Тепловой двигатель это устройство преобразующее внутреннюю энергию

24.2. а) Что означает фраза: «КПД идеального устройства равен 100%»?
Вся полученная устройством теплота идет на совершение работы
б) Каковы приблизительные значения КПД двигателей внутреннего сгорания?
20 – 30%
в) Что означает фраза: «КПД паровой турбины примерно равен 30%»?
На совершение работы идет лишь 30% всей полученной турбиной энергией

24.3. Трактор двигался с постоянной скоростью, развивая мощность N = 60 кВт. При этом за t = 15 мин работы им было истрачено m = 4 кг топлива. Удельная теплота сгорания топлива составляет q = 43000 кДж/кг. Определите КПД теплового двигателя трактора (в % с точностью до целых).

24.4. Снегоход, двигаясь равномерно, развивает мощность 18 кВт, сжигая при этом за четверть часа 2 кг топлива. Удельная теплота сгорания топлива 42000 кДж/кг. Определите КПД теплового двигателя снегохода. Ответ (в %) округлите до целых.

24.5. Мотоцикл, двигаясь равномерно, развивает мощность 13 кВт, сжигая за каждые 10 мин 400 г бензина. Определите КПД двигателя внутреннего сгорания мотоцикла (в %). Ответ округлите до целых. Недостающие данные найдите в таблице 2 учебника.

24.6. Представьте в виде диаграммы значения КПД тепловых двигателей трактора, снегохода и мотоцикла, полученные при решении задач 24.3 – 24.5.

Принцип работы теплового двигателя

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

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.

Тепловые двигатели

Тепловой двигатель – это устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу.

Иногда дается такое определение:

Тепловой двигатель преобразует внутреннюю энергию рабочего тела в механическую.

Итак, для теплового двигателя необходимо рабочее тело (газ или пар), нагреватель. Кроме того, в системе должна быть разница температур, чтобы рабочее тело, после совершения работы, могло отдать теплоту; то есть кроме нагревателя, нужен холодильник.

Классификация тепловых двигателей

Различие между теплотой и внутренней энергией условно, оно принято в термодинамике, отражает специфику рассматриваемых этой наукой объектов. Если пар в котле нагревается внешним источником, или система охлаждается, отдавая тепло в окружающую среду, то говорят о поступающей извне или отдаваемой в окружающую среду теплоте. Если в цилиндре воспламеняется бензин, и расширяющийся газ толкает поршень, то говорят о преобразовании внутренней энергии рабочего тела.

В связи с этим термодинамике принята классификация устройств:

Двигатели внешнего сгорания, преобразующие внешнюю теплоту (паровая машина, паровая турбина)
Двигатели внутреннего сгорания, преобразующие внутреннюю энергию топлива (ДВС, реактивный двигатель)

Первый двигатель внешнего сгорания был изобретен в древнем Риме. Пар, направленный по изогнутым трубам из сферы с кипящей водой, заставлял ее вращаться. Это был просто эффектный эксперимент, игрушка, ее не использовали для работы. Производство машин и применение их в промышленности не было актуально при рабовладении, оно началось тогда, когда стало экономически выгодным.
Отметим, что к тепловым двигателям относятся устройства с принципиальными различиями в конструкции и логике работы: турбина, реактивный двигатель и циклические двигатели.

Термодинамика, как наука, сформировалась в процессе работы над цикличными двигателями. В следующем разделе пойдет речь о цикличных двигателях, их КПД, а также о втором начале термодинамики.

Преобразование энергии в тепловых двигателях

Создание парового двигателя ознаменовало начало научно-технической революции, но сами паровые двигатели поначалу были несовершенны. Они развивали большую мощность, но потребляли слишком много топлива.

Если сравнить работу первых двигателей с тягловой силой лошади, то окажется, что лошадь гораздо эффективнее использует «горючее» — овес и сено. Ученые отмечали, что организм «сжигает» еду: ведь человек и животные вдыхают кислород, а выдыхают углекислый газ и водяной пар; так же поступает топка с горящими дровами.

Именно тогда научились считать калории. Энергию пищи оценили по тому количеству теплоты, которая выделится при ее сжигании. По шкале «калорийности» можно сравнивать овес, уголь и бензин. И по этой шкале первые паровые двигатели были крайне неэффективны: только 1\% — 2\% сгоревших калорий превращались в полезную работу.

Делались попытки усовершенствовать машины, иногда они давали лучший эффект, иногда худший; требовалась теоретическая база для того, чтобы добиться наилучшего варианта.

Основоположники термодинамики прежде всего решали вопрос: может ли вся теплота, передаваемая паровой машине, преобразоваться в работу? В механике преобразование потенциальной энергии в кинетическую может происходить с очень малыми потерями. В основном мешает трение, но во многих задачах трением можно пренебречь. Представим, что мы так же сведем к нулю трение поршня о цилиндр, непроизводительные потери тепловой энергии. Можно ли представить себе идеальный циклический двигатель, в котором вся теплота переходит в работу?

По первому началу термодинамики, теплота расходуется на работу и увеличение внутренней энергии:

Q = A + DU

Пусть DU = 0. Теплота заставила пар расширяться, пар привел в движение поршень, тот совершил работу. При этом температура пара и его внутренняя энергия не изменилась, Пренебрежем потерями и допустим, что вся теплота перешла в механическую работу: Q = A

Но мы рассматриваем цикличный двигатель. Поршень переместился, совершив работу; теперь его нужно вернуть в исходное состояние.

Если перемещать поршень, сжимая пар, то придется совершить работу не меньшую, чем А. Но это значит, что никого выигрыша не произошло, и коэффициент полезного действия нулевой, даже при отсутствии потерь!

Чтобы уменьшить работу по обратному перемещению поршня, разрешим внутренней энергии меняться. Если пар охладить, его давление уменьшится, и работа по перемещению поршня будет меньше, чем совершенная в рабочем цикле.

Вот эта разность работ и будет полезной отдачей двигателя.

На графике p(v) прямой и обратный ход поршня показан линиями abc и cda, образующими замкнутую фигуру. Площадь замкнутой фигуры abcd соответствует полезной работе. Площадь фигуры V₁abcV₂ – это работа прямого хода, площадь V₂cdaV₁ – соответствует работе обратного хода.

Таким образом, тепловому двигателю нужен не только нагреватель, но и холодильник; чаще всего в роли холодильника выступает окружающая среда, которой передаются остатки тепла

В идеальном случае совершенная за цикл работа соответствует разнице между теплотой, которое имело нагретое рабочее тело, и той теплотой, которая осталась у рабочего тела после охлаждения:

Коэффициент полезного действия идеального двигателя равен отношению работы к полученной от нагревателя теплоте:

Эта формула показывает предел КПД, который не может быть превышен тепловым двигателем при определенных параметрах нагревателя и холодильника. Реальный КПД двигателя зависит от его конструкции, и он всегда меньше идеального значения.

Итак, КПД двигателя всегда меньше единицы, поскольку часть тепловой энергии должна отдаваться холодильнику. Это является отражением второго начала термодинамики

Одна из формулировок второго начала термодинамики:

Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара. (Такой процесс называется процессом Томсона).

Адиабатный процесс и цикл Карно

При конструировании теплового двигателя важную роль сыграло понимание адиабатного процесса.

Адиабатный процесс в идеальном газе происходит без обмена теплотой с окружающей средой.

Математическая формула адиабатного процесса:

p*V k = const

где p – давление, V – объем, k – показатель адиабаты, равный отношению теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме.

Рассмотрим, как применяется адиабатный процесс в термодинамике.

Задача конструкторов при разработке двигателя – приблизиться к идеальному значению КПД. Для этого нужно определить наилучший термический цикл тепловой машины и конструкцию, соответствующую двигателю с таким циклом.

Правило для тепловых машин сформулировал в 1824 году Санди Карно, французский ученый. В своей теоретической модели он использовал свойства идеального газа.

Его идея заключалась в том, чтобы расширение газа при прямом ходе шло изотермически, без изменения температуры, и так же изотермически, но при пониженной температуре, происходило сжатие газа при обратном ходе.

Для перехода между верхней и нижней изотермами Карно предложил использовать адиабатическое расширение и адиабатическое сжатие.

Наиболее наглядно цикл Карно изображается на TS диаграмме, по которой можно оценить изменение энтропии системы и ее температуры:

Изменение объема и давления при цикле Карно можно видеть на PS диаграмме:

Изображение цикла на TS диаграмме показывает зависимость КПД от абсолютных значений температуры нагревателя и холодильника:

Последняя формула позволяет сделать важный вывод: КПД двигателя зависит от абсолютной температуры холодильника, и наибольший КПД=1 может быть достигнут только при температуре холодильника T_X = 0°K, или t= -273°C.

Реальный тепловой двигатель имеет меньший КПД, чем идеальный двигатель Карно, поскольку обеспечить полностью адиабатный процесс, без теплообмена с окружающей средой, невозможно. Кроме того, изотермическое расширение и сжатие реального газа возможно только при достаточно медленных процессах, а их ускорение приводит к изменению температуры.

Теория и практика

Как отразились работы теоретиков на качестве паровых двигателей? Начался быстрый процесс совершенствования этой техники. В семидесятые годы девятнадцатого века паровозы отчаянно дымили и имели КПД = 3\%, а в 1910 году паровозы дымили не меньше, но имели КПД = 7-9\%. Это большой прогресс, но подняться выше при разработке паровых машин не удалось.

На смену паровозам пришли двигатели внутреннего сгорания: их КПД сразу же превысил паровые двигатели, составил 25\%. Современные дизельные двигатели, с электронной системой управления, имеют КПД=40\%.

Является ли это пределом? Для двигателей внутреннего сгорания, пожалуй, является. Но есть более производительные тепловые машины: это турбины. Нагретый газ, непрерывной струей вырываясь из сопла, вращает турбину; это не цикличный, а постоянный процесс, и при его реализации без особого труда достигается КПД=60\%. Недаром сейчас активно разрабатываются турбодвигатели.