Что называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя


Урок 25. тепловые двигатели. кпд тепловых двигателей - Физика - 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 25. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Понятие теплового двигателя;

2)Устройство и принцип действия теплового двигателя;

3)КПД теплового двигателя;

4) Цикл Карно.

Глоссарий по теме

Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Двигатель внутреннего сгорания – двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя.

Реактивный двигатель – двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Цикл Карно – это идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов.

Нагреватель – устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет на совершение работы.

Холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела (окружающая среда или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара, т.е. конденсаторы).

Рабочее тело - тело, которое расширяясь, совершает работу (им является газ или пар)

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 269 – 273.

2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.: Дрофа,2014. – С. 87 – 88.

Открытые электронные ресурсы по теме урока

http://kvant.mccme.ru/1973/12/teplovye_mashiny.htm

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Сказки и мифы разных народов свидетельствуют о том, что люди всегда мечтали быстро перемещаться из одного места в другое или быстро совершать ту или иную работу. Для достижения этой цели нужны были устройства, которые могли бы совершать работу или перемещаться в пространстве. Наблюдая за окружающим миром, изобретатели пришли к выводу, что для облегчения труда и быстрого передвижения нужно использовать энергию других тел, к примеру, воды, ветра и т.д. Можно ли использовать внутреннюю энергию пороха или другого вида топлива для своих целей? Если мы возьмём пробирку, нальём туда воду, закроем её пробкой и будем нагревать. При нагревании вода закипит, и образовавшие пары воды вытолкнут пробку. Пар расширяясь совершает работу. На этом примере мы видим, что внутренняя энергия топлива превратилась в механическую энергию движущейся пробки. При замене пробки поршнем способным перемещаться внутри трубки, а саму трубку цилиндром, то мы получим простейший тепловой двигатель.

Тепловой двигатель – тепловым двигателем называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

Вспомним строение простейшего двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень. Поршень с помощью шатуна соединяется с коленчатым валом. В верхней части каждого цилиндра имеются два клапана. Один из клапанов называют впускным, а другой – выпускным. Для обеспечения плавности хода поршня на коленчатом вале укреплен тяжелый маховик.

Рабочий цикл ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Во время первого такта открывается впускной клапан, а выпускной клапан остается закрытым. Движущийся вниз поршень засасывает в цилиндр горючую смесь.

Во втором такте оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.

В третьем такте, когда поршень оказывается в верхнем положении, смесь поджигается электрической искрой свечи. Воспламенившаяся смесь образует раскаленные газы, давление которых составляет 3 -6 МПа, а температура достигает 1600 -2200 градусов. Сила давления толкает поршень вниз, движение которого передается коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок маховик будет дальше вращаться по инерции, обеспечивая движение поршня и при последующих тактах. Во время этого такта оба клапана остаются закрытыми.

В четвертом такте открывается выпускной клапан и отработанные газы движущимся поршнем выталкиваются через глушитель (на рисунке не показан) в атмосферу.

Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Q1 – количество теплоты полученное от нагревания

Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику

– работа, совершаемая двигателем за цикл.

Этот КПД является реальным, т.е. как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

Зная мощность N и время работы t двигателя работу, совершаемую за цикл можно найти по формуле

Передача неиспользуемой части энергии холодильнику.

В XIX веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ определения КПД (через термодинамическую температуру).

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Сади Карно, выясняя при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из 2 адиабатных и двух изотермических процессов

Цикл Карно - самый эффективный цикл, имеющий максимальный КПД.

Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

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. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1.

Но температура холодильника практически 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 его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

Тепловые двигатели – паровые турбины, устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном – поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном – двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на железнодорожном – тепловозы с дизельными установками; в авиационном – поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

КПД:

Паровой двигатель – 8%.

Паровая турбина – 40%.

Газовая турбина – 25-30%.

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.

Дизельный двигатель – 40– 44%.

Реактивный двигатель – 25%.

Широкое использование тепловых двигателей не проходит бесследно для окружающей среды: постепенно уменьшается количество кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, воздух загрязняется вредными для здоровья человека химическими соединениями. Возникает угроза изменения климата. Поэтому нахождение путей уменьшения загрязнения окружающей среды является сегодня одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.

Примеры и разбор решения заданий

1. Какую среднюю мощность развивает двигатель автомобиля, если при скорости 180 км/ч расход бензина составляет 15 л на 100 км пути, а КПД двигателя 25%?

Дано: v=180км/ч = 50 м/с, V = 15 л = 0,015 м3, s = 100 км = 105 м, ɳ = 25% = 0,25, ρ = 700 кг/м3, q = 46 × 106 Дж/кг.

Найти: N.

Решение:

Запишем формулу для расчёта КПД теплового двигателя:

Работу двигателя, можно найти, зная время работы и среднюю мощность двигателя:

Количество теплоты, выделяющееся при сгорании бензина, находим по формуле:

Учитывая всё это, мы можем записать:

Время работы двигателя можно найти по формуле:

Из формулы КПД выразим среднюю мощность:

.

Подставим числовые значения величин:

После вычислений получаем, что N=60375 Вт.

Ответ: N=60375 Вт.

2. Тепловая машина имеет КПД 25 %. Средняя мощность передачи теплоты холодильнику составляет 4 кВт. Какое количество теплоты рабочее тело получает от нагревателя за 20 с?

Дано: ɳ = 25%, N = 4000 Вт, t = 20 с.

Найти: Q1.

Решение

  =

– это количество теплоты, отданное холодильнику

Тепловая машина - Энергетическое образование

Тепловой двигатель - это тип двигателя (например, двигателя в автомобиле), который производит макроскопическое движение за счет тепла. Когда люди трутся руками, трение превращает механическую энергию (движение наших рук) в тепловую энергию (руки становятся теплее). Тепловые двигатели делают прямо противоположное; они берут энергию из тепла (по сравнению с окружающей средой) и превращают ее в движение. Часто это движение превращается в электричество с помощью генератора.

Почти вся энергия, используемая для транспортировки и электричества, поступает от тепловых двигателей. Горячие предметы, даже газы, обладают тепловой энергией, которую можно превратить во что-то полезное. Тепловые двигатели перемещают энергию из горячего места в холодное и переводят часть этой энергии в механическую. Тепловым двигателям для работы требуется разница температур.

Изучение термодинамики было первоначально вдохновлено попыткой получить как можно больше энергии из тепловых двигателей. [2] По сей день используются различные виды топлива, такие как бензин, уголь и уран. Все эти тепловые двигатели по-прежнему работают в пределах, установленных вторым законом термодинамики. Это означает, что для нагрева газа используются различные виды топлива, и требуется большой резервуар для холода, чтобы избавиться от отработанного тепла. Часто отработанное тепло уходит в атмосферу или в большой водоем (океан, озеро или реку).

В зависимости от типа двигателя используются разные процессы, такие как воспламенение топлива путем сгорания (бензин и уголь) или использование энергии ядерных процессов для производства тепла (уран), но конечная цель одна и та же: переключение тепла в работу.Самый известный пример теплового двигателя - двигатель автомобиля, но большинство электростанций, таких как угольные, газовые и ядерные, также являются тепловыми двигателями.

Двигатель внутреннего сгорания

полная статья

Двигатели внутреннего сгорания являются наиболее распространенной формой тепловых двигателей, поскольку они используются в транспортных средствах, лодках, кораблях, самолетах и ​​поездах. Они названы так потому, что топливо воспламеняется для выполнения работы внутри двигателя. Затем в качестве выхлопных газов выбрасывается та же смесь топлива и воздуха.Хотя это обычно делается с помощью поршня, это также можно сделать с помощью турбины.

На рисунке 1 показан пример двигателя внутреннего сгорания. Этот конкретный тип называется четырехтактным двигателем, который довольно часто встречается в автомобилях.

Внешний тепловой двигатель

полная статья

Внешние тепловые машины, как правило, являются паровыми двигателями, и они отличаются от внутренних тем, что источник тепла отделен от газа, который действительно работает. Эти тепловые двигатели обычно называют двигателями внешнего сгорания, потому что сгорание происходит вне двигателя.Например, внешнее сгорание будет использовать пламя для нагрева воды до пара, а затем использование пара для вращения турбины. Это отличается от внутреннего сгорания, как в двигателе автомобиля, где бензин воспламеняется внутри поршня, работает, а затем выбрасывается.

Ядерные реакторы не имеют горения, поэтому используется более широкий термин внешний тепловой двигатель. Реактор с кипящей водой на рисунке 2 представляет собой внешний тепловой двигатель, как и другие атомные электростанции.

Примеры тепловых двигателей

Внутреннее сгорание

Внешнее сгорание

КПД

основная статья

КПД двигателя - это процент потребляемой энергии, которую двигатель может преобразовать в полезную работу.Уравнение для этого: η = объем работы / затраты энергии. Наиболее эффективные поршневые двигатели работают с КПД около 50%, а средняя угольная электростанция работает с КПД около 33%. Недавно построенные электростанции имеют КПД более 40%.

Меньшие тепловые двигатели, например, в автомобилях, имеют выходную механическую мощность, измеряемую в лошадиных силах. Большие тепловые двигатели, такие как электростанции, измеряют мощность в МВт. Конечно, выходную мощность можно измерить в любых единицах мощности, например в ваттах.

Потребляемая мощность теплового двигателя также является мощностью, часто измеряемой в МВт. С силовой установкой также имеется выходная электрическая мощность. Чтобы различать две мощности, тепловая мощность (входная мощность) измеряется в тепловых мегаваттах (МВт), а для производства электроэнергии выходная мощность измеряется в электрических мегаваттах (МВт). Для тепловых двигателей, которые обеспечивают движение вместо электричества, выходная мощность будет механической.

Когенерация

основная статья

Тепловая машина имеет два побочных продукта: работу и тепло.Цель большинства двигателей - производить работу, а с теплом обращаются просто как с отходами. Когенерация использует отходящее тепло для полезных вещей. Обогреватель в автомобиле работает за счет когенерации - отбирая отработанное тепло от двигателя для нагрева воздуха, который нагревает салон. Вот почему использование автомобильного обогревателя зимой мало влияет на расход бензина, но использование кондиционера летом может стоить примерно 10-20% от расхода бензина автомобиля.

Для дальнейшего чтения

Ссылки

.

Тепловая эффективность - Energy Education

Рис. 1: Объем работы для данного количества тепла дает системе ее тепловой КПД. [1]

Тепловые двигатели превращают тепло в работу. Тепловой КПД выражает долю тепла, которая становится полезной работой. Тепловой КПД представлен символом [math] \ eta [/ math] и может быть рассчитан с помощью уравнения:

[математика] \ eta = \ frac {W} {Q_H} [/ математика]

Где:

[math] W [/ math] - полезная работа и

[math] Q_H [/ math] - это общий ввод тепловой энергии от горячего источника. [2]

Тепловые двигатели часто работают с КПД от 30% до 50% из-за практических ограничений. Тепловые двигатели не могут достичь 100% теплового КПД ([math] \ eta = 1 [/ math]) согласно Второму закону термодинамики. Это невозможно, потому что в тепловом двигателе всегда вырабатывается некоторое количество отработанного тепла, что показано на Рисунке 1 термином [math] Q_L [/ math]. Хотя полная эффективность теплового двигателя невозможна, есть много способов повысить общую эффективность системы.

Пример

Если вводится 200 джоулей тепловой энергии в качестве тепла ([math] Q_H [/ math]), а двигатель выполняет работу 80 Дж ([math] W [/ math]), то эффективность составляет 80J / 200J, что эффективность 40%.

Тот же результат может быть получен путем измерения отходящего тепла двигателя. Например, если в двигатель вложено 200 Дж, а отходящее тепло составляет 120 Дж, то должно быть выполнено 80 Дж работы, что дает КПД 40%.

Эффективность Карно

основная статья

Существует максимально достижимый КПД теплового двигателя, который был определен физиком Сади Карно.Следуя законам термодинамики, уравнение для этого оказывается

[математика] \ eta_ {max} = 1 - \ frac {T_L} {T_H} [/ math]

Где

[math] T_L [/ math] - это температура холодной «раковины» и

[math] T_H [/ math] - это температура теплового резервуара.

Это описывает эффективность идеализированного двигателя, которая в действительности недостижима. [3] Из этого уравнения, чем ниже температура стока [math] T_L [/ math] или чем выше температура источника [math] T_H [/ math], тем больше работы доступно от теплового двигателя.Энергия для работы исходит от уменьшения общей энергии жидкости, используемой в системе. Следовательно, чем больше изменение температуры, тем больше это уменьшение в жидкости и, следовательно, больше энергии, доступной для выполнения работы. [4]

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

  1. ↑ Это изображение было сделано командой Energy Education.
  2. ↑ Механика двигателей ТПУБ. (4 апреля 2015 г.). Тепловой КПД [Онлайн]. Доступно: http://enginemechanics.tpub.com/14075/css/14075_141.htm
  3. ↑ Hyperphysics, Cycle Carnot [Online], Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/carnot.html
  4. ↑ Р. А. Хинрихс и М. Кляйнбах, «Тепло и работа», в книге Энергия: ее использование и окружающая среда , 4-е изд. Торонто, Онтарио. Канада: Томсон Брукс / Коул, 2006, глава 4, раздел E, стр 115
.

15.3 Введение во второй закон термодинамики: тепловые двигатели и их эффективность - College Physics

15.3 Введение во второй закон термодинамики: тепловые двигатели и их эффективность - College Physics | OpenStaxSkip к ContentCollege Physics 15.3 Введение во второй закон термодинамики: тепловые двигатели и их эффективность
  1. Предисловие
  2. 1 Введение: природа науки и физики
    1. Введение в науку и область физики, физических величин и единиц измерения
    2. 1.1 Физика: Введение
    3. 1.2 Физические величины и единицы
    4. 1.3 Точность, прецизионность и значащие числа
    5. 1.4 Приближение
    6. Глоссарий
    7. Краткое содержание раздела
    8. Концептуальные вопросы
    9. Задачи и упражнения
  3. Одномерная кинематика
  4. 2.1 Смещение
  5. 2.2 Векторы, скаляры и системы координат
  6. 2.3 Время, скорость и скорость
  7. 2.4 Ускорение
  8. 2.5 Уравнения движения для постоянного ускорения в одном измерении
  9. 2.6 Основы решения проблем для одномерной кинематики
  10. 2.7 Падающие объекты
  11. 2.8 Графический анализ одномерного движения
  12. Глоссарий
  13. Краткое изложение концепции
  14. Вопросы
  15. Задачи и упражнения
  • 3 Двумерная кинематика
    1. Введение в двумерную кинематику
    2. 3.1 Кинематика в двух измерениях: введение
    3. 3.2 Сложение и вычитание векторов: графические методы
    4. 3.3 Сложение и вычитание векторов: аналитические методы
    5. 3.4 Движение снаряда
    6. 3.5 Добавление скоростей
    7. Глоссарий
    8. Краткое содержание раздела
    9. Задачи и упражнения
  • 4 Динамика: сила и законы движения Ньютона
    1. Введение в динамику: законы движения Ньютона
    2. 4.1 Развитие концепции силы
    3. 4,2 Первый закон движения Ньютона: инерция
    4. 4,3 Второй закон движения Ньютона: концепция системы
    5. 4,4 Третий закон движения Ньютона: симметрия сил
    6. 4,5 Нормаль, напряжение и другие примеры of Forces
    7. 4.6 Стратегии решения проблем
    8. 4.7 Дальнейшие применения законов движения Ньютона
    9. 4.8 Расширенная тема: Четыре основных силы - Введение
    10. Глоссарий
    11. Краткое содержание раздела
    12. Концептуальные вопросы
    13. Задачи и упражнения
  • 5 Дальнейшее применение законов Ньютона: трение, сопротивление и упругость
    1. Введение: дальнейшие применения законов Ньютона
    2. 5.1 Трение
    3. 5.2 Силы сопротивления
    4. 5.3 Упругость: напряжение и деформация
    5. Глоссарий
    6. Резюме раздела
    7. Концептуальные вопросы
    8. Задачи и упражнения
  • 6 Равномерное круговое движение и гравитация Введение в гравитацию
    1. 6.1 Угол поворота и угловая скорость
    2. 6.2 Центростремительное ускорение
    3. 6.3 Центростремительная сила
    4. 6.4 Фиктивные силы и неинерциальные системы координат: сила Кориолиса
    5. 6.5 Универсальный закон тяготения Ньютона
    6. 6.6 Спутники и законы Кеплера: аргумент в пользу простоты
    7. Глоссарий
    8. Резюме раздела
    9. Концептуальные вопросы
    10. Задачи и упражнения
  • 7 Работа, энергия и энергетические ресурсы
      - Введение от
        Работа, энергия и энергетические ресурсы
      1. 7.1 Работа: научное определение
      2. 7.2 Кинетическая энергия и теорема об энергии работы
      3. 7.3 Гравитационная потенциальная энергия
      4. 7.4 Консервативные силы и потенциальная энергия
      5. 7,5 Неконсервативные силы
      6. 7.6 Сохранение энергии
      7. 7,7 Энергия
      8. 7,8 Работа, энергия и мощность у людей
      9. 7.9 Использование энергии в мире
      10. Глоссарий
      11. Краткое содержание раздела
      12. Задачи и упражнения
    1. 8 Линейный импульс и столкновения
      1. Введение в линейный импульс и столкновения
      2. 8.1 Линейный импульс и сила
      3. 8.2 Импульс
      4. 8.3 Сохранение импульса
      5. 8.4 Упругие столкновения в одном измерении
      6. 8.5 Неупругие столкновения в одном измерении
      7. 8,6
    .

    PPT - ГЛАВА 3 ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ Презентация PowerPoint, скачать бесплатно

  • ГЛАВА 3 ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ Stephenson's Rocket, 1829 Современный промышленный дизельный двигатель Промышленная газовая турбина

  • Тепловая энергия (Резюме) • Тепловая энергия или внутренняя энергия являются следствием коллективной кинетической энергии (движения) атомов / молекул в веществе. • Показателем средней скорости частиц является ТЕМПЕРАТУРА вещества • Температура описывается как мера «горячего» или «холодного» объекта. • Количество тепловой энергии зависит от массы (количества частиц) и температура • На шкале температур Кельвина есть абсолютный ноль, все материалы с температурой выше 0K имеют тепловую (внутреннюю) энергию - даже то, что мы называем «холодным» материалом. • Тепловая энергия возникает в результате преобразования многих других форм энергии и обычно последняя форма энергии в преобразованиях цепей, а также в частичных преобразованиях по цепочке.• Для того, чтобы тепло было полезным, оно должно транспортироваться от места, где оно генерируется, туда, где оно необходимо.

  • Тепловая передача • Существует три метода транспортировки тепловой энергии • Проводимость • Конвекция • Излучение • Проводимость • Столкновения между соседними частицы приводят к увеличению тепловой энергии на расстоянии от источника тепла • Например, Кочерга в огне • Передача тепла через дно кастрюли от источника энергии • Передача тепла от печи к котлу • Конвекция (пассивная или принудительная) • Передача тепловой энергии путем физического перемещения материала в массе • E .грамм. Распределение тепловой энергии в воде от дна кастрюли (пассивное) • Распределение горячего воздуха в системе отопления дома (принудительное) • Охлаждение компьютера вентилятором (принудительное) • Излучение • Передача тепловой энергии посредством генерации электромагнитных волны от любого вещества с температурой выше абсолютного нуля • Например, Передача тепловой энергии от Солнца к Земле • Передача тепловой энергии от электрического огня человеку • Передача тепловой энергии из атмосферы во Вселенную

  • Эквивалентность механической и тепловой (внутренней) энергии - Рамфорд • Раннее наблюдение преобразования механической работы в тепловую энергию произошло во время сверления пушек графом Рамфордом (~ 1800 г.) • Вода в стволе, используемая для охлаждения ствола пушки, выкипела и ее нужно было регулярно пополнять • Работа Сделано было усилие инструмента в направлении реза металла, умноженное на пройденное расстояние.

  • Эквивалентность механической и тепловой (внутренней) энергии - Джоуль • Это было количественно определено в экспериментах Джоуля в 1843 году, которые сравнивали повышение температуры массы воды с измеренным количеством работы, выполняемой над водой. к следующим эквивалентам: • 1 ккал (1000 кал) 4186 Дж. • 1 британская тепловая единица 777,9 фунт-сила-футов

  • Устройство для механического эквивалента тепла Потеря гравитационной потенциальной энергии гирь равняется увеличению тепловой энергии воды.Работа над водой осуществляется за счет силы, создаваемой лопастями, умноженной на расстояние, на которое они перемещаются в воде.

  • Преобразование тепловой энергии в механическую работу • Это привело к пониманию того, как может происходить обратное, а именно: • Преобразование тепловой (внутренней) энергии в механическую энергию • Технология для этого дает ТЕПЛОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

  • Что такое тепловой двигатель? • Тепловой двигатель - это общее название устройств, преобразующих тепловую (внутреннюю) энергию в механическую.• В большинстве практических устройств тепло используется для кипячения жидкости и увеличения давления газа, который затем создается для создания силы на поверхности, которая может использоваться для выполнения механической работы • (сила x расстояние в направлении силы) • Практические устройства технически очень сложны, но для наших целей тепловые двигатели будут рассмотрены в упрощенном виде на термодинамической диаграмме, показанной на следующей странице:

  • Принципиальная схема теплового двигателя Тепловой поток от горячего резервуара Тепловой поток в холодный резервуар

  • Энергосодержание топлива (1) • Энергия, запасенная в топливе, высвобождается в виде тепловой (внутренней) энергии в результате того, что топливо подвергается ЭКЗОТЕРМИЧЕСКОЙ химической реакции • Поскольку кислород в большом количестве воздух и является реактивным элементом, экзотермической реакцией выбора является окисление топлива.• Это заставляет молекулы топлива соединяться с кислородом, образовывать другие соединения и выделять тепло. • Скорость горения определяет скорость производства тепловой энергии, т. Е. Производимую мощность. • Ее можно увеличить за счет дополнительного кислорода - например, в ракетных двигателях, двигателях внутреннего сгорания с наддувом

  • Энергосодержание топлива (2) • Углерод C + O2 CO2 + 33 МДж / кг • Водород 2h3 + O2 2h3O + 142 МДж / кг • Гептан C7h26 + 11O2 7CO2 + 8h3O + 48,1 МДж / кг • Выделяемая энергия также называется теплотой сгорания.• Большинство реакций окисления топлива протекают очень медленно при нормальных температурах, поэтому топливо расположено таким образом, что оно нагревается за счет части тепла сгорания. В таком расположении процесс известен как сжигание.

  • Горение (1) • Горение - это быстрое окисление, которое происходит, когда топливо используется для производства тепловой энергии • Некоторая часть производимой тепловой энергии используется для поддержания топлива при достаточно высокой температуре, чтобы реакция с кислородом протекает быстро.

  • Горение (2) • Для обеспечения высокой скорости реакции топливо необходимо сначала нагреть до высокой температуры • E.грамм. использование уже горящего топлива (например, спички) для зажигания свечи • Инициирование горения бензина в двигателе внутреннего сгорания за счет дуги на свече зажигания • После инициирования быстрой реакции она продолжается без дополнительной помощи из-за высокого температура поддерживается за счет части теплоты сгорания.

  • Горение (3) • Топливо различается по температуре, необходимой для протекания быстрой реакции окисления • Например, угольное топливо для осветительных приборов может гореть спичкой • В то время как древесный уголь должен быть сильно увеличен более высокая температура для продолжения горения • Бензин воспламеняется при относительно низкой температуре • Температура, при которой происходит возгорание, называется FLASHPOINT

  • Термодинамика (1) • Наука термодинамики возникла в 19 веке как развитие паровой двигатель прогрессировал.• Это изучение физики процессов, которые позволяют нам преобразовывать тепловую (внутреннюю) энергию жидкостей в механическую энергию. • Наблюдения показывают, что тепловые двигатели не полностью преобразуют тепловую энергию в механическую.

  • Термодинамика (2) • Двигатель всегда отводит некоторое количество тепла. • Например, вода, окружающая двигатель автомобиля, становится горячей. • Паровые турбины электростанции отбрасывают тепловую энергию, которая должна рассеиваться в озерах, реках или градирнях.• Это заставляет нас интересоваться эффективностью тепловых двигателей • Какая часть тепловой энергии преобразуется в механическую? • Какие факторы определяют эффективность? • Чтобы продемонстрировать и рассчитать эффективность теплового двигателя, мы должны сначала дополнительно рассмотреть температуры.

  • Температура (1) • Температура вещества - это показатель, связанный со средней скоростью частиц, составляющих вещество. • Фактические используемые числа зависят от используемой шкалы температур • Некоторые точки на шкале определены, потому что они происходят от четко определенных и воспроизводимых температур • E.грамм. Кипящая вода, тающий лед • В повседневной жизни обычно используются следующие весы: • Температура кипения по Фаренгейту 212 ° F; Таяние льда 32 ° F 180 шагов по 1 градусу • Цельсия (Цельсия) Кипение 100 ° C; Таяние льда 0 ° C 100 шагов по 1 градусу • Они связаны соотношением: ° C = 5/9 (° F-32)

  • Температура (2) • Проблема в том, что обычно используемые шкалы допускают отрицательные температуры, которые несовместимо с их представлением о средней скорости (положительной скалярной величине) частиц.• В термодинамических расчетах мы обходим это путем определения другой шкалы • Шкала Кельвина K • Один градус К - это тот же шаг, что и один градус Цельсия • Экспериментально было обнаружено, что средняя скорость равна нулю при -273 ° C • Это определено как 0K • Таким образом, K = ° C + 273 или ° C = K - 273

  • Второй закон термодинамики • Это очень важный закон, связанный с преобразованием тепловой энергии • Он исключает вечные двигатели • Утверждается различными способами, но применительно к тепловым двигателям: • Невозможно извлечь тепло из горячего резервуара и преобразовать его в механическую энергию с отводом тепловой энергии в более холодный резервуар.• Дополнением к этому является то, что невозможно передать тепло от более холодного резервуара к более горячему без выполнения работ в системе. • Мы можем применить это к идеальному тепловому двигателю (далее)

  • Схема теплового двигателя - КПД • Для теплового двигателя мы можем определить: • КПД = выполненная механическая работа / поставленная тепловая энергия • Эфф. = W / Qhot • Или Eff. = (Qhot - Qcold) / Qhot • Для реверсивного теплового двигателя: • Qhot / Qcold = Thot / Tcold • Где T в ° K • (Карно 1824) • Эфф.= (1-Qcold / Qhot) • Таким образом, Eff. = (1-Tcold / Thot)

  • Эффективность практических тепловых двигателей • Мы рассмотрим некоторые практические тепловые двигатели и рассчитаем их максимальную термодинамическую эффективность. (См. Книгу для более подробной информации.) • Необходимые шаги • Eff = (1-Tc / Th), Tc и Th - температуры холодного и горячего резервуаров соответственно • Необходимо вычислить Tc и Th по шкале Кельвина • Подставить в формулу Eff для определения максимальной эффективности двигателя • Обратите внимание, что проверка формулы говорит нам, что если Th >> Tc, эффективность будет выше.

  • Тепловые двигатели - паровой двигатель • Паровой двигатель • Поршень и цилиндр (двигатели поездов 1830–1950 гг.) • Th = 250 ° C = (250 + 273) K = 523K; • Tc = 25 ° C = (25 + 273) K = 298K • Eff = (1-Tc / Th) = (1-298 / 523) = 0,43 или 43% • Паровая турбина (корабли, ископаемые и атомные электростанции ) • Th = 550 ° C = (550 + 273) K = 823K; • Tc = 25 ° C = (25 + 273) K = 298K • Eff = (1-Tc / Th) = (1-298 / 823) = 0,64 или 64%

  • Тепловые двигатели - внутреннего сгорания • Двигатели внутреннего сгорания • Бензиновый двигатель (автомобили, частные самолеты, небольшая садовая техника) • Th = 700 ° C = (700 + 273) K = 973K; • Tc = 25 ° C = (25 + 273) K = 298K • Eff = (1-Tc / Th) = (1-298 / 973) = 0.69 или 69% • Дизельный двигатель (большие грузовики, корабли, локомотивы, сельскохозяйственная техника) • Th = 950 ° C = (950 + 273) K = 1223K; • Tc = 25 ° C = (25 + 273) K = 298K • Eff = (1-Tc / Th) = (1-298 / 1223) = 0,76 или 76%

  • Тепловой двигатель - газовая турбина • Газовая турбина (Пассажирские и оборонные самолеты, электростанции) • Th = 1500 ° C = (1500 + 273) K = 1773K; • Tc = 25 ° C = (25 + 273) K = 298K • Eff = (1-Tc / Th) = (1-298 / 1773) = 0,83 или 83% • Если Tc = -40 ° C (стратосфера) • Eff = (1-Tc / Th) = (1-233 / 1773) = 0.87 или 87%

  • Тепловые насосы • Напомним, что при обсуждении второго закона термодинамики мы говорили, что тепло может течь из холодного резервуара в горячий резервуар, если в системе выполняется работа. • Это основа теплового насоса, используемого для обогрева помещений, и может быть представлена ​​термодинамической диаграммой, аналогичной диаграмме теплового двигателя, но с обратными потоками тепла и энергии. • Поскольку потребляемая энергия поступает из резервуара больше, чем из внешнего источника • Это означает, что доставляется больше энергии, чем обеспечивается внешним источником W • Условия для этого описываются • Коэффициент полезного действия (COP)

  • Коэффициент полезного действия (COP) Принцип Карно

  • Тепловые насосы (2) • Примеры расчета COP для отопления помещений • Умеренный климат • Внутренняя температура = 22 ° C (72 ° F) = (22 + 273) K = 295K • Наружная температура = 0 ° C (32 ° F) = (0 + 273) K = 273K • COP = 295 / (295 - 273) = 295/22 = 13.4 • Холодный климат • Внутренняя температура = 22 ° C (72 ° F) = (22 + 273) K = 295K • Наружная температура = -30 ° C (-22 ° F) = (- 30 + 273) K = 243K • COP = 295 / (295 - 243) = 295/52 = 5,7

  • Тепловые насосы (3) • Таким образом, мы видим два важных результата • COP намного выше в умеренном климате, чем в холодном климате • Это прогнозируется что на каждый ватт энергии, подаваемой на тепловой насос, в здание поступает 5-13 ватт тепловой энергии. • На практике эти значения COP не могут быть достигнуты, но в умеренном климате возможны цифры 2-6.

  • На практике тепловые насосы являются сложными и довольно дорогостоящими элементами Тепловые насосы (3) Тепловой насос работает по тому же принципу, что и холодильник.Эквивалент теплообменника на задней панели холодильника поставляет энергию в здание.

  • Электричество (1) • Электричество - это название формы энергии, которая возникает в результате разделения положительного и отрицательного заряда в устройствах. • Мера энергии, доступной для преобразования, определяется напряжением объекта, которое представляет собой работу, необходимую для создания единичного заряда того же знака, что и напряжение, с места измерения напряжения по отношению к заряженному объекту.• Обратите внимание, что сила между одинаковыми зарядами - это отталкивание, между разными зарядами - притяжение. Это называется силой КУЛОМБА. • Концепция работы, совершаемой путем перемещения заряда за счет кулоновской силы, приводит к концепции электрического тока, который представляет собой заряд, движущийся с постоянной скоростью в проводниках (твердых, жидких или газовых (плазменных))

  • Электричество ( 2) • Электрический ток возникает в результате подключения НАГРУЗКИ между заряженным объектом и точкой, относительно которой измеряется его напряжение.• Мощность, подаваемая на нагрузку, равна P = I x V, где I - ток через нагрузку, а V - напряжение на ней. • Обратите внимание на то, что такая же мощность может возникнуть в результате высокого тока и небольшого напряжения или наоборот. • Электрический ток создает магнитное поле, которое создает силы, действующие на определенные материалы (например, железо), а также на магнитное поле, создаваемое другими токами. • Если ток непостоянен, часть электрической энергии преобразуется в энергию электромагнитных волн.

  • Майкл Фарадей 1791 - 1867 Производство электроэнергии (1) • Электроэнергия является одной из самых удобных форм энергии для бесчисленных применений в промышленности, бизнесе и дома.• Большая часть электроэнергии, производимой в этой стране, производится с помощью теплового двигателя, который обеспечивает механическую энергию для привода электрогенератора. • Это только один из нескольких способов выработки электроэнергии. • Электрогенератор основан на принципе физики, открытом британским физиком Майклом Фарадеем в 1831 году.

  • Производство электроэнергии (2) • Этот принцип называется • Электромагнитная индукция • Если существует относительное движение между проводником и • магнитным полем, в проводнике индуцируется напряжение, и • он может вызывать электрический ток, если проводник подключен к внешней цепи.• Таким образом, перемещение провода в присутствии магнитного поля может быть использовано для выработки электроэнергии. • Индуцированное напряжение (электрическая энергия) зависит от: • силы магнитного поля • скорости движения проводника • длины проводника

  • Выработка электрической энергии (2) • Поскольку искусственные сильные магнитные поля ограничены довольно небольшими объемами, движение провода также должно быть ограничено в пределах этого объема • Это достигается за счет использования вращающейся системы • Длина проволоки увеличиваются в размерах за счет наматывания ее в катушку • Высокая скорость движения относительно скорости магнитного поля контролируется скоростью вращения катушки

  • Выработка электроэнергии (2) • Принципиальная схема показывает, почему переменный ток (AC) вырабатывается генератором • Генерация постоянного тока (DC) возможна при использовании другого устройства • Когда использование электроэнергии стало широко распространенным, произошла битва между сторонниками Сторонники переменного и постоянного тока • Сторонники переменного тока выиграли по причинам, которые будут обсуждены позже

  • Турбина среднего давления Турбина высокого давления Электрический генератор Турбина низкого давления Электрический генератор Производство электроэнергии (4) Паровой турбогенератор Уголь: 10 572 тонн / день Производство пара: 3650 фунтов на квадратный дюйм 1000 ° F 8x106 фунтов / час Электрическая мощность: 1150 МВт КПД: 39.3%

  • Электростанции Вт Qh • Основной источник энергии - ископаемое / ядерное топливо • Потоки энергии теплового двигателя - Qh, Qc, Вт • Производство электроэнергии - электромагнитная индукция в генераторе Qc

  • Распределение электроэнергии • Электрическая мощность = Ток x Напряжение • P = I x V • Потери мощности из-за сопротивления проводов • Потери = I2 Rwires • Желательно, чтобы ток в длинных проводах был как можно более низким • Таким образом, необходимо использовать высокое напряжение для длительные пробеги от электростанции до пользователей • Переменный ток лучше всего подходит для этого из-за легкости изменения напряжения вверх / вниз с помощью трансформатора.• Стандартные напряжения распределения • Электростанция 25 000 В • Междугородние 345 000 В • Городское распределение 440 В • Внутри зданий 120 В • Распределительная сеть упрощает распределение нагрузки Распределение электрических кабелей и опор

  • Использование электроэнергии (1) • Электроэнергия - очень удобная форма энергии. • Поставляется компактно и непрерывно по проводам. • Легко контролируется переключателями. • Хорошо развита технология для преобразования ее в тепловую энергию, механическую энергию, энергию электромагнитных волн и световую энергию. другие виды энергии • Некоторые двигатели могут выделять озон при возникновении искры • Преобразование в тепловую энергию для обогрева помещений близко к 100% эффективности

  • Использование электроэнергии (2) • Электричество имеет некоторые недостатки • Возможность поражения электрическим током • Чрезмерный ток может привести к перегреву проводов и оплавлению или возгоранию изоляции. • Электростанции могут выбрасывать в атмосферу большое количество загрязняющих веществ • Воздушные провода неприглядны • Хранение громоздко с использованием батарей

  • Использование электроэнергии (3) • В будущем могут быть задействованы топливные элементы • Местное производство на уровне дома • Потребуется электроснабжение водорода для топливных элементов, которые должны быть разработаны • Может обеспечивать энергию для транспортировки

  • Когенерация • Мы видели ранее, что тепловые двигатели должны отбрасывать тепловую энергию при более низкой температуре, чем входная энергия • Использование части или всей этой отклоненной энергии называется КОГЕНЕРАЦИЯ • E.грамм. современная угольная электростанция использует тепловые двигатели с КПД 38%. Таким образом, 62% входящей тепловой энергии используется для других целей, для которых требуется тепловая энергия при более низкой температуре. • Например, отопление помещений за счет тепловой энергии, отброшенной электростанциями. • Все мы используем когенерацию в наших автомобильных обогревателях. • Эти устройства отбирают тепло, отводимое двигателем внутреннего сгорания, и используют его для обогрева помещения в автомобиле.

  • Цели обучения (1) • Понять, что подразумевается под тепловой (или внутренней) энергией материала • Понять, что любой материал с температурой выше абсолютного нуля имеет тепловую энергию • Знать три метода передачи тепловой энергии • Знайте о ранняя работа, показывающая, что выполнение работы может привести к преобразованию в тепловую энергию.(Рамфорд, Джоуль) • Знайте, что в целом подразумевается под термином «Тепловой двигатель» • Знайте, что химическая энергия топлива может использоваться для производства тепловой энергии, которая будет использоваться в тепловых двигателях посредством экзотермических реакций окисления • Поймите, что для извлечения тепла Процесс окисления должен быть ускорен в процессе, называемом «Горение» • Знайте, что подразумевается под термином «Термодинамика» • Знайте, какое свойство материала выражается его температурой • Помните о различных температурных шкалах.

  • Цели обучения (2) • Знать, что подразумевается под абсолютной шкалой или температурной шкалой Кельвина, и как преобразовывать шкалу Кельвина в шкалу Цельсия. • Знать изложение второго закона термодинамики применительно к тепловым двигателям.• Поймите, что второй закон термодинамики подразумевает, что ни один тепловой двигатель не может быть эффективен на 100% • Знать упрощенную схему теплового двигателя и то, как с ее помощью записать его эффективность в терминах тепла на входе, работы и тепла • Понять, как применить принцип Карно для расчета эффективности теплового двигателя с точки зрения температур горячих и холодных резервуаров, прикрепленных к двигателю • Знать несколько примеров практических тепловых двигателей • Знать, что подразумевается под тепловым насосом • Знать, как температуры резервуары для горячей и холодной воды, присоединенные к тепловому насосу, определяют его максимальный коэффициент полезного действия.

  • Цели обучения (3) • Знать разницу между напряжением и электрическим током • Знать, как электрическая мощность в нагрузке связана с напряжением на нагрузке и током, протекающим через нее • Помните о производстве электрическая энергия из механической энергии посредством электромагнитной индукции, обнаруженная Майклом Фарадеем • Поймите принцип генератора переменного тока как практическое средство преобразования механической энергии в электрическую энергию. • Знать основные компоненты электростанции, работающей на ископаемом топливе. • Понимать, почему передача электроэнергии на большие расстояния лучше всего осуществляется при высоких напряжениях. • Знать приблизительные уровни напряжения для передачи электроэнергии в различных частях цепи передачи.• Помните об относительно простых способах изменения уровней переменного напряжения с помощью устройства, называемого трансформатором. • Поймите, что подразумевается под термином «когенерация» и некоторые примеры когенерации

  • .

    Смотрите также