Благодаря обмену тепла с другими внешними телами. Нагревание происходит обычно благодаря тому, что сгорает топливо, в результате чего получается достаточная температура на нагревательном элементе. В данном случае работа осуществляется благодаря использованию энергии смеси кислорода и топлива. Есть различные виды тепловых двигателей, работа которых основана на нагреве с помощью Солнца, разницы в температурах воды. Однако такие машины не получили достаточного распространения и значения. В эксплуатации сейчас часто можно обнаружить двигатели, использующие выделяющуюся тепловую энергию расщепления атомных ядер в реакторе.
Паросиловые станции
Поршневые паровые (тепловые) двигатели были созданы в конце девятнадцатого века. Через сто лет появились и первые паровые турбины. Как говорит само название, принцип работы основан на паре, обычно водяном, но есть возможность применять даже пары ртути. Турбины на пару устанавливаются на мощных электростанциях и крупных кораблях. Поршневой двигатель же нашел применение разве что в водном транспорте (пароходы и паровозы) и на железной дороге. Для успешной работы самого двигателя на пару необходимы некоторые вспомогательные устройства и машины, что в совокупности составляет паросиловую станцию, в которой циркулируют всегда одни и те же водные потоки. Они трансформируются в специальных котлах в пар, а затем уже пар производит необходимую работу в поршневой машине (или в турбине). Следующим этапом является превращение пара в охлаждаемом барабане в воду (конденсатор). Из него образовавшаяся вода через насос и сборный бак направляется опять в котел, замыкая круговорот водного потока. Обычно котел именуют термином «нагреватель», а конденсатор называют холодильником. Благодаря тому, что внутри установки циркулирует один и тот же поток воды, накипь практически не образуется.
Паровые котлы
Тепловые двигатели на пару (котлы) состоят из непосредственно котла и топки, в которой на колосниковых решеточках сжигается уголь (или, в некоторых, случаях дрова). Применять жидкое топливо можно с помощью его распыления паром в форсунках. Сжатый воздух, который вырывается из узкой трубки, всасывает жидкое топливо, а затем разбрызгивает его в необходимом направлении. Котел состоит из трубок и барабана. Через стены труб передается теплота от топочного газа воде. Изредка вода может находиться снаружи по отношению к трубам, а под ним - одни топочные газы, иногда - наоборот, то есть вода - внутри трубок, а горячий газ их омывает. В таких тепловых двигателях, как паровые котлы, пар перегревается в так называемых змеевиках, при этом он трансформируется в ненасыщенный из насыщенного. Таким образом, уменьшается конденсация паров на стенках турбины и паропроводов, а значит, повышается коэффициент полезного действия самой станции. На котел устанавливают манометр, с помощью которого осуществляется наблюдение за уровнем давления пара. Необходим и специальный клапан, который выпустит нужный объем пара в том случае, когда давление превысит предельную величину. На дне барабана есть приспособления для диагностики уровня воды.
Паровые турбины
Турбины состоят из стальных цилиндров, внутри них расположен вал, а на нем закреплены рабочие колеса, между которыми помещены направляющие лопаты или сопла. Пар, который вырывается между этими лопатками, попадает на лопатки у рабочего колеса, которое вращается и выполняет работу. Причина вращения самого колеса - реакция струи пара. В турбине потоки пара расширяются и охлаждаются, так как входят в нее по очень узким пароходам, а выходят - в широких трубах.
Двигатели внутреннего сгорания
Крайне распространенные тепловые двигатели работают на системе внутреннего сгорания и устанавливаются в танках, самолетах, автомобилях, тракторах и так далее. Работать они могут на разном топливе: керосин, бензин, сжатый горючий газ. Основная часть двигателя такого типа - это набор цилиндров. Внутри них и происходит сжигание какого-либо топлива. В цилиндре двигается поршень, который являет собой полый и закрытый только с одной стороны цилиндр. Поршень опоясан пружинами в виде колец. Их назначение - не пропустить газ, образованный во время сгорания топлива, в промежутки между самим поршнем и стенами цилиндра. Верхние части цилиндров связаны с закрытыми через клапаны каналы. Через них впускаются горячие смеси, а также выбрасываются отходы сгорания. Кроме этих клапанов сверху помещена свеча. Она является приспособлением, с помощью которого производится зажигание горючей смеси через полученную от электрических приборов (бобины или магнето) искры.
Карбюратор
Важная часть тепловых двигателей, которые работают на принципе внутреннего сгорания, - это карбюратор. Если впускной клапан в цилиндре открыт, то поршень двигается к валу, и воздух входит через отверстие. Воздушные массы проходят мимо трубки, соединенной с камерой, в которой находится бензин. Воздух с большой скоростью проходит возле конца трубки, всасывает бензин, а затем его распыляет. То есть образовывается горючая смесь, которая состоит из паров бензина и воздуха. Приток этой смеси в цилиндр ограничен дроссельными заслонками.
Такты работы двигателя
Есть всего четыре основных такта работы машины внутреннего сгорания:
- Всасывание. Во время первого такта открывается клапан, поршень засасывает горючую смесь в цилиндр из карбюратора.
- Сжатие. Во втором такте клапан впускной закрывается, а поршень двигается вверх и сжимает смесь, нагревая ее таким образом.
- Сгорание. После того как поршень достигнет положения вверху, смесь зажигается при помощи получаемой от свечи электрической искры. Сила давления раскаленного газа выталкивает поршень вниз. Это движение передается валу, и совершается работа.
- Выпуск (он же выхлоп). Открывается клапан выпускной, и все отработанные продукты сгорания выбрасывается в атмосферу через глушитель.
Из всех четырех тактов (во время которых происходит только два оборота вала) лишь третий - рабочий. Именно поэтому одноцилиндровый тепловой двигатель снабжают маховиком, который раскручивается и вращается во время всех других таков. Одноцилиндровый двигатель устанавливают разве что на мотоциклы. На автомобилях ставят более четырех цилиндров. При этом их устанавливают таким образом, чтобы хотя бы один из цилиндров был в работе на каждый такт. Для старта двигателя используют электромотор, который питается от стартера (аккумулятора).
Дизельные двигатели
В дизельной машине сжимается не смесь, а просто воздух, причем сжатие происходит многократное, а воздух нагревается до сотен градусов Цельсия. После завершения процесса сжатия в цилиндр вбрызгивают уже и жидкое топливо с помощью форсунки, которая работает от нагнетаемого компрессорами сжатого воздуха. Разбрызганная нефть зажигается благодаря высоким температурам. В это время происходит полезная работа, а затем - выброс отработанного газа. Дизели применяют в тепловозах, грузовиках, тракторах.
Реактивный двигатель
Такие тепловые машины по существу являются двигателями внутреннего сгорания, однако в них применяют так называемую реактивную струю. Сам двигатель находится в цилиндрическом корпусе. В переднее его отверстие входит воздух. Затем в компрессоре воздушный поток проходит вдоль оси самого двигателя. После компрессии поток попадает в камеру с горючим, где и образовывается горючая смесь, которая загорается. Таким образом, получаются высокотемпературные газы, которые движутся затем к выходным соплам, приводя в движение газовую турбину. Данные газы имеют невероятную скорость.
«Физика - 10 класс»
Что такое термодинамическая система и какими параметрами характеризуется её состояние.
Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.
Именно создание теории тепловых двигателей и привело к формулированию второго закона термодинамики.
Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии ещё недостаточно. Необходимо так же уметь за счёт 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 .
Тепловые двигатели - это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую работу.
Принцип 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 счёт повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.
Одна из основных частей двигателя - сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T 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 .
Роль холодильника.
По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т 2 , которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Её называют температурой холодильника . Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара - конденсаторы . В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры окружающего воздуха.
Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть тепла неизбежно передаётся холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин.
Эта часть внутренней энергии топлива теряется. Тепловой двигатель совершает работу за счёт внутренней энергии рабочего тела. Причём в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику). Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 13.13.
Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q 1 , совершает работу А" и передаёт холодильнику количество теплоты Q 2 < Q 1 .
Для того чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо рабочее тело вернуть в начальное состояние, при котором температура рабочего тела равна Т 1 . Отсюда следует, что работа двигателя происходит по периодически повторяющимся замкнутым процессам, или, как говорят, по циклу.
Цикл - это ряд процессов, в результате которых система возвращается в начальное состояние.
Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя.
Невозможность полного превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в природе. Если бы тепло могло самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя. Второй закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом:
Второй закон термодинамики:
невозможно создать вечный двигатель второго рода, который полностью превращал бы теплоту в механическую работу.
Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:
А" = Q 1 - |Q 2 | , (13.15)
где Q 1 - количество теплоты, полученной от нагревателя, a Q2 - количество теплоты, отданной холодильнику.
Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют отношение работы А", совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя:
Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передаётся холодильнику, то η < 1.
Максимальное значение КПД тепловых двигателей.
Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , а также определить пути его повышения.
Впервые максимально возможный КПД теплового двигателя вычислил французский инженер и учёный Сади Карно (1796-1832) в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824).
Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу, состоящему из двух изотерм и двух адиабат, причем эти процессы считаются обратимыми (рис. 13.14). Сначала сосуд с газом приводят в контакт с нагревателем, газ изотермически расширяется, совершая положительную работу, при температуре Т 1 , при этом он получает количество теплоты Q 1 .
Затем сосуд теплоизолируют, газ продолжает расширяться уже адиабатно, при этом его температура понижается до температуры холодильника Т 2 . После этого газ приводят в контакт с холодильником, при изотермическом сжатии он отдаёт холодильнику количество теплоты Q 2 , сжимаясь до объёма 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:
Как следует из формулы (13.17), КПД машины Карно прямо пропорционален разности абсолютных температур нагревателя и холодильника.
Главное значение этой формулы состоит в том, что в ней указан путь увеличения КПД, для этого надо повышать температуру нагревателя или понижать температуру холодильника.
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: 
Процессы, из которых состоит цикл реальной тепловой машины, не являются обратимыми.
Формула (13.17) даёт теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем больше разность температур нагревателя и холодильника.
Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1. Кроме этого доказано, что КПД, рассчитанный по формуле (13.17), не зависит от рабочего вещества.
Но температура холодильника, роль которого обычно играет атмосфера, практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твёрдое 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 счёт уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д.
Для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т 1 - 800 К и Т 2 - 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно 62 % (отметим, что обычно КПД измеряют в процентах). Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40 %. Максимальный КПД - около 44% - имеют двигатели Дизеля.
Охрана окружающей среды.
Трудно представить современный мир без тепловых двигателей. Именно они обеспечивают нам комфортную жизнь. Тепловые двигатели приводят в движение транспорт. Около 80 % электроэнергии, несмотря на наличие атомных станций, вырабатывается с помощью тепловых двигателей.
Однако при работе тепловых двигателей происходит неизбежное загрязнение окружающей среды. В этом заключается противоречие: с одной стороны, человечеству с каждым годом необходимо всё больше энергии, основная часть которой получается за счёт сгорания топлива, с другой стороны, процессы сгорания неизбежно сопровождаются загрязнением окружающей среды.
При сгорании топлива происходит уменьшение содержания кислорода в атмосфере. Кроме этого, сами продукты сгорания образуют химические соединения, вредные для живых организмов. Загрязнение происходит не только на земле, но и в воздухе, так как любой полёт самолёта сопровождается выбросами вредных примесей в атмосферу.
Одним из следствий работы двигателей является образование углекислого газа, который поглощает инфракрасное излучение поверхности Земли, что приводит к повышению температуры атмосферы. Это так называемый парниковый эффект. Измерения показывают, что температура атмосферы за год повышается на 0,05 °С. Такое непрерывное повышение температуры может вызвать таяние льдов, что, в свою очередь, приведёт к изменению уровня воды в океанах, т. е. к затоплению материков.
Отметим ещё один отрицательный момент при использовании тепловых двигателей. Так, иногда для охлаждения двигателей используется вода из рек и озёр. Нагретая вода затем возвращается обратно. Рост температуры в водоёмах нарушает природное равновесие, это явление называют тепловым загрязнением.
Для охраны окружающей среды широко используются различные очистительные фильтры, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, совершенствуются конструкции двигателей. Идёт непрерывное усовершенствование топлива, дающего при сгорании меньше вредных веществ, а также технологии его сжигания. Активно разрабатываются альтернативные источники энергии, использующие ветер, солнечное излучение, энергию ядра. Уже выпускаются электромобили и автомобили, работающие на солнечной энергии.
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 V 1 abcV 2 – это работа прямого хода, площадь V 2 cdaV 1 – 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:
А=Q 1 — |Q 2 |
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.
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):
Работу многих видов машин характеризует такой важный показатель, как КПД теплового двигателя. Инженеры с каждым годом стремятся создавать более совершенную технику, которая при меньших давала бы максимальный результат от его использования.
Устройство теплового двигателя
Прежде чем разбираться в том, что такое необходимо понять, как же работает этот механизм. Без знания принципов его действия нельзя выяснить сущность этого показателя. Тепловым двигателем называют устройство, которое совершает работу благодаря использованию внутренней энергии. Любая тепловая машина, превращающая в механическую, использует тепловое расширение веществ при повышении температуры. В твердотельных двигателях возможно не только изменение объема вещества, но и формы тела. Действие такого двигателя подчинено законам термодинамики.
Принцип функционирования
Для того чтобы понять, как же работает тепловой двигатель, необходимо рассмотреть основы его конструкции. Для функционирования прибора необходимы два тела: горячее (нагреватель) и холодное (холодильник, охладитель). Принцип действия тепловых двигателей (КПД тепловых двигателей) зависит от их вида. Зачастую холодильником выступает конденсатор пара, а нагревателем — любой вид топлива, сгорающий в топке. КПД идеального теплового двигателя находится по такой формуле:
КПД = (Тнагрев. - Тхолод.)/ Тнагрев. х 100%.
При этом КПД реального двигателя никогда не сможет превысить значения, полученного согласно этой формуле. Также этот показатель никогда не превысит вышеупомянутого значения. Чтобы повысить КПД, чаще всего увеличивают температуру нагревателя и уменьшают температуру холодильника. Оба эти процесса будут ограничены реальными условиями работы оборудования.
При функционировании теплового двигателя совершается работа, по мере которой газ начинает терять энергию и охлаждается до некой температуры. Последняя, как правило, на несколько градусов выше окружающей атмосферы. Это температура холодильника. Такое специальное устройство предназначено для охлаждения с последующей конденсацией отработанного пара. Там, где имеются конденсаторы, температура холодильника иногда ниже температуры окружающей среды.
В тепловом двигателе тело при нагревании и расширении не способно отдать всю свою внутреннюю энергию для совершения работы. Какая-то часть теплоты будет передана холодильнику вместе с или паром. Эта часть тепловой неизбежно теряется. Рабочее тело при сгорании топлива получает от нагревателя определенное количество теплоты Q 1 . При этом оно еще совершает работу A, в ходе которой передает холодильнику часть тепловой энергии: Q 2 КПД характеризует эффективность двигателя в сфере преобразования и передачи энергии. Этот показатель часто измеряется в процентах. Формула КПД: η*A/Qx100 %, где Q — затраченная энергия, А — полезная работа. Исходя из закона сохранения энергии, можно сделать вывод, что КПД будет всегда меньше единицы. Другими словами, полезной работы никогда не будет больше, чем на нее затрачено энергии. КПД двигателя — это отношение полезной работы к энергии, сообщенной нагревателем. Его можно представить в виде такой формулы: η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1 , где Q 1 — теплота, полученная от нагревателя, а Q 2 — отданная холодильнику. Работа, совершаемая тепловым двигателем, рассчитывается по такой формуле: A = |Q H | - |Q X |, где А — работа, Q H — количество теплоты, получаемое от нагревателя, Q X — количество теплоты, отдаваемое охладителю. |Q H | - |Q X |)/|Q H | = 1 - |Q X |/|Q H | Он равняется отношению работы, которую совершает двигатель, к количеству полученной теплоты. Часть тепловой энергии при этой передаче теряется. Максимальное КПД теплового двигателя отмечается у прибора Карно. Это обусловлено тем, что в указанной системе он зависит только лишь от абсолютной температуры нагревателя (Тн) и охладителя (Тх). КПД теплового двигателя, работающего по определяется по следующей формуле: (Тн - Тх)/ Тн = - Тх - Тн. Законы термодинамики позволили высчитать максимальный КПД, который возможен. Впервые этот показатель вычислил французский ученый и инженер Сади Карно. Он придумал тепловую машину, которая функционировала на идеальном газу. Она работает по циклу из 2 изотерм и 2 адиабат. Принцип ее работы довольно прост: к сосуду с газом подводят контакт нагревателя, вследствие чего рабочее тело расширяется изотермически. При этом оно функционирует и получает определенное количество теплоты. После сосуд теплоизолируют. Несмотря на это, газ продолжает расширяться, но уже адиабатно (без теплообмена с окружающей средой). В это время его температура снижается до показателей холодильника. В этот момент газ контактирует с холодильником, вследствие чего отдает ему определенное количество теплоты при изометрическом сжатии. Потом сосуд снова теплоизолируют. При этом газ адиабатно сжимается до первоначального объема и состояния. В наше время существует много типов тепловых двигателей, которые работают по разным принципам и на различном топливе. У всех у них свой КПД. К ним относятся следующие: Двигатель внутреннего сгорания (поршневой), представляющий собой механизм, где часть химической энергии сгорающего топлива переходит в механическую энергию. Такие приборы могут быть газовыми и жидкостными. Различают 2- и 4-тактные двигатели. У них может быть рабочий цикл непрерывного действия. По методу приготовления смеси топлива такие двигатели бывают карбюраторными (с внешним смесеобразованием) и дизельными (с внутренним). По видам преобразователя энергии их разделяют на поршневые, реактивные, турбинные, комбинированные. КПД таких машин не превышает показателя в 0,5. Двигатель Стирлинга — прибор, в котором рабочее тело находится в замкнутом пространстве. Он является разновидностью двигателя внешнего сгорания. Принцип его действия основан на периодическом охлаждении/нагреве тела с получением энергии вследствие изменения его объема. Это один из самых эффективных двигателей. Турбинный (роторный) двигатель с внешним сгоранием топлива. Такие установки чаще всего встречаются на тепловых электрических станциях. Турбинный (роторный) ДВС используется на тепловых электрических станциях в пиковом режиме. Не так сильно распространен, как другие. Турбиновинтовой двигатель за счет винта создает некоторую часть тяги. Остальное он получает за счет выхлопных газов. Его конструкция представляет собой роторный двигатель на вал которого насаживают воздушный винт. Ракетные, турбореактивные и которые получают тягу за счет отдачи выхлопных газов. Твердотельные двигатели используют в качестве топлива твердое тело. При работе изменяется не его объем, а форма. При эксплуатации оборудования используется предельно малый перепад температуры. Возможно ли повышение КПД теплового двигателя? Ответ нужно искать в термодинамике. Она изучает взаимные превращения разных видов энергии. Установлено, что нельзя всю имеющуюся механическую и т. п. При этом преобразование их в тепловую происходит без каких-либо ограничений. Это возможно из-за того, что природа тепловой энергии основана на неупорядоченном (хаотичном) движении частиц. Чем сильнее разогревается тело, тем быстрее будут двигаться составляющие его молекулы. Движение частиц станет еще более беспорядочным. Наряду с этим все знают, что порядок можно легко превратить в хаос, который очень трудно упорядочить.Работа теплового двигателя
Двигатель Карно
Разновидности
Другие виды тепловых двигателей
Как можно повысить КПД
