Какое значение кпд теплового двигателя маловероятно. Принципы действия тепловых двигателей

Работа, совершаемая двигателем, равна:

Впервые этот процесс был рассмотрен французским инженером и ученым Н. Л. С. Карно в 1824 г. в книге «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».

Целью исследований Карно было выяснение причин несовершенства тепловых машин того времени (они имели КПД ≤ 5 %) и поиски путей их усовершенствования.

Цикл Карно — самый эффективный из всех возможных. Его КПД максимален.

На рисунке изображены термодинамические процес-сы цикла. В процессе изотермического расширения (1-2) при температуре T 1 , работа совершается за счет измене-ния внутренней энергии нагревателя, т. е. за счет подве-дения к газу количества теплоты Q :

A 12 = Q 1 ,

Охлаждение газа перед сжатием (3-4) происходит при адиабатном расширении (2-3). Изменение внутренней энергии ΔU 23 при адиабатном процессе (Q = 0 ) полностью преобразуется в механическую работу:

A 23 = -ΔU 23 ,

Температура газа в результате адиабатического рас-ширения (2-3) понижается до температуры холодильни-ка T 2 < T 1 . В процессе (3-4) газ изотермически сжимает-ся, передавая холодильнику количество теплоты Q 2 :

A 34 = Q 2 ,

Цикл завершается процессом адиабатического сжатия (4-1), при котором газ нагревается до температуры Т 1 .

Максимальное значение КПД тепловых двигателей, работающих на идеальном газе, по циклу Карно:

.

Суть формулы 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.

Темой текущего урока будет рассмотрение процессов, происходящих во вполне конкретных, а не абстрактных, как в прошлых уроках, устройствах - тепловых двигателях. Мы дадим определение таким машинам, опишем их основные составляющие и принцип действия. Также в ходе этого урока будет рассмотрен вопрос о нахождении КПД - коэффициента полезного действия тепловых машин, как реального, так и максимально возможного.

Тема: Основы термодинамики
Урок: Принцип действия теплового двигателя

Темой прошлого урока был первый закон термодинамики, который задавал связь между некоторым количеством теплоты, которое было передано порции газа, и работой, совершаемой этим газом при расширении. И теперь пришло время сказать, что эта формула вызывает интерес не только при неких теоретических расчётах, но и во вполне практическом применении, ведь работа газа есть не что иное как полезная работа, какую мы извлекаем при использовании тепловых двигателей.

Определение. Тепловой двигатель - устройство, в котором внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую работу (рис. 1).

Рис. 1. Различные примеры тепловых двигателей (), ()

Как видно из рисунка, тепловыми двигателями являются любые устройства, работающие по вышеуказанному принципу, и они варьируются от невероятно простых до очень сложных по конструкции.

Все без исключения тепловые двигатели функционально делятся на три составляющие (см. рис. 2):

• Нагреватель
• Рабочее тело
• Холодильник

Рис. 2. Функциональная схема теплового двигателя ()

Нагревателем является процесс сгорания топлива, которое при сгорании передаёт большое количество теплоты газу, нагревая тот до больших температур. Горячий газ, который является рабочим телом, вследствие повышения температуры, а следовательно, и давления, расширяется, совершая работу . Конечно же, так как всегда существует теплопередача с корпусом двигателя, окружающим воздухом и т. д., работа не будет численно равняться переданной теплоте - часть энергии уходит на холодильник, которым, как правило, является окружающая среда.

Проще всего можно представить себе процесс, происходящий в простом цилиндре под подвижным поршнем (например, цилиндр двигателя внутреннего сгорания). Естественно, чтобы двигатель работал и в нём был смысл, процесс должен происходить циклически, а не разово. То есть после каждого расширения газ должен возвращаться в первоначальное положение (рис. 3).

Рис. 3. Пример циклической работы теплового двигателя ()

Для того чтобы газ возвращался в начальное положение, над ним необходимо выполнить некую работу (работа внешних сил). А так как работа газа равна работе над газом с противоположным знаком, для того чтобы за весь цикл газ выполнил суммарно положительную работу (иначе в двигателе не было бы смысла), необходимо, чтобы работа внешних сил была меньше работы газа. То есть график циклического процесса в координатах P-V должен иметь вид: замкнутый контур с обходом по часовой стрелке. При данном условии работа газа (на том участке графика, где объём растёт) больше работы над газом (на том участке, где объём уменьшается) (рис. 4).

Рис. 4. Пример графика процесса, протекающего в тепловом двигателе

Раз мы говорим о некоем механизме, обязательно нужно сказать, каков его КПД.

Определение. КПД (Коэффициент полезного действия) теплового двигателя - отношение полезной работы, выполненной рабочим телом, к количеству теплоты, переданной телу от нагревателя.

Если же учесть сохранение энергии: энергия, отошедшая от нагревателя, никуда не исчезает - часть её отводится в виде работы, остальная часть приходит на холодильник:

Получаем:

Это выражение для КПД в частях, при необходимости получить значение КПД в процентах необходимо умножить полученное число на 100. КПД в системе измерения СИ - безразмерная величина и, как видно из формулы, не может быть больше одного (или 100).

Следует также сказать, что данное выражение называется реальным КПД или КПД реальной тепловой машины (теплового двигателя). Если же предположить, что нам каким-то образом удастся полностью избавиться от недостатков конструкции двигателя, то мы получим идеальный двигатель, и его КПД будет вычисляться по формуле КПД идеальной тепловой машины. Эту формулу получил французский инженер Сади Карно (рис. 5):

Цель: познакомится с тепловыми двигателями, которые используются в современном мире.

В ходе работы мы попытались ответить на следующие вопросы:

• 
  Что такое тепловой двигатель?
• 
  Каков принцип его действия?
• 
  КПД теплового двигателя?
• 
  Какие типы тепловых двигателей существуют?
• 
  Где они применяются?

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но располагать запасами энергии еще не достаточно. Необходимо уметь за счет энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели – устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле – это тепловые двигатели.

В простейшем опыте, который заключается в том, что в пробирку наливают немного воды и доводят ее до кипения (причем пробирка изначально закрыта пробкой), пробка под давлением образовавшегося пара поднимается вверх и выскакивает. Другими словами, энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, а пар, расширяясь, совершает работу, выбивая пробку. Так внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию пробки.

Если пробирку заменить прочным металлическим цилиндром, а пробку поршнем, который плотно прилегает к стенкам цилиндра и свободно перемещаться вдоль них, то получится простейший тепловой двигатель.

Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

Принципы действия тепловых двигателей.

Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через Т 1 . Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле.

В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т 1 называют температурой нагревателя.

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т 2 . Эта температура не может быть ниже температуры окружающей среды, так как в противном случае давление газа станет меньше атмосферного и двигатель не сможет совершить работу. Обычно температура Т 2 несколько больше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника. Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара – конденсаторы . В последнем случае температура холодильника может быть ниже температуры атмосферы.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть теплоты неизбежно передается холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии теряется.

Тепловой двигатель совершает рабату за счет внутренней энергии рабочего тела. Причем в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревается) к более холодным (холодильнику).

П
ринципиальная схема изображена на рисунке.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя.

Невозможность полного превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в природе. Если бы теплота могла самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя.

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя η называется выраженное в процентах отношение полезной работы А п, совершенной двигателем, к количеству теплоты Q 1 , полученной от нагревателя.

Формула:

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η

Максимальное значение КПД

Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя. Впервые это сделал французский инженер и ученый Сади Карно (1796-1832) в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824г.).

К
арно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Он получил для КПД этой машины следующее значение:

Т 1 – температура нагревателя

Т 2 – температура холодильника

Главное значение этой формулы состоит в том, как доказал Карно, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

Формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника.

Но температура холодильника не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие неполного сгорания и т.д. Реальные возможности для повышения КПД здесь еще остаются большими.

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания - это тепловая машина, в которой в качестве рабочего тела используются газы высокой температуры, образующиеся при сгорании жидкого или газообразного топлива непосредственно внутри камеры поршневого двигателя.

Строение четырехтактного автомобильного двигателя.

• 
  цилиндр,
• 
  камера сгорания,
• 
  поршень,
• 
  входной клапан;
• 
  выходной клапан,
• 
  свеча;
• 
  шатун;
• 
  маховик.

Работа ДВС

1 такт - "всасывание" поршень движется вниз, через впускной клапан в камеру сгорания всасывается горючая смесь - пары бензина с воздухом. В конце такта всасывающий клапан закрывается;

2 такт - "сжатие"- поршень поднимается вверх, сжимая горючую смесь. В конце такта в свече проскакивает искра, и горючая смесь воспламеняется;

3 такт - "рабочий ход"- газообразные продукты сгорания достигают высокой температуры и давления, с большой силой давят на поршень, который опускается вниз, и с помощью шатуна и кривошипа приводит во вращение коленчатый вал;

4 такт - "выхлоп"- поршень поднимается вверх и через выходной клапан выталкивает отработавшие газы в атмосферу. Температура выбрасываемых газов 500 0

В автомобилях используют чаще всего четырехцилиндровые двигатели. Работа цилиндров согласуется так, что в каждом из них поочередно происходит рабочий ход и коленчатый вал все время получает энергию от одного из поршней. Имеются и восьмицилиндровые двигатели. Много цилиндровые двигатели в лучшей степени обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность.

Карбюраторные двигатели применяют в легковых машинах сравнительно небольшой мощности. Дизельные - в более тяжелых машинах большой мощности (тракторы, грузовые тягачи, тепловозы),
на разного рода судах.

Паровая турбина

5 – вал, 4 – диск, 3 – пар, 2 – лопатки,

1 – лопатки.

П аровая турбина является основной частью паросиловой установки. В паросиловой установке из котла в паропровод выходит перегретый водяной пар с температурой около 300-500 0 С и давлением 17-23 МПа. Пар приводит во вращение ротор паровой турбины, который приводит во вращение ротор электрического генератора, вырабатывающего электрический ток. Отработанный пар поступает в конденсатор, где сжижается, образовавшаяся вода с помощью насоса поступает в паровой котел и снова превращается в пар.

Распыленное жидкое или твердое топливо сгорает в топке, подогревая котел.

Строение турбины

• 
  Барабан с системой сопел - расширяющиеся трубки особой конфигурации;
• 
  ротор - вращающийся диск с системой лопаток.

Струи пара, с огромной скоростью (600-800 м/с) вырывающиеся из сопел, направляются на лопатки ротора турбины, давят на них и приводят ротор во вращение с большой скоростью (50 об/с). Происходит преобразование внутренней энергии пара в механическую энергию вращения ротора турбины. Пар, расширяясь при выходе из сопла, совершает работу и охлаждается. Отработанный пар выходит в паропровод, его температура к этому моменту становится немного выше 100° С, далее пар поступает в конденсатор, давление в котором в несколько раз меньше атмосферного. Конденсатор охлаждается холодной водой.

Первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была изготовлена Г. Лавалем в 1889г.

Используемое топливо: твердое - уголь, сланцы, торф; жидкое - нефть, мазут. Природный газ.

Турбины устанавливают на тепловых и атомных электростанциях. На них вырабатывается более 80% электроэнергии. Мощные паровые турбины устанавливают на крупных судах.

Газовая турбина

Важное преимущество этой турбины - упрощенное преобразование внутренней энергии газа во вращательное движение вала

Принцип действия

В камеру сгорания газовой турбины с помощью компрессора подается сжатый воздух при температуре примерно 200° С, и впрыскивается жидкое топливо (керосин, мазут) под большим давлением. Во время горения топлива воздух и продукты сгорания нагреваются до температуры 1500-2200°С. Движущийся с большой скоростью газ направляется на лопасти турбины. Переходя от одного ротора турбины к другому, газ отдает свою внутреннюю энергию, приводя ротор во вращение.

При выхлопе из газовой турбины газ имеет температуру 400-500 0 С.

Получаемая механическая энергия используется, например, для вращения винта самолета или ротора электрического генератора.

Газовые турбины - это двигатели, обладающие большой мощностью, поэтому их применяют в авиации

Реактивные двигатели

Принцип действия

В камере сгорания сгорает ракетное горючее (например, пороховой заряд) и образовавшиеся газы с большой силой давят на стенки камеры. С одной стороны камеры имеется сопло, через которое продукты сгорания вырываются в окружающее пространство. С другой стороны расширяющиеся газы давят на ракету, как на поршень, и толкают ее вперед.

Пороховые ракеты являются двигателями на твердом топливе. Они постоянно готовы к работе, легко запускаются, но остановить или управлять таким двигателем невозможно.

Значительно надежнее в управлении жидкостные ракетные двигатели, подачу топлива в которые можно регулировать.

В 1903 г. К. Э. Циолковский предложил конструкцию такой ракеты.

Реактивные двигатели используют в космических ракетах. На огромных воздушных лайнерах устанавливают турбореактивные и реактивные двигатели.

Использованные ресурсы

• 
  Физика. Справочник школьника. Научная разработка и составление Т. Фещенко, В. Вожегова: М.: Филологическое общество «Слово», Компания «Ключ-С»,1995. – 576 с.
• 
  Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев. Физика: Учеб. для 10 кл. сред. шк. – 2-е изд. – М.: Просвещение, 1992. – 222 с.: ил.
• 
  О.Н. Баранова. Выпускная работа слушателя курсов повышения квалификации РЦДО по программе «Интернет – технологии для учителя предметника». Презентация «Тепловые двигатели», 2005
• 
  http://pla.by.ru/art_altengines.htm - модели двигателей и анимационные картинки
• 
  http://festival.1september.ru/2004_2005/index.php?numb_artic=211269 Фестиваль педагогических идей «Открытый урок 2004-2005» Л.В. Самойлова

• 
  http://old.prosv.ru/metod/fadeeva7-8-9/07.htm Физика 7-8-9 Книга для учителя А.А. Фадеева, А.В. Засов

Двигатель, в котором происходит превращение внутренней энергии топлива, которое сгорает, в механическую работу.

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: нагревателя , рабочего тела (газ, жидкость и др.) и холодильника . В основе работы двигателя лежит циклический процесс (это процесс, в результате которого система возвращается в исходное состояние).

Прямой цикл теплового двигателя

Общее свойство всех циклических (или круговых) процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q 1 (происходит расширение) и отдает холодильнику количество теплоты Q 2 , когда возвращается в исходное состояние и сжимается. Полное количество теплоты Q=Q 1 -Q 2 , полученное рабочим телом за цикл, равно работе, которую выполняет рабочее тело за один цикл.

Обратный цикл холодильной машины

При обратном цикле расширение происходит при меньшем давлении, а сжатие - при большем. Поэтому работа сжатия больше, чем работа расширения, работу выполняет не рабочее тело, а внешние силы. Эта работа превращается в теплоту. Таким образом, в холодильной машине рабочее тело забирает от холодильника некоторое количество теплоты Q 1 и передает нагревателю большее количество теплоты Q 2 .

Коэффициент полезного действия

Прямой цикл:

Показатель эффективности холодильной машины:

Цикл Карно

В тепловых двигателях стремятся достигнуть наиболее полного превращения тепловой энергии в механическую. Максимальное КПД.

На рисунке изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном двигателе и в дизельном двигателе. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30%, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Французский физик С.Карно разработал работу идеального теплового двигателя. Рабочую часть двигателя Карно можно представить себе в виде поршня в заполненном газом цилиндре. Поскольку двигатель Карно - машина чисто теоретическая, то есть идеальная , силы трения между поршнем и цилиндром и тепловые потери считаются равными нулю. Механическая работа максимальна, если рабочее тело выполняет цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот цикл называют циклом Карно .

участок 1-2: газ получает от нагревателя количество теплоты Q 1 и изотермически расширяется при температуре T 1
участок 2-3: газ адиабатически расширяется, температура снижается до температуры холодильника T 2
участок 3-4: газ экзотермически сжимается, при этом он отдает холодильнику количество теплоты Q 2
участок 4-1: газ сжимается адиабатически до тех пор, пока его температура не повысится до T 1 .
Работа, которую выполняет рабочее тело - площадь полученной фигуры 1234.

Функционирует такой двигатель следующим образом:

1. Сначала цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром, и идеальный газ расширяется при постоянной температуре. На этой фазе газ получает от горячего резервуара некое количество тепла.
2. Затем цилиндр окружается идеальной теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется, и газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.
3. На третьей фазе теплоизоляция снимается, и газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.
4. Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией, и газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого теплоизоляция удаляется и цикл повторяется вновь с первой фазы.