Тепловим називається двигун, який виконує роботу за рахунок джерела теплової енергії.
Теплова енергія ( Q нагрівача) від джерела передається двигуну, при цьому частина одержаної енергії двигун витрачає на виконання роботи W, невитрачена енергія ( Q холодильника) відправляється в холодильник, роль якого може виконувати, наприклад навколишнє повітря. Тепловий двигун може працювати тільки в тому випадку, якщо температура холодильника менше температури нагрівача.
Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигуна можна розрахувати за формулою: ККД = W/Q нг.
ККД=1 (100%) у разі, якщо вся теплова енергія перетворюється на роботу. ККД=0 (0%) у разі, якщо ніяка теплова енергія не перетворюється на роботу.
ККД реального теплового двигуна лежить у проміжку від 0 до 1, чим вище ККД, тим ефективніший двигун.
Q х / Q нг = T х / T нг ККД = 1-(Q х / Q нг) ККД = 1- (T х / T нг)
Враховуючи третій початок термодинаміки, яке свідчить, що температуру абсолютного нуля (Т=0К) досягти неможливо, можна сказати, що неможливо розробити тепловий двигун з ККД=1, оскільки завжди T х >0.
ККД теплового двигуна буде тим більшою, чим вище температура нагрівача, і нижче температура холодильника.
Робота, що здійснюється двигуном, дорівнює:
Вперше цей процес було розглянуто французьким інженером і вченим Н. Л. С. Карно в 1824 р. в книзі «Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу».
Метою досліджень Карно було з'ясування причин недосконалості теплових машин на той час (вони мали ККД ≤ 5 %) та пошуки шляхів їх удосконалення.
Цикл Карно - найефективніший із усіх можливих. Його ККД максимальний.
На малюнку зображені термодинамічні процеси циклу. У процесі ізотермічного розширення (1-2) за температури T 1 , робота відбувається за рахунок зміни внутрішньої енергії нагрівача, тобто за рахунок підведення до газу кількості теплоти Q:
A 12 = Q 1 ,
Охолодження газу перед стисненням (3-4) відбувається при адіабатному розширенні (2-3). Зміна внутрішньої енергії ΔU 23 при адіабатному процесі ( Q = 0) повністю перетворюється на механічну роботу:
A 23 = -ΔU 23 ,
Температура газу в результаті адіабатичного розширення (2-3) знижується до температури холодильника T 2 < T 1 . У процесі (3-4) газ ізотермічно стискається, передаючи холодильнику кількість теплоти. Q 2:
A 34 = Q 2,
Цикл завершується процесом адіабатичного стиснення (4-1), при якому газ нагрівається до температури Т 1.
Максимальне значення ККД теплових двигунів, що працюють на ідеальному газі, за циклом Карно:
.
Суть формули виражена у доведеній З. Карно теоремі про те, що ККД будь-якого теплового двигуна не може перевищувати ККД циклу Карно, що здійснюється за тієї ж температури нагрівача і холодильника.
Тема: “Принцип дії теплової машини. Теплова машина з найбільшим коефіцієнтом корисної дії.
Форма:Комбінований урок із використанням комп'ютерних технологій.
Цілі:
План уроку.
№ п/п |
Запитання |
Час |
| 1 | Показати необхідність застосування теплових машин у сучасних умовах. | |
| 2 | Повторення поняття "теплової машини". Види теплових машин: ДВЗ (карбюраторний, дизельний), парова та газова турбіни, турбореактивний та ракетний двигуни. | |
| 3 | Пояснення нового теоретичного матеріалу. Схема та влаштування теплової машини, принцип роботи, ККД. Цикл Карно, ідеальна теплова машина, її ККД. Порівняння ККД реальної та ідеальної теплової машини. |
|
| 4 | Розв'язання задачі № 703 (Степанова), № 525 (Бендріков). | |
| 5 | Робота із моделлю теплової машини. |
|
| 6 | Підбиття підсумків. Домашнє завдання § 33, завдання № 700 та № 697 (Степанова) |
Теоретичний матеріал
З давніх-давен людина хотіла звільнитися від фізичних зусиль або полегшити їх при переміщенні чогось, мати більшу силу, швидкість.
Створювалися оповіді про килими літаків, семимильні чоботи і чарівники, які переносять людину за тридев'ять земель помахом жезла. Тягаючи тяжкості, люди винайшли візки, адже котити легше. Потім вони пристосували тварин – волів, оленів, собак, найбільше коней. Так з'явилися візки, екіпажі. В екіпажах люди прагнули комфорту, все більш удосконалюючи їх.
Прагнення людей збільшити швидкість прискорювало і зміну подій історія розвитку транспорту. З грецького "аутос" - "сам" і латинського "мобіліс" - "рухливий" в європейських мовах склалося прикметник "саморушійний", буквально "авто - мобільний".
Воно ставилося до годинника, ляльок-автоматів, до будь-яких механізмів, загалом, до всього, що служило ніби доповненням «продовженням», «удосконаленням» людини. У ХVIII столітті спробували замінити живу силу силою пари та застосовували до безрейкових возів термін «автомобіль».
Чому ж рахунок віку автомобіля ведуть від перших «бензиномобілів» із двигуном внутрішнього згоряння, винайдених та побудованих у 1885-1886 роках? Як би забувши про парові та акумуляторні (електричні) екіпажі. Справа в тому, що ДВС здійснив справжній переворот у транспортній техніці. Протягом тривалого часу він виявився найбільш відповідає ідеї автомобіля і тому надовго зберіг своє чільне положення. Частка автомобілів із ДВС становить на сьогодні понад 99,9% світового автомобільного транспорту.<Додаток 1 >
Основні частини теплового двигуна
У сучасній техніці механічну енергію одержують головним чином за рахунок внутрішньої енергії палива. Пристрої, у яких відбувається перетворення внутрішньої енергії на механічну, називають тепловими двигунами.<Додаток 2 >
Для здійснення роботи за рахунок спалювання палива у пристрої, званому нагрівачем, можна скористатися циліндром, в якому нагрівається та розширюється газ та переміщає поршень.<Додаток 3 > Газ, розширення якого викликає переміщення поршня, називають робочим тілом. Розширюється ж газ тому, що його тиск вищий за зовнішній тиск. Але при розширенні газу його тиск падає, і рано чи пізно він стане рівним зовнішньому тиску. Тоді розширення газу закінчиться, і він перестане виконувати роботу.
Як же слід зробити, щоб робота теплового двигуна не припинялася? Для того, щоб двигун працював безперервно, необхідно, щоб поршень після розширення газу повертався щоразу у вихідне положення, стискаючи газ до початкового стану. Стиснення ж газу може відбуватися тільки під дією зовнішньої сили, яка при цьому здійснює роботу (сила тиску газу в цьому випадку здійснює негативну роботу). Після цього знову можуть відбуватися процеси розширення та стиснення газу. Значить, робота теплового двигуна повинна складатися з процесів (циклів) розширення і стиснення, що періодично повторюються.
На малюнку 1 зображені графічно процеси розширення газу (лінія АВ) та стиснення до початкового обсягу (лінія CD).Робота газу в процесі розширення позитивна ( AF > 0 ABEF. Робота газу при стисненні негативна (бо AF< 0
) і чисельно дорівнює площі фігури CDEF.Корисна робота за цей цикл чисельно дорівнює різниці площ під кривими АВі CD(Зафарбована на малюнку).
Наявність нагрівача, робочого тіла та холодильника є принципово необхідною умовою для безперервної циклічної роботи будь-якого теплового двигуна.
Коефіцієнт корисної дії теплової машини
Робоче тіло, отримуючи деяку кількість теплоти Q 1 від нагрівача, частина цієї кількості теплоти, за модулем рівну | Q2 |, віддає холодильнику. Тому ця робота не може бути більше A = Q 1 - | Q 2 |Відношення цієї роботи до кількості теплоти, отриманої газом, що розширюється, від нагрівача, називається коефіцієнтом корисної діїтеплової машини:
Коефіцієнт корисної дії теплової машини, що працює за замкненим циклом, завжди менше одиниці. Завдання теплоенергетики полягає в тому, щоб зробити ККД якомога вищим, тобто використовувати для отримання роботи якомога більшу частину теплоти, отриманої від нагрівача. Як цього можна досягти?
Вперше найбільш досконалий циклічний процес, що складається з ізотерм та адіабат, був запропонований французьким фізиком та інженером С. Карно у 1824 р.
Цикл Карно.
Припустимо, що газ знаходиться в циліндрі, стінки та поршень якого виготовлені з теплоізоляційного матеріалу, а дно - з матеріалу з високою теплопровідністю. Об'єм, який займає газ, дорівнює V 1 .
Наведемо циліндр в контакт з нагрівачем (Малюнок 2) і надамо газу можливість ізотермічно розширюватись і виконувати роботу . Газ отримує при цьому від нагрівача деяку кількість теплоти. Q1.Цей процес графічно зображується ізотермою (крива АВ).
Коли обсяг газу стає рівним деякому значенню V 1 ’< V 2 ,
дно циліндра ізолюють від нагрівача ,
після цього газ розширюється адіабатно до обсягу V 2 ,відповідного максимально можливого ходу поршня в циліндрі (адіабату НД). При цьому газ охолоджується до температури T 2< T 1 .
Тепер охолоджений газ можна ізотермічно стискати за температури Т2.Для цього його потрібно привести в контакт з тілом, що має ту саму температуру. Т 2 ,тобто з холодильником ,
та стиснути газ зовнішньою силою. Однак у цьому процесі газ не повернеться до початкового стану - температура його буде весь час нижчою Т1.
Тому ізотермічний стиск доводять до деякого проміжного обсягу V 2 '>V 1(Ізотерма CD). При цьому газ віддає холодильнику деяку кількість теплоти. Q 2 ,рівне здійсненій над ним роботі стиснення. Після цього газ стискається адіабатно до обсягу V 1 ,при цьому його температура підвищується до Т 1(Адіабату DA). Тепер газ повернувся в початковий стан, при якому обсяг його дорівнює V 1 температура - T 1 ,тиск - p 1,І цикл можна повторити знову.
Отже, на ділянці ABCгаз здійснює роботу (А > 0),а на ділянці CDAробота відбувається над газом (А< 0).
На дільницях НДі ADробота здійснюється лише за рахунок зміни внутрішньої енергії газу. Оскільки зміна внутрішньої енергії UBC = -UDA, то роботи при адіабатних процесах рівні: АВС = -АDA.Отже, повна робота, що здійснюється за цикл, визначається різницею робіт, що здійснюються при ізотермічних процесах (ділянки АВі CD). Чисельно ця робота дорівнює площі фігури, обмеженої кривою циклу ABCD.
У корисну роботу фактично перетворюється лише частина кількості теплоти QT,отриманої від нагрівача, рівна QT 1 - | QT 2 |.Отже, у циклі Карно корисна робота A = QT 1 - | QT 2 |.
Максимальний коефіцієнт корисної дії ідеального циклу, як показав С. Карно, може бути виражений через температуру нагрівача (Т 1)та холодильника (Т 2):
У реальних двигунах не вдається здійснити цикл, що складається з ідеальних ізотермічних та адіабатних процесів. Тому ККД циклу, що здійснюється в реальних двигунах, завжди менше, ніж ККД циклу Карно (при одних і тих же температурах нагрівачів і холодильників):
З формули видно, що ККД двигунів тим більше, що вище температура нагрівача і що нижча температура холодильника.
Завдання № 703
Двигун працює за циклом Карно. Як зміниться ККД теплового двигуна, якщо за постійної температури холодильника 17 про З температуру нагрівача підвищити з 127 до 447 про З?
Завдання № 525
Визначте ККД двигуна трактора, якому для виконання роботи 1,9 · 107Дж знадобилося 1,5 кг палива з питомою теплотою згоряння 4,2 · 107Дж/кг.
Виконання комп'ютерного тесту на тему.<Додаток 4 > Робота із моделлю теплової машини.
« Фізика – 10 клас»
Для вирішення завдань треба скористатися відомими виразами для визначення ККД теплових машин і мати на увазі, що вираз (13.17) справедливий тільки для ідеальної теплової машини.
Завдання 1.
У казані парової машини температура 160 °С, а температура холодильника 10 °С.
Яку максимальну роботу може теоретично здійснити машина, якщо в топці, коефіцієнт корисної дії якої 60 %, спалено вугілля масою 200 кг із питомою теплотою згоряння 2,9 10 7 Дж/кг?
Рішення.
Максимальну роботу може здійснити ідеальна теплова машина, що працює за циклом Карно, ККД якої η = (Т 1 - Т 2)/Т 1 де Т 1 і Т 2 - абсолютні температури нагрівача і холодильника. Для будь-якої теплової машини ККД визначається за формулою η = A/Q 1 де А - робота, що здійснюється тепловою машиною, Q 1 - кількість теплоти, отриманої машиною від нагрівача.
З умови завдання ясно, що Q 1 - це частина кількості теплоти, що виділилася при згорянні палива: Q 1 = η 1 mq.
Тоді звідки А = η 1 mq(1 – Т 2 /Т 1) = 1,2 10 9 Дж.
Завдання 2.
Парова машина потужністю N = 14,7 кВт споживає за 1 годину роботи паливо масою m = 8,1 кг, з питомою теплотою згоряння q = 3,3 10 7 Дж/кг.
Температура казана 200 °С, холодильника 58 °С.
Визначте ККД цієї машини та порівняйте його з ККД ідеальної теплової машини.
Рішення.
ККД теплової машини дорівнює відношенню скоєної механічної роботи А до витраченої кількості теплоти Qlt, що виділяється при згорянні палива.
Кількість теплоти Q1 = mq.
Здійснена за цей час робота А = Nt.
Таким чином, η = A/Q 1 = Nt/qm = 0,198, або η ≈ 20%.
Для ідеальної теплової машини 
η < η ид.
Завдання 3.
Ідеальна теплова машина з ККД працює за зворотним циклом (рис. 13.15).
Яку максимальну кількість теплоти можна забрати від холодильника, здійснивши механічну роботу А?
Оскільки холодильна машина працює за зворотним циклом, то для переходу тепла від менш нагрітого тіла до більш нагрітого необхідно, щоб зовнішні сили здійснили позитивну роботу.
Принципова схема холодильної машини: від холодильника відбирається кількість теплоти Q 2 зовнішніми силами здійснюється робота і нагрівачеві передається кількість теплоти Q 1 .
Отже, 
Q 2 = Q 1 (1 - η), Q 1 = A/η.
Остаточно Q 2 = (A / η) (1 - η).
Джерело: «Фізика – 10 клас», 2014, підручник Мякішев, Буховцев, Сотський
Основи термодинаміки. Теплові явища - Фізика, підручник для 10 класу - Класна фізика
« Фізика – 10 клас»
Що таке термодинамічна система та якими параметрами характеризується її стан.
Сформулюйте перший та другий закони термодинаміки.
Саме створення теорії теплових двигунів і призвело до формулювання другого закону термодинаміки.
Запаси внутрішньої енергії у земній корі та океанах можна вважати практично необмеженими. Але для вирішення практичних завдань мати запаси енергії ще недостатньо. Необхідно так само вміти рахунок енергії приводити в рух верстати на фабриках і заводах, засоби транспорту, трактори та інші машини, обертати ротори генераторів електричного струму і т. д. Людству потрібні двигуни - пристрої, здатні виконувати роботу. Більшість двигунів на Землі - це теплові двигуни.
Теплові двигуни- це пристрої, що перетворюють внутрішню енергію палива на механічну роботу.
Принцип дії теплових двигунів
Для того, щоб двигун виконував роботу, необхідна різниця тисків по обидва боки поршня двигуна або лопаті турбіни. У всіх теплових двигунах ця різниця тисків досягається за рахунок підвищення температури. робочого тіла(газу) на сотні чи тисячі градусів у порівнянні з температурою навколишнього середовища. Таке підвищення температури відбувається за згоряння палива.
Одна з основних частин двигуна - посудина, наповнена газом, з рухомим поршнем. Робочим тілом у всіх теплових двигунів є газ, який здійснює роботу під час розширення. Позначимо початкову температуру робочого тіла (газу) через T 1 . Цю температуру в парових турбінах або машинах набуває пари в паровому котлі. У двигунах внутрішнього згоряння та газових турбінах підвищення температури відбувається при згорянні палива всередині самого двигуна. Температуру Т1 називають температурою нагрівача.
Роль холодильника.
У міру виконання роботи газ втрачає енергію і неминуче охолоджується до деякої температури Т 2 яка зазвичай дещо вище температури навколишнього середовища. Її називають температурою холодильника. Холодильником є атмосфера або спеціальні пристрої для охолодження та конденсації відпрацьованої пари. конденсатори. В останньому випадку температура холодильника може бути трохи нижче температури навколишнього повітря.
Таким чином, у двигуні робоче тіло при розширенні не може віддати всю свою внутрішню енергію на виконання роботи. Частина тепла неминуче передається холодильнику (атмосфері) разом із відпрацьованим парою чи вихлопними газами двигунів внутрішнього згоряння та газових турбін.
Ця частина внутрішньої енергії палива втрачається. Тепловий двигун здійснює роботу рахунок внутрішньої енергії робочого тіла. Причому в цьому процесі відбувається передача теплоти від гарячих тіл (нагрівача) до холодніших (холодильнику). Принципова схема теплового двигуна зображено малюнку 13.13.
Робоче тіло двигуна отримує від нагрівача при згоранні палива кількість теплоти Q 1 , здійснює роботу А і передає холодильнику кількість теплоти Q 2< Q 1 .
Для того, щоб двигун працював безперервно, необхідно робоче тіло повернути в початковий стан, при якому температура робочого тіла дорівнює Т 1 . Звідси випливає, що робота двигуна відбувається за замкненими процесами, що періодично повторюються, або, як кажуть, по циклу.
Цикл- це низка процесів, у яких система повертається у початковий стан.
Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигуна.
Неможливість повного перетворення внутрішньої енергії газу на роботу теплових двигунів обумовлена незворотністю процесів у природі. Якщо тепло могло мимоволі повертатися від холодильника до нагрівача, то внутрішня енергія могла б бути повністю перетворена на корисну роботу за допомогою будь-якого теплового двигуна. Другий закон термодинаміки може бути сформульований так:
Другий закон термодинаміки:
неможливо створити вічний двигун другого роду, який повністю перетворював би теплоту на механічну роботу.
Відповідно до закону збереження енергії робота, що здійснюється двигуном, дорівнює:
А" = Q 1 - | Q 2 |, (13.15)
де Q 1 - кількість теплоти, отриманої від нагрівача, Q2 - кількість теплоти, відданої холодильнику.
Коефіцієнтом корисної дії (ККД) теплового двигуна називають відношення роботи А", що здійснюється двигуном, до кількості теплоти, отриманої від нагрівача:
Так як у всіх двигунів кілька теплоти передається холодильнику, то η< 1.
Максимальне значення ККД теплових двигунів.
Закони термодинаміки дозволяють обчислити максимально можливий ККД теплового двигуна, що працює з нагрівачем, що має температуру Т 1 і холодильником з температурою Т 2 а також визначити шляхи його підвищення.
Вперше максимально можливий ККД теплового двигуна обчислив французький інженер і вчений Саді Карно (1796-1832) у праці "Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу" (1824).
Карно придумав ідеальну теплову машину з ідеальним газом як робоче тіло. Ідеальна теплова машина Карно працює за циклом, що складається з двох ізотерм та двох адіабат, причому ці процеси вважаються оборотними (рис. 13.14). Спочатку посудину з газом приводять в контакт з нагрівачем, газ ізотермічно розширюється, роблячи позитивну роботу, при температурі Т 1 при цьому він отримує кількість теплоти Q 1 .
Потім посудину теплоізолюють, газ продовжує розширюватися вже адіабатно, при цьому температура знижується до температури холодильника Т 2 . Після цього газ приводять у контакт з холодильником, при ізотермічному стисканні він віддає холодильнику кількість теплоти Q 2 стискаючись до об'єму 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:
Як випливає з формули (13.17), ККД машини Карно прямо пропорційний різниці абсолютних температур нагрівача та холодильника.
Головне значення цієї формули полягає в тому, що в ній вказано шлях збільшення ККД, для цього треба підвищувати температуру нагрівача або знижувати температуру холодильника.
Будь-яка реальна теплова машина, що працює з нагрівачем, що має температуру Т 1 і холодильником з температурою Т 2 , не може мати ККД, що перевищує ККД ідеальної теплової машини: 
Процеси, у тому числі складається цикл реальної теплової машини, є оборотними.
Формула (13.17) дає теоретичну межу максимального значення ККД теплових двигунів. Вона показує, що тепловий двигун тим ефективніший, чим більша різниця температур нагрівача та холодильника.
Лише за температури холодильника, що дорівнює абсолютному нулю, η = 1. Крім цього доведено, що ККД, розрахований за формулою (13.17), не залежить від робочої речовини.
Але температура холодильника, роль якого зазвичай грає атмосфера, практично не може бути нижчою за температуру навколишнього повітря. Підвищувати температуру нагрівача можна. Однак будь-який матеріал (тверде тіло) має обмежену теплостійкість або жароміцність. При нагріванні він поступово втрачає свої пружні властивості, а за досить високої температури плавиться.
Нині основні зусилля інженерів спрямовані підвищення ККД двигунів рахунок зменшення тертя їх частин, втрат палива внаслідок його неповного згоряння тощо.
Для парової турбіни початкові і кінцеві температури пари приблизно такі: Т 1 - 800 К і Т 2 - 300 К. При цих температурах максимальне значення коефіцієнта корисної дії дорівнює 62% (зазначимо, що ККД вимірюють у відсотках). Справжнє значення ККД через різноманітних енергетичних втрат приблизно дорівнює 40 %. Максимальний ККД – близько 44% – мають двигуни Дизеля.
Охорона навколишнього середовища.
Важко уявити сучасний світ без теплових двигунів. Саме вони забезпечують нам комфортне життя. Теплові двигуни надають руху транспорту. Близько 80% електроенергії, незважаючи на наявність атомних станцій, виробляється за допомогою теплових двигунів.
Однак під час роботи теплових двигунів відбувається неминуче забруднення довкілля. У цьому полягає протиріччя: з одного боку, людству з кожним роком необхідно дедалі більше енергії, переважна більшість якої виходить рахунок згоряння палива, з іншого боку, процеси згоряння неминуче супроводжуються забрудненням довкілля.
При згорянні палива відбувається зменшення вмісту кисню у атмосфері. Крім того, самі продукти згоряння утворюють хімічні сполуки, шкідливі для живих організмів. Забруднення відбувається не тільки на землі, а й у повітрі, тому що будь-який політ літака супроводжується викидами шкідливих домішок в атмосферу.
Одним із наслідків роботи двигунів є утворення вуглекислого газу, який поглинає інфрачервоне випромінювання Землі, що призводить до підвищення температури атмосфери. Це так званий парниковий ефект. Вимірювання показують, що температура атмосфери протягом року підвищується на 0,05 °З. Таке безперервне підвищення температури може викликати танення льодів, що, своєю чергою, призведе до зміни рівня води у океанах, т. е. до затоплення материків.
Відзначимо ще один негативний момент під час використання теплових двигунів. Так, іноді для охолодження двигунів використовується вода з річок та озер. Нагріта вода потім повертається назад. Зростання температури у водоймах порушує природну рівновагу, це явище називають тепловим забрудненням.
Для охорони навколишнього середовища широко використовуються різні очисні фільтри, що перешкоджають викиду в атмосферу шкідливих речовин, удосконалюються конструкції двигунів. Йде безперервне вдосконалення палива, що дає при згорянні менше шкідливих речовин, а також технології його спалювання. Активно розробляються альтернативні джерела енергії, які використовують вітер, сонячне проміння, енергію ядра. Вже випускаються електромобілі та автомобілі, що працюють на сонячній енергії.
