Элемент теплового двигателя совершающий работу

Элемент теплового двигателя совершающий работу

Принцип работы теплового двигателя

Тепловой двигатель преобразует внутреннюю энергию тела в механическую энергию.

Сверяясь со вторым законом термодинамики, тепловой двигатель может непрерывно совершать периодически повторяющуюся механическую работу за счет охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего тела (нагревателя), но и отдает теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Таким образом, по определению, на совершение работы идет только часть теплоты, полученная от нагревателя.

Как устроен тепловой двигатель

Тепловой двигатель состоит из следующих элементов:

• Рабочее тело (газ или пар), совершающее работу.
• Нагреватель, сообщающий теплоту рабочему телу.
• Холодильник, принимающий часть теплоты от рабочего тела.

Совершаемая работа равна:

КПД теплового двигателя:

Заметим, что, по определению Q₂ > 0 , следовательно, исходя из последней формулы, КПД всегда меньше 100%.

Цикл Карнó — идеальный (то есть без потерь, например, на трение) круговой обратимый процесс, состоящий из двух изотермических и адиабатических процессов.

В 1824 г. французский ученый Н.Л.С. Карно рассмотрел процесс с максимально возможным КПД в своей работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». В своей работе он провел анализ, почему тепловые машины того времени имели низкий КПД ( График цикла Карно

Цикл Карно замкнут.

1-2 — изотерма, теплота переходит от нагревателя к рабочему телу, совершается работа за счет подведенной теплоты.

2-3 — адиабата, происходит охлаждение рабочего тела (температура понижается до температуры холодильника) за счет увеличения его объема, а так как Q = 0 , изменение внутренней энергии рабочего тела полностью переходит в совершение работы.

3-4 — изотерма, теплота Q₂ отдается холодильнику, а также совершается работа.

4-1 — адиабата, происходит сжатие рабочего тела и нагрев до температуры T₁ .

В отличии от обычных тепловых двигателей, КПД двигателя, работающего по циклу Карно, может быть также рассчитан через температуры нагревателя и холодильника:

Вышепредставленная формула через температуры позволяет вычислить максимально возможный КПД тепловой машины при данных значениях температур нагревателя и холодильника. Ее можно использовать либо при вычислении максимально возможного КПД тепловой машины (а не КПД в реальных обстоятельствах), либо при вычислении КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно (так как цикл Карно гарантирует максимально возможный КПД).

Принцип действия и КПД тепловых двигателей в физике

Принцип действия и КПД тепловых двигателей

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Согласно второму началу термодинамики тепловой двигатель может непрерывно совершать периодически повторяющуюся механическую работу за счёт охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего тела (нагревателя), но при этом отдаёт теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Следовательно, на совершение работы идёт не всё количество теплоты, полученное от нагревателя, а только часть её.

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.
Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:
, где — количество теплоты, полученное от нагревателя, — количество теплоты, отданное холодильнику.
Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называется отношение работы , совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передаётся холодильнику, то . КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При двигатель не может работать.
Цикл Карно — это круговой обратимый процесс, состоящий из двух изотермических и двух адиабатических процессов.
Целью исследований Карно было выяснение причин несовершенства тепловых машин того времени (они имели ) и поиски путей их усовершенствования.

Выбор двух изотермических и двух адиабатических процессов был обусловлен тем, что работа газа при изотермическом расширении совершается за счёт внутренней энергии нагревателя, а при адиабатном процессе — за счёт внутренней энергии расширяющегося газа. В этом цикле исключён контакт тел с разной температурой, следовательно, исключена теплопередача без совершения работы.

Цикл Карно — самый эффективный из всех возможных. Его КПД максимален.
На рис. 79 изображены термодинамические процессы цикла. В процессе изотермического расширения (1-2) при температуре работа совершается за счёт изменения внутренней энергии нагревателя, т. е. за счёт подведения к газу количества теплоты :
Охлаждение газа перед сжатием (3-4) происходит при адиабатном расширении (2-3). Изменение внутренней энергии при адиабатном процессе полностью преобразуется в механическую работу:

Рис. 79

Температура газа в результате адиабатического расширения (2-3) понижается до температуры холодильника . В процессе (3-4) газ изотермически сжимается, передавая холодильнику количество теплоты :
Цикл завершается процессом адиабатического сжатия (4-1), при котором газ нагревается до температуры .
Максимальное значение КПД тепловых двигателей, работающих на идеальном газе, по циклу Карно:

(2.26)

Суть формулы (2.26) 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.

Эта лекция взята со страницы лекций по всем темам предмета физика:

Элемент теплового двигателя совершающий работу

Тепловой машиной называется периодический действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне тепла.

Любая тепловая машина работает по принципу кругового (циклического) процесса, т.е. возвращается в исходное состояние (рис. 5.1). Но чтобы при этом была совершена полезная работа, возврат должен быть произведен с наименьшими затратами.

Полезная работа равна разности работ расширения и сжатия, т.е. равна площади, ограниченной замкнутой кривой.

Обязательными частями тепловой машины являются нагреватель (источник энергии), холодильник, рабочее тело (газ, пар).

Зачем холодильник? Так как в тепловой машине реализуется круговой процесс, то вернуться в исходное состояние можно с меньшими затратами, если отдать часть тепла. Или если охладить пар, то его легче сжать, следовательно работа сжатия будет меньше работы расширения. Поэтому в тепловых машинах используется холодильник.

Рис. 5.3

Прямой цикл используется в тепловом двигателе – периодически действующей тепловой машине, совершающей работу за счет полученной извне теплоты. Рассмотрим схему теплового двигателя (рис. 5.3). От термостата с более высокой температурой Т₁, называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты Q₁, а термостату с более низкой температурой Т₂, называемому холодильником, за цикл передается количество теплоты Q₂ и совершается работа A:

.

(5.2.1)

Рис. 5.4

Доступны следующие дополнительные демонстрации: 1. Гидравлическая машина. 2. Гидростатическое давление.

54. Обратимые и необратимые процессы, круговой процесс, тепловые двигатели, холодильные машины.

Всякий термодинамический процесс есть переход системы из одного состояния в другое и такой переход связан с нарушением равновесия системы. Равновесный процесс — процесс, состоящий из непрерывной последовательности равновесных состояний. Такие процессы на диаграмме состояния изображаются сплошной линией. Равновесным может быть только бесконечно медленный процесс. Обратимые процессы – процесс который допускает возвращение системы в исходное состояние, так что система может переходить через те же промежуточные состояния но в обратной последовательности, при этом, возвращаясь в исходное состояние, тела взаимодействуют с системой. Обратимые – бесконечно медленное расширение, сжатие газа. Необратимые – расширение газа в вакууме, явления теплопроводности, диффузии. Как правило все процессы необратимы. Круговым процессом(циклом) называется равновесный процесс, при котором система после ряда изменений возвращается в исходное состояние. Изобразим цикл на диаграмме pV:

На участке 1-2-3 газ расширяется, при этом, получая некоторое количество тепла (Q₁) и совершает работу, численно равную площади вертикально заштрихованной фигуры. На участке 3-4-1 газ сжимается и совершает отрицательную работу, или над газом совершается положительная работа, при этом от газа отводится некоторое количество тепла(Q₂). Работа совершаемая над газом численно равна площади горизонтально заштрихованной фигуры. После выполнения цикла газ возвращается в исходное состояние (dU=0) и 1-ое начало термодинамики имеет вид: δQ=δA ; Работа δA численно равна площади фигуры 1-2-3-4, а

δQ= Q₁— Q₂ ; Прямым циклом называется равновесный круговой процесс, когда расширение газа происходит при давлениях больших, чем при сжатиях, т. е. на диаграмме pV такой цикл происходит в направлении движения часовой стрелки. В прямом цикле работа газа положительна и по такому циклу работают тепловые машины, при этом работа (δA) совершается за счет тепла (δQ) сообщенного газу. Обратный цикл протекает в направлении противоположном движению часовой стрелки, по обратному циклу работают холодильные машины, тогда работа газа отрицательна и от газа отводят некоторое количество тепла.

Тепловой машиной называют периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет тепла получаемого извне.

Основные элементы тепловой машины:

—рабочее тело вещество

Пусть Q₁ это тепло получаемое от нагревателя рабочим телом на участке1-2-3 , Q₂ – тепло возвращаемое рабочим телом холодильнику, тогда на работу затрачивается тепло δQ= Q₁— Q₂

Вводится КПД (η) – отношение полезно использованного тепла (Q₁— Q₂) к теплу Q₁ полученного от нагревателя.

КПД – отношение механической работы совершаемой тепловой машиной за один цикл к количеству тепла отнятого от нагревателя.

КПД паровоза 7%, трансформатора 98% η не больше 1

Холодильный коэффициент (ε) применяется для характеристики цикла при котором происходит перенос тепла от холодного к горячему телу. Холодильный коэффициент – отношение тепла (Q₂) отнятого от охлаждаемого тела к работе (А) затрачиваемой на приведение машины в действие: ε = Q₂/А= Q₂/ Q₁— Q₂ ε > 1

Холодильная машина отбирает за один цикл от тела с температурой Т₂ количество тепла Q₂ и отдает телу с более высокой температурой Т₁ количество тепла Q₁, для обратимого обратного цикла Карно холодильный коэффициент максимален и равен: ε =Т₂/(Т₁-Т₂)

Energy
education

сайт для тех, кто хочет изучать энергетику

Двигатели и нагнетатели

Тепловые двигатели

Тепловой двигатель — устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры.

1. Общие сведения

Паровые машины. В середине XVII века были сделаны первые попытки перехода к машинному производству, потребовавшие создания двигателей, не зависящих от местных источников энергии (воды, ветра и пр.). Первым двигателем, в котором использовалось тепловая энергия химического топлива стала пароатмосферная машина, изготовленная по проектам французского физика Дени Папена и английского механика Томаса Севери. Эта машина была лишена возможности непосредственно служить механическим приводом, к ней «прилагалось в комплект» водяное мельничное колесо (по-современному говоря, водяная турбина), которое вращала вода, выжимаемая паром из котла паровой машины в резервуар водонапорной башни. Котел то подогревался паром, то охлаждался водой: машина действовала периодически.

В 1763 году русский механик Иван Иванович Ползунов изготовил по собственному проекту стационарную паровую машину непрерывного действия. В ней были сдвоены два цилиндра, поочерёдно заполнявшиеся паром, и также подающими воду на башню, но — постоянно.

К 1784 году английский механик Джеймс Уатт создал более совершенную паровую машину, названную универсальным паровым двигателем. Уатт с детства работал подручным на машине конструкции Севери. В его задачу входило постоянно переключать краны подачи пара и воды на котел. Эта однообразная работа изрядно надоела изобретателю и побудила изобрести как поршень двойного хода, так и автоматическую клапанную коробку (потом и центробежный предохранитель). В машине был предусмотрен в цилиндре жесткий поршень, по обе стороны которого поочередно подавался пар. Все происходило в автоматическом режиме и непрерывно. Поршень вращал через кривошипно—шатунную систему маховик, обеспечивающий плавность хода. Паровая машина могла теперь стать приводом различных механизмов и перестала быть привязана к водонапорной башне.

Элементы, придуманные Уаттом, входили в той или иной форме во все паровые машины. Паровые машины совершенствовали и применяли для решения различных технических задач: привода станков, судов, экипажей для перевозки людей по дорогам, локомотивов на железных дорогах. К 1880 году суммарная мощность всех работавших паровых машин превысила 26 млн кВт (35 млн л.с.).

Цикл Карно — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Цикл Карно назван в честь французского физика Сади Карно, который впервые его исследовал в 1824 году. Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропия адиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.

В 1816 шотландец Роберт Стирлинг предложил двигатель внешнего сгорания, называемый сейчас его именем Двигатель Стирлинга. В этом двигателе рабочее тело (воздух или иной газ) заключен в герметичный объём. Здесь осуществлен цикл по типу цикла Севери («до-Уаттовского»), но нагрев рабочего тела и его охлаждение производятся в различных объёмах машины и сквозь стенки рабочих камер. Природа нагревателя и охладителя для цикла не имеют значения, а потому он может работать даже в космосе и от любого источника тепла. КПД созданных сейчас стирлингов невелик. Теоретически он должен раза в 2 превышать КПД для ДВС, а практически — это примерно одинаковые величины. Но у стирлингов есть ряд других преимуществ, которые способствовали развитию исследований в этом направлении.

Двигатели внешнего сгорания — класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела. К этому классу относятся паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга, газовые турбины внешнего сгорания, а также другие типы двигателей. Долгое время были неоправданно забыты, в последнее время находят всё большее применение, в основном из-за таких своих особенностей как возможность использования любых источников тепла (например, солнечной или ядерной энергии), нетребовательность к виду топлива.

Двигатель внутреннего сгорания. Проект первого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) принадлежит известному изобретателю часового анкера Христиану Гюйгенсу и предложен ещё в XVII веке. Интересно, что в качестве топлива предполагалось использовать порох, а сама идея была подсказана артиллерийским орудием. Все попытки Дениса Папена (упомянутого выше, как создатель первой паровой машины) построить машину на таком принципе, успехом не увенчались. Первый надёжно работавший ДВС сконструировал в 1860 году французский инженер Эжен Ленуар. Двигатель Ленуара работал на газовом топливе. Спустя 16 лет немецкий конструктор Николас Отто создал более совершенный 4-тактный газовый двигатель. В этом же 1876 году шотландский инженер Дугальд Кларк испытал первый удачный 2-тактный двигатель. Совершенствованием ДВС занимались многие инженеры и механики. Так, в 1883 году немецкий инженер Карл Бенц изготовил использованный им в дальнейшем 2-тактный ДВС. В 1897 году его соотечественник и тоже инженер Рудольф Дизель предложил ДВС с воспламенением рабочей смеси в цилиндре от сжатия воздуха, названный впоследствии дизелем. В XX веке ДВС стал основным двигателем в автомобильном транспорте. В 70-х годах почти 80 % суммарной мощности всех существовавших ДВС приходилось на транспортные машины (автомобили, трактора и пр.). Параллельно шло совершенствование гидротурбин, применявшихся на гидроэлектростанциях. Их мощность в 70-х годах XX века превысила 600 МВт.

Поршневые двигатели — камерой сгорания является цилиндр, где химическая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из возвратно-поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма.

Бензиновые двигатели — смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе и далее во впускном коллекторе, или во впускном коллекторе при помощи распыляющих форсунок (механических или электрических), далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. Основная характерная особенность топливо-воздушной смеси в этом случае — её гомогенизированность. Чем более однородной по составу является смесь, тем более качественно идёт процесс сгорания.

Дизельные двигатели — специальное дизельное топливо впрыскивается в цилиндр под высоким давлением. Горючая смесь образуется (и сразу же сгорает) непосредственно в цилиндре по мере впрыска порции топлива. Воспламенение смеси происходит под действием высокой температуры воздуха, подвергшегося сжатию в цилиндре.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, конструкция которого разработана в 1957 году инженером компании NSU Вальтером Фройде, ему же принадлежала идея этой конструкции. Двигатель разрабатывался в соавторстве с Феликсом Ванкелем, работавшим над другой конструкцией роторно-поршневого двигателя.

Реактивный двигатель — тепловой реактивный двигатель, в качестве рабочего тела которого используется атмосферный воздух, нагреваемый за счёт химической реакции окисления горючего кислородом, содержащимся в самом рабочем теле. Реактивные двигатели используются, как правило, для приведения в движение воздушных летательных аппаратов.

Газотурбинный двигатель — тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. В отличие от поршневого двигателя, в газотурбинном двигателе процессы происходят в потоке движущегося газа.

В первой половине XX века. создали новые типы первичных двигателей: газовые турбины, реактивные двигатели, а в 50-х и ядерные силовые установки. Процесс совершенствования и изобретения первичных двигателей продолжается.

Администратор сайта: Колосов Михаил
email:
Copyright © 2011-2021. All rights reserved.