бъде по-ниска от Т 1.
Следователно изотермичната компресия се довежда до определен междинен обем V 2 '>V 1(изотерм CD). В този случай газът отдава малко топлина на хладилника Q2,равна на работата на компресията, извършена върху него. След това газът се компресира адиабатично до обем V 1,в същото време температурата му се повишава до Т 1(адиабатен Д.А.). Сега газът се е върнал в първоначалното си състояние, при което неговият обем е равен на V 1, температура - T1,налягане - стр. 1и цикълът може да се повтори отново.
И така, на сайта ABCгазта върши работа (A > 0),и на сайта CDAизвършена работа на газ (А< 0).
На сайтовете слънцеИ ADработата се извършва само чрез промяна на вътрешната енергия на газа. От промяната на вътрешната енергия UBC = –UDA, тогава работата по време на адиабатни процеси е равна: ABC = –ADA.Следователно общата извършена работа за цикъл се определя от разликата в извършената работа по време на изотермични процеси (секции ABИ CD). Числено тази работа е равна на площта на фигурата, ограничена от кривата на цикъла ABCD.
Само част от количеството топлина действително се превръща в полезна работа QT,получен от нагревателя, равен на QT 1 – |QT 2 |.И така, в цикъла на Карно полезна работа A = QT 1 – |QT 2 |.
Максималната ефективност на един идеален цикъл, както е показано от S. Carnot, може да бъде изразена чрез температурата на нагревателя (T 1)и хладилник (T 2):
В реалните двигатели не е възможно да се реализира цикъл, състоящ се от идеални изотермични и адиабатични процеси. Следователно ефективността на цикъла, изпълняван в реални двигатели, винаги е по-малка от ефективността на цикъла на Карно (при същите температури на нагревателите и хладилниците):
Формулата показва, че колкото по-висока е температурата на нагревателя и колкото по-ниска е температурата на хладилника, толкова по-голяма е ефективността на двигателя.
Задача No703
Двигателят работи по цикъла на Карно. Как ще се промени ефективността на топлинния двигател, ако при постоянна температура на хладилника 17 o C температурата на нагревателя се повиши от 127 на 447 o C?
Задача No525
Определете ефективността на двигател на трактор, който изисква 1,5 kg гориво със специфична топлина на изгаряне 4,2 · 107 J/kg, за да извърши работа от 1,9 · 107 J.
Решаване на компютърен тест по темата.<Приложение 4 > Работа с модел на топлинна машина.
« Физика - 10 клас"
За да решите проблемите, трябва да използвате известни изрази за определяне на ефективността на топлинните двигатели и да имате предвид, че изразът (13.17) е валиден само за идеален топлинен двигател.
Задача 1.
В котела на парна машина температурата е 160 °C, а температурата на хладилника е 10 °C.
Каква е максималната работа, която теоретично може да извърши една машина, ако въглища с тегло 200 kg със специфична топлина на изгаряне 2,9·10 7 J/kg се изгорят в пещ с коефициент на полезно действие 60%?
Решение.
Максималната работа може да бъде извършена от идеална топлинна машина, работеща в съответствие с цикъла на Карно, чиято ефективност е η = (T 1 - T 2)/T 1, където T 1 и T 2 са абсолютните температури на нагревателя и хладилник. За всеки топлинен двигател ефективността се определя по формулата η = A/Q 1, където A е работата, извършена от топлинния двигател, Q 1 е количеството топлина, получено от машината от нагревателя.
От условията на проблема става ясно, че Q 1 е част от количеството топлина, отделена по време на изгарянето на горивото: Q 1 = η 1 mq.
Тогава къде A = η 1 mq(1 - T 2 /T 1) = 1,2 10 9 J.
Задача 2.
Парна машина с мощност N = 14,7 kW изразходва гориво с тегло m = 8,1 kg за 1 час работа, със специфична топлина на изгаряне q = 3,3 10 7 J/kg.
Температура на бойлера 200 °C, на хладилника 58 °C.
Определете ефективността на тази машина и я сравнете с ефективността на идеална топлинна машина.
Решение.
Коефициентът на полезно действие на топлинния двигател е равен на съотношението на извършената механична работа A към изразходваното количество топлина Qlt, освободено при изгарянето на горивото.
Количество топлина Q 1 = mq.
Работа, извършена през същото време A = Nt.
Така η = A/Q 1 = Nt/qm = 0,198, или η ≈ 20%.
За идеален топлинен двигател 
η < η ид.
Задача 3.
Идеален топлинен двигател с КПД η работи в обратен цикъл (фиг. 13.15).
Какво е максималното количество топлина, което може да се отнеме от хладилника чрез извършване на механична работа А?
Тъй като хладилната машина работи в обратен цикъл, за да може топлината да се прехвърли от по-малко нагрято тяло към по-нагрято, е необходимо външни сили да извършват положителна работа.
Принципна схема на хладилна машина: количество топлина Q 2 се отнема от хладилника, работата се извършва от външни сили и количество топлина Q 1 се предава на нагревателя.
следователно 
Q 2 = Q 1 (1 - η), Q 1 = A/η.
И накрая, Q 2 = (A/η)(1 - η).
Източник: “Физика - 10 клас”, 2014 г., учебник Мякишев, Буховцев, Соцки
Основи на термодинамиката. Топлинни явления - Физика, учебник за 10 клас - Физика в клас
« Физика - 10 клас"
Какво е термодинамична система и какви параметри характеризират нейното състояние.
Посочете първия и втория закон на термодинамиката.
Създаването на теорията за топлинните двигатели доведе до формулирането на втория закон на термодинамиката.
Запасите от вътрешна енергия в земната кора и океаните могат да се считат за практически неограничени. Но за решаване на практически проблеми, наличието на енергийни резерви не е достатъчно. Необходимо е също така да можем да използваме енергия за задвижване на машинни инструменти във фабрики и фабрики, превозни средства, трактори и други машини, за въртене на роторите на генератори на електрически ток и т.н. Човечеството се нуждае от двигатели - устройства, способни да извършват работа. Повечето от двигателите на Земята са топлинни двигатели.
Топлинни двигатели- това са устройства, които преобразуват вътрешната енергия на горивото в механична работа.
Принцип на действие на топлинните двигатели.
За да може един двигател да работи, трябва да има разлика в налягането от двете страни на буталото на двигателя или лопатките на турбината. При всички топлинни двигатели тази разлика в налягането се постига чрез повишаване на температурата работна течност(газ) със стотици или хиляди градуси в сравнение с температурата на околната среда. Това повишаване на температурата възниква при изгаряне на горивото.
Една от основните части на двигателя е напълнен с газ съд с подвижно бутало. Работната течност на всички топлинни двигатели е газ, който извършва работа по време на разширение. Нека означим началната температура на работния флуид (газа) с T 1 . Тази температура в парните турбини или машини се постига от парата в парния котел. При двигателите с вътрешно горене и газовите турбини повишаването на температурата възниква, когато горивото изгаря вътре в самия двигател. Температурата T 1 се нарича температура на нагревателя.
Ролята на хладилника.
Докато се извършва работа, газът губи енергия и неизбежно се охлажда до определена температура T2, която обикновено е малко по-висока от температурата на околната среда. Викат я температура на хладилника. Хладилникът е атмосфера или специални устройства за охлаждане и кондензация на отпадъчната пара - кондензатори. В последния случай температурата на хладилника може да е малко по-ниска от температурата на околната среда.
По този начин в двигателя работният флуид по време на разширение не може да се откаже от цялата си вътрешна енергия, за да извърши работа. Част от топлината неизбежно се пренася в хладилника (атмосферата) заедно с отпадъчна пара или отработени газове от двигатели с вътрешно горене и газови турбини.
Тази част от вътрешната енергия на горивото се губи. Топлинният двигател извършва работа поради вътрешната енергия на работния флуид. Освен това при този процес топлината се предава от по-горещи тела (нагревател) към по-студени (хладилник). Схематичната диаграма на топлинен двигател е показана на фигура 13.13.
Работният флуид на двигателя получава от нагревателя по време на изгарянето на горивото количеството топлина Q 1, извършва работа A" и предава количеството топлина на хладилника Въпрос 2< Q 1 .
За да може двигателят да работи непрекъснато, е необходимо работният флуид да се върне в първоначалното му състояние, при което температурата на работния флуид е равна на T 1. От това следва, че двигателят работи според периодично повтарящи се затворени процеси или, както се казва, в цикъл.
Цикъле поредица от процеси, в резултат на които системата се връща в първоначалното си състояние.
Коефициент на полезно действие (КПД) на топлинен двигател.
Невъзможността за пълно преобразуване на вътрешната енергия на газа в работата на топлинни двигатели се дължи на необратимостта на процесите в природата. Ако топлината може да се върне спонтанно от хладилника към нагревателя, тогава вътрешната енергия може да бъде напълно преобразувана в полезна работа от всеки топлинен двигател. Вторият закон на термодинамиката може да се формулира по следния начин:
Втори закон на термодинамиката:
Невъзможно е да се създаде вечен двигател от втори вид, който напълно да преобразува топлината в механична работа.
Според закона за запазване на енергията работата, извършена от двигателя, е равна на:
A" = Q 1 - | Q 2 |, (13.15)
където Q 1 е количеството топлина, получено от нагревателя, а Q2 е количеството топлина, отдадено на хладилника.
Коефициентът на ефективност (КПД) на топлинен двигател е съотношението на работата "А", извършена от двигателя, към количеството топлина, получено от нагревателя:
Тъй като всички двигатели предават известно количество топлина на хладилника, тогава η< 1.
Максимална стойност на ефективност на топлинните двигатели.
Законите на термодинамиката позволяват да се изчисли максимално възможната ефективност на топлинна машина, работеща с нагревател при температура T1 и хладилник при температура T2, както и да се определят начини за нейното увеличаване.
За първи път максималната възможна ефективност на топлинен двигател е изчислена от френския инженер и учен Сади Карно (1796-1832) в неговия труд „Размисли върху движещата сила на огъня и върху машини, способни да развият тази сила“ (1824 г. ).
Карно създаде идеален топлинен двигател с идеален газ като работен флуид. Идеалната топлинна машина на Карно работи по цикъл, състоящ се от две изотерми и две адиабати, като тези процеси се считат за обратими (фиг. 13.14). Първо, съд с газ се поставя в контакт с нагревателя, газът се разширява изотермично, извършвайки положителна работа, при температура T 1 и получава количество топлина Q 1.
След това съдът е топлоизолиран, газът продължава да се разширява адиабатично, докато температурата му пада до температурата на хладилника Т 2. След това газът влиза в контакт с хладилника; по време на изотермично компресиране той дава количеството топлина Q 2 на хладилника, компресирайки до обем V 4< V 1 . Затем сосуд снова теплоизолируют, газ сжимается адиабатно до объёма V 1 и возвращается в первоначальное состояние. Для КПД этой машины было получено следующее выражение:
Както следва от формула (13.17), ефективността на машината на Карно е право пропорционална на разликата в абсолютните температури на нагревателя и хладилника.
Основното значение на тази формула е, че тя показва начина за увеличаване на ефективността, за това е необходимо да се увеличи температурата на нагревателя или да се намали температурата на хладилника.
Всяка реална топлинна машина, работеща с нагревател при температура T1 и хладилник при температура T2, не може да има ефективност, надвишаваща тази на идеална топлинна машина: 
Процесите, които изграждат цикъла на истински топлинен двигател, не са обратими.
Формула (13.17) дава теоретична граница за максималната стойност на ефективност на топлинните двигатели. Това показва, че топлинният двигател е по-ефективен, колкото по-голяма е температурната разлика между нагревателя и хладилника.
Само при температура на хладилника, равна на абсолютната нула, η = 1. Освен това е доказано, че ефективността, изчислена по формула (13.17), не зависи от работното вещество.
Но температурата на хладилника, чиято роля обикновено играе атмосферата, практически не може да бъде по-ниска от температурата на околния въздух. Можете да увеличите температурата на нагревателя. Всеки материал (твърд) обаче има ограничена устойчивост на топлина или устойчивост на топлина. При нагряване постепенно губи еластичните си свойства и при достатъчно висока температура се стопява.
Сега основните усилия на инженерите са насочени към повишаване на ефективността на двигателите чрез намаляване на триенето на техните части, загубите на гориво поради непълно изгаряне и др.
За парна турбина началната и крайната температура на парата са приблизително следните: T 1 - 800 K и T 2 - 300 K. При тези температури максималната стойност на ефективност е 62% (имайте предвид, че ефективността обикновено се измерва като процент) . Действителната стойност на ефективност поради различни видове загуби на енергия е приблизително 40%. Максималната ефективност - около 44% - се постига от дизеловите двигатели.
Опазване на околната среда.
Трудно е да си представим съвременния свят без топлинни двигатели. Те са тези, които ни осигуряват комфортен живот. Топлинните двигатели задвижват превозни средства. Около 80% от електроенергията, въпреки наличието на атомни електроцентрали, се генерира с помощта на топлинни двигатели.
По време на работата на топлинните двигатели обаче се получава неизбежно замърсяване на околната среда. Това е противоречие: от една страна, човечеството се нуждае от все повече и повече енергия всяка година, основната част от която се получава чрез изгаряне на гориво, от друга страна, горивните процеси неизбежно са придружени от замърсяване на околната среда.
Когато горивото гори, съдържанието на кислород в атмосферата намалява. Освен това самите продукти на горенето образуват химически съединения, които са вредни за живите организми. Замърсяването се случва не само на земята, но и във въздуха, тъй като всеки полет на самолет е придружен от емисии на вредни примеси в атмосферата.
Едно от последствията от двигателите е образуването на въглероден диоксид, който абсорбира инфрачервеното лъчение от земната повърхност, което води до повишаване на атмосферната температура. Това е така нареченият парников ефект. Измерванията показват, че атмосферната температура се повишава с 0,05 °C годишно. Такова непрекъснато повишаване на температурата може да доведе до топене на леда, което от своя страна ще доведе до промени в нивата на водата в океаните, т.е. до наводняване на континентите.
Нека отбележим още един отрицателен момент при използването на топлинни двигатели. Така че понякога вода от реки и езера се използва за охлаждане на двигатели. След това загрятата вода се връща обратно. Повишаването на температурата във водните обекти нарушава естествения баланс; това явление се нарича топлинно замърсяване.
За опазване на околната среда широко се използват различни почистващи филтри, за да се предотврати изпускането на вредни вещества в атмосферата, а конструкциите на двигателите се подобряват. Има непрекъснато подобряване на горивото, което произвежда по-малко вредни вещества по време на изгаряне, както и технологията на неговото изгаряне. Активно се развиват алтернативни източници на енергия, използващи вятър, слънчева радиация и ядрена енергия. Вече се произвеждат електрически и слънчеви превозни средства.
