В каком случае а тепловой двигатель будет совершать полезную работу
Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.
Согласно механическую работу за счет охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего тела (нагревателя), но при этом отдает теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Следовательно, на совершение работы идет не все количество теплоты, полученное от нагревателя, а только часть ее.
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.
Тепловые двигатели: принцип действия, устройство, схема
Рассмотрим тепловые двигатели, принцип действия этих механизмов. В земной коре и мировом океане запасы внутренней энергии можно считать неограниченными. Для того чтобы решать практические задачи, ее явно недостаточно. Устройство и принцип действия теплового двигателя необходимо знать для того, чтобы приводить в движение токарные станки, транспортные средства. Человек нуждается в таких устройствах, которые могут совершать полезную работу.
Тепловые двигатели, принцип действия которых мы рассмотрим, являются основными на нашей планете. Именно в них происходит превращение внутренней энергии в механический вид.
Особенности теплового двигателя
Каков принцип действия теплового двигателя? Кратко его можно представить на простом опыте. Если в пробирку налить воду, закрыть пробкой, довести до кипения, она вылетит. Причина выскакивания пробки заключается в совершении паром внутренней работы. Процесс сопровождается превращением внутренней энергии пара в кинетическую величину для пробки. Тепловые двигатели, принцип действия которых аналогичен описанному эксперименту, отличаются строением. Вместо пробирки используется металлический цилиндр. Пробка заменена поршнем, плотно прилегающим к стенкам, перемещающимся вдоль цилиндра.
Алгоритм действия
Тепловыми машинами называют механизмы, где наблюдается превращение внутренней энергии топлива в механический вид.
Для совершения двигателем полезной работы, должна быть создана разность давлений с обеих сторон поршня либо лопастей мощной турбины. Для достижения такой разности давлений происходит повышение температуры рабочего тела на тысячи градусов в сравнении с ее средним показателем в окружающей среде. Происходит подобное повышение температуры в процессе сгорания топлива.
Изменения температур
У всех современных тепловых машин выделяют рабочее тело. Им принято называть газ, совершающий в процессе расширения полезную работу. Начальную температуру, обозначаемую Т1, он приобретает в паровом котле машины или турбины. Называют этот показатель температурой нагревателя. В процессе совершения работы происходит постепенная потеря газом энергии. Это приводит к неизбежному охлаждению рабочего тела до некоторого показателя Т2. Значение температуры должно быть ниже показателя окружающей среды, иначе давление газа будет иметь меньший показатель, чем атмосферное давление, и работа двигателем не будет совершена.
Показатель Т2 называют температурой холодильника. В его качестве выступает атмосфера либо специальное устройство, необходимое для конденсации и охлаждения отработанного пара.
Некоторые факты
Итак, тепловые двигатели, принцип действия которых основывается на расширении рабочего тела, не способны отдавать для совершения работы всю внутреннюю энергию. В любом случае часть тепла будет передаваться атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром либо выхлопными газами турбин или двигателей внутреннего сгорания.
КПД тепловых машин
Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.
Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Схема его понятна и проста, доступна даже ученикам средней школы. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.
Изобретение тепловой машины
Первым изобретателем машины, использующей тепло, стал Сади Карно. Он разработал идеальную машину, в которой рабочим телом выступал идеальный газ. Кроме того, ученому удалось определить показатель КПД для такого устройства, используя значения температуры холодильника и нагревателя.
Карно удалось определить зависимость между реальной тепловой машиной, функционирующей на основе нагревателя, и холодильником, в качестве которого выступает воздух или конденсатор. Благодаря математической формуле, предложенной Карно для его первой идеальной тепловой машины, определяется максимальное значение КПД. Между температурой нагревателя и холодильника существует прямая связь.
Для того чтобы машина полноценно функционировала, значение температуры не должно быть меньше ее показателя в окружающем воздухе. При желании можно повышать температуру нагревателя, не забывая о том, что у каждого твердого тела есть определенная жаропрочность. По мере нагревания оно теряет свою упругость, а при достижении температуры плавления просто плавится.
Благодаря инновациям, которые достигнуты в современной инженерной промышленности, происходит постепенное повышение КПД теплового двигателя. Например, снижается трение между его отдельными частями, устраняются потери, возникающие из-за неполного сгорания топлива.
Двигатель внутреннего сгорания
Он представляет собой тепловую машину, где в виде рабочего тела применяют высокотемпературные газы, получаемые в процессе сгорания разного вида топлива внутри камеры. Выделяют четыре такта в работе автомобильного двигателя. Среди составных его частей назовем впускной и выпускной клапаны, камеру сгорания, поршень, цилиндр, свечу, шатун, а также маховик.
На первом этапе наблюдается плавное передвижение клапана вниз, процесс происходит благодаря заполнению камеры рабочей смесью. В конце первого такта впускной клапан закрывается. Далее поршень передвигается вверх, при этом происходит сжатие рабочей смеси. Появление искры в свече приводит к воспламенению горючей смеси. Давление, которое оказывают пары воздуха и бензина на поршень, приводят к его самопроизвольному движению вниз, поэтому такт называют «рабочим ходом». В движение приводится коленчатый вал. На четвертом этапе открывается выпускной клапан, происходит выталкивание в атмосферу отработанных газов.
Принципы действия тепловых машин
КПД тепловых машин
Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.
Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.
Как работают тепловые двигатели
Функция тепловых двигателей – преобразование тепловой энергии в полезную механическую работу. Рабочим телом в таких установках служит газ. Он с усилием давит на лопатки турбины или на поршень, приводя их в движение. Самые простые примеры тепловых двигателей – это паровые машины, а также карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания.
Инструкция
- Поршневые тепловые двигатели имеют в своем составе один или несколько цилиндров, внутри которых находится поршень. В объеме цилиндра происходит расширение горячего газа. При этом поршень под воздействием газа перемещается и совершает механическую работу. Такой тепловой двигатель преобразует возвратно-поступательное движение поршневой системы во вращение вала. Для этой цели двигатель оснащается кривошипно-шатунным механизмом.
- К тепловым двигателям внешнего сгорания относятся паровые машины, в которых рабочее тело разогревается в момент сжигания топлива за пределами двигателя. Нагретый газ или пар под сильным давлением и при высокой температуре подается в цилиндр. Поршень при этом перемещается, а газ постепенно охлаждается, после чего давление в системе становится почти равным атмосферному.
- Отработавший свое газ выводится из цилиндра, в который немедленно подается очередная порция. Для возврата поршня в начальное положение применяют маховики, которые крепят на вал кривошипа. Подобные тепловые двигатели могут обеспечивать одинарное или двойное действие. В двигателях с двойным действием на один оборот вала приходится две стадии рабочего хода поршня, в установках одинарного действия поршень совершает за то же время один ход.
- Отличие двигателей внутреннего сгорания от описанных выше систем состоит в том, что горячий газ здесь получается при сжигании топливно-воздушной смеси непосредственно в цилиндре, а не вне его. Подвод очередной порции горючего и выведение отработанных газов производится через систему клапанов. Они позволяют подавать горючее в строго ограниченном количестве и в нужное время.
- Источник тепла в двигателях внутреннего сгорания – химическая энергия топливной смеси. Для данного типа теплового двигателя не нужен котел или нагреватель внешнего типа. В качестве рабочего тела здесь выступают самые разные горючие вещества, из которых самым распространенным являются бензин или дизельное топливо. К недостаткам двигателей внутреннего сгорания можно отнести их высокую чувствительность к качеству топливной смеси.
- Двигатели внутреннего сгорания по своей конструкции могут быть двух- и четырехтактными. Устройства первого вида проще в конструкции и не так массивны, но при одинаковой мощности требуют значительно больше топлива, чем четырехтактные. Двигатели, работа которых построена на двух тактах, чаще всего применяют в небольших мотоциклах или газонокосилках. Более серьезные машины оснащают тепловыми двигателями четырехтактного типа.
Видео по теме
Как устроены и как работают тепловые двигатели
Наша сегодняшняя встреча посвящена тепловым двигателям. Именно они приводят в движение большинство видов транспорта, позволяют получать электроэнергию, несущую нам тепло, свет и комфорт. Как устроены и каков принцип действия тепловых машин?
Понятие и виды тепловых двигателей
Тепловые двигатели — устройства, обеспечивающие превращение химической энергии топлива в механическую работу.
Осуществляется это следующим образом: расширяющийся газ давит либо на поршень, вызывая его перемещение, либо на лопасти турбины, сообщая ей вращение.
Взаимодействие газа (пара) с поршнем имеет место в паровых машинах, карбюраторных и дизельных двигателях (ДВС).
Примером действия газа, создающим вращение является работа авиационных турбореактивный двигателей.
Структурная схема работы теплового двигателя
Несмотря на отличия в их конструкции, все тепловые машины имеют нагреватель, рабочее вещество (газ или пар) и холодильник.
В нагревателе происходит сгорание топлива, в результате чего выделяется количество теплоты Q1, а сам нагреватель при этом нагревается до температуры T1. Рабочее вещество, расширяясь, совершает работу A.
Но теплота Q1 не может полностью превратится в работу. Определенная ее часть Q2 через теплопередачу от нагревшегося корпуса, выделяется в окружающую среду, условно называемую холодильником с температурой T2.
Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.
Естествознание, 11 класс
Урок 7. Принцип работы тепловых двигателей
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
- Что такое двигатель?
- Почему невозможен вечный двигатель?
- Что такое тепловой двигатель?
- Каковы особенности тепловых двигателей, которые необходимо учитывать для эффективного применения?
Глоссарий по теме:
Двигателем можно назвать любое устройство, способное совершать механическую работу
Коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД) называется отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:
Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше единицы и выражается в процентах. Невозможность превращения всего количества теплоты, полученного от нагревателя, в механическую работу является платой за необходимость организации циклического процесса и следует из второго закона термодинамики.
В реальных тепловых двигателях КПД определяют по экспериментальной механической мощности N двигателя и сжигаемому за единицу времени количеству топлива. Так, если за время t сожжено топливо массой m и удельной теплотой сгорания q, то:
Для транспортных средств справочной характеристикой часто является объем V сжигаемого топлива на пути s при механической мощности двигателя N и при скорости υ . В этом случае, учитывая плотность r топлива, можно записать формулу для расчета КПД:
Адиабати́ческий, или адиаба́тный процесс (от др.-греч. ἀδιάβατος «непроходимый») — термодинамический процесс в макроскопической системе, при котором система не обменивается теплотой с окружающим пространством.
Циклические тепловые двигатели – тепловые двигатели, работающие по циклу.
Процесс нагрева или охлаждения газа при постоянном объеме называется изохорным.
Процесс нагрева или охлаждения газа при постоянном давлении называется изобарным.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
Обязательная литература:
- Громов С. В., Родина Н. А.. Физика – М. : Просвещение, 2001.
- Дерябин В. М. Законы сохранения в физике. – М.: Просвещение, 1982.
- Перельман Я.А. Занимательная физика. Книга 2. М.:Наука, 1982г.
Дополнительные источники:
- https://fb.ru/article/51318/teplovyie-dvigateli-vidyi-teplovyih-dvigateley
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Естественными двигателями являются любые живые организмы. Но работы мускул человеку всегда было мало, и со временем, еще задолго до появления науки, человек научился использовать средства, заменяющие свои физические усилия. С древних времен человек «приручил» силу ветра, воды, воздуха для передвижения и совершения механической работы. С тех времен до сегодняшних дней человек осуществляет попытки создания вечного двигателя. Возможно ли это?
Идея использования сил природы для совершения работы и увеличения силы человека привлекала с древних времен с создания простейших механизмов. Позже появились ветряные и водяные мельницы (упоминание о первых водяных мельницах относится к началу нашей эры).
В средневековье появляются уже достаточно совершенные водяные двигатели, использующиеся для различных нужд, например, как подъемные устройства (см. Рис. 2).
Рис.1. Мельницы
Рис.2. Подъемные устройства
Усложнение механизмов привело к идее построения вечного двигателя, по-латыни perpetuum mobile. Под таким двигателем понимали некоторое хитроумное устройство, которое без каких-либо внешних воздействий могло бы двигаться и совершать полезную механическую работу сколь угодно долго. Идея вечного двигателя была очень популярна в 17 – 18 веках.
Развитие науки термодинамики и строгие опыты Джоуля показали, что механическое движение никогда не исчезает бесследно. Энергия механического движения переходит в энергию хаотического движения частиц вещества. Закон сохранения энергии, основанный на опытных фактах, запрещает существование вечного двигателя. Любой двигатель является устройством способным совершать упорядоченную макроскопическую работу на основе преобразования энергии из одного вида в другой.
В самых первых двигателях механическая энергия ветра и воды преобразовывалась в механическую энергию вращающегося колеса. Позднее появились тепловые двигатели.
Развитие науки об электричестве привело к появлению электродвигателей, преобразующих энергию электрического поля в механическую энергию и наоборот.
Наконец в 20 веке человек научился преобразовывать в механическую энергию внутреннюю энергию атомных ядер.
Рис.3 Атом
Идея использования тепла для совершения механических действий также пришла из глубокой древности. Одно из первых дошедших до нас изобретений принадлежит Герону Александрийскому, жившему приблизительно за 120 лет до нашей эры. Соответствующее устройство, которое он назвал «эолипилом».
Эолипил Герона
В шаре, из которого выходят две г-образные трубки находится вода. При нагревании вода закипает, и образующийся пар, выходя из трубок, вращает сосуд. Каждая трубка при этом работает как реактивный двигатель.
Эолипил Герона являлся игрушкой и не выполнял действительно полезной работы. Подобные игрушки, например, плавающий на реактивной паровой тяге кораблик, несложно сделать самому. Реальный двигатель, работающий на основе реактивной тяги, является неэффективным. В последующих устройствах, в которых тепловая энергия преобразовывалась в механическую, горячий водяной пар толкал поршень в цилиндре, что являлось более эффективным. Далее создаются паровые машины (первая – Ползуновым, дошедшая до наших дней – Уаттом) и циклические тепловые двигатели, работающие продолжительное время и возвращающиеся в исходное состояние (по циклу). Термодинамический цикл Папена сопровождается сменой изобарного и изохорного процессов, основанных на нагревании и охлаждении газа при постоянном объеме или давлении.
Устройство любого теплового двигателя достаточно сложна. Чтобы понять принцип работы тепловых машин, рассмотрим двигатель, состоящий из цилиндра с поршнем, который может перемещаться вдоль цилиндра в определенном диапазоне.
Рис.4 Тепловой двигатель
Данный двигатель состоит из цилиндра с поршнем, который может перемещаться вдоль цилиндра в определенном диапазоне. В объеме цилиндра ограниченного поршнем находится газ. Поднимаясь вверх, цилиндр может поднять некоторое тело, то есть совершить полезную механическую работу.
Рис.5а
Пусть в начальном состоянии цилиндр в отсутствие груза находится в нижнем состоянии. Подвесим груз и начнем нагревать газ в цилиндре, для чего подсоединим к цилиндру нагреватель. Сначала газ расширяться не будет, поскольку давление снизу недостаточно для подъема поршня. Процесс нагрева или охлаждения газа при постоянном объеме называется изохорным. Все передаваемое газу тепло идет на нагрев газа, при этом его давление возрастает. Этот процесс и соответствующий ему график изображен на Рис. 5а.
Рис.5б
Когда давление под поршнем возрастет достаточно для того, чтобы сила давления уравновесила вес поршня и груза, поршень начнет подниматься (Рис. 5б). Поскольку вес поршня и груза не изменяются, сила давления, а значит, и само давление остаются постоянными. При этом температура и объем газа увеличиваются. Процесс нагрева или охлаждения газа при постоянном давлении называется изобарным. Его график изображен на Рис. 5б. После достижения верхней точки наш двигатель совершит полезную работу. Поднятый груз можно отсоединить. Но, если мы хотим продолжить работу по циклу, необходимо вернуть поршень в нижнее положение.
Рис.5в
Для этого газ необходимо охладить, следовательно, нужно убрать нагреватель и привести в тепловой контакт с цилиндром некоторое холодное тело. Тогда сила давления газа будет больше веса поршня. Поэтому первоначально процесс охлаждения газа пойдет без изменения объема (Рис. 5в). Это тоже изохорный процесс, но с уменьшением давления.
Рис.5г
После того, как давление газа упадет настолько, что сила давления будет уравновешивать вес поршня, дальнейшее охлаждение газа будет сопровождаться уменьшением его объема. То есть поршень начнет двигаться вниз (Рис. 5г). Так же, как и процесс 2-3 процесс 4-1 будет происходить при постоянном давлении, то есть будет изобарным. Заметим, что соответствующий процесс на диаграмме p-V изобразился в виде замкнутой направленной линии (в данном случае – прямоугольника). Такой термодинамический процесс называется термодинамическим циклом.
Таким образом, для мысленного конструирования теплового двигателя нам потребовался сосуд с газом, (газ называется рабочим телом), нагреватель и холодное тело. Оказывается, что эти принципиальные элементы можно найти в любом тепловом двигателе.
Термодинамические циклы, соответствующие тепловым двигателям могут иметь вид разнообразных замкнутых кривых. В любой конструкции принцип работы двигателя остается неизменным.
Выводы:
- Любой двигатель является устройством способным совершать упорядоченную макроскопическую работу на основе преобразования энергии из одного вида в другой.
- Принцип работы любого циклического теплового двигателя заключается в том, что взятое от горячего тела тепло при выполнении циклического процесса рабочим телом идет на совершение механической работы. При этом часть этого тепла отдается некоторому холодному телу.
- Тепловой двигатель (паровая машина) сыграл и продолжает играть чрезвычайно важную роль в развитии нашей цивилизации. И, несмотря на то, что с конца XIX столетия во многих случаях паровая машина была заменена электрическим двигателем, она сыграла особую роль в техническом прогрессе человечества, а сотни мастерских конструкций тепловых двигателей представляют собой образцы высокого взлета научно-технической, инженерной мысли и творчества человека во все времена.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
Задание 1. Вставьте пропущенные слова: «Под двигателем можно понимать ________ устройство, способное совершать ______ работу».
Варианты ответов: любое, реактивное; физическую; паровое; механическую
Правильный вариант: Под двигателем можно понимать любое устройство, способное совершать механическую работу.
Задание 2. Добавьте подпись названий для каждой модели реактивного двигателя.
Подписи:
Водяная мельница
Паровая машина Уатта
Эолипил Герона
Правильный вариант:
Паровая машина Уатта
Водяная мельница
Эолипил Герона