Тепловым двигателем называют машины в которых

Тепловым двигателем называют машины в которых

Но такой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние. Круговые процессы изображаются на диаграмме (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис. 1). При расширении газ совершает положительную работу A₁, равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A₂, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A₁ + A₂ на диаграмме (p, V) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.

Рисунок 1.
Круговой процесс на диаграмме (p, V).
abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия.
Работа A в круговом процессе равна площади
фигуры abcd.

Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q1 > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q2

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

Рисунок 3 Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (1) и дизельного двигателя (2).

В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот круговой процесс сыграл важную роль в развитии учения о тепловых процессах. Он называется циклом Карно (рис. 4).

Рисунок 4. Цикл Карно

Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1–2) газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру T₁. Газ изотермически расширяется, совершая работу A12, при этом к газу подводится некоторое количество теплоты Q₁ = A₁₂. Далее на адиабатическом участке (2–3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работу A₂₃ > 0. Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения T₂. На следующем изотермическом участке (3–4) газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре T₂

Цикл Карно замечателен тем, что на всех его участках отсутствует соприкосновение тел с различными температурами. Любое состояние рабочего тела (газа) на цикле является квазиравновесным, т. е. бесконечно близким к состоянию теплового равновесия с окружающими телами (тепловыми резервуарами или термостатами). Цикл Карно исключает теплообмен при конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды (термостатов), когда тепло может передаваться без совершения работы. Поэтому цикл Карно – наиболее эффективный круговой процесс из всех возможных при заданных температурах нагревателя и холодильника: η _Карно = η_max.
Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях. Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, когда полученное рабочим телом тепло частично превращается в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине, когда некоторое количество теплоты отбирается от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы. Поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной.

В реальных холодильных машинах используются различные циклические процессы. Все холодильные циклы на диаграмме (p, V) обходятся против часовой стрелки. Энергетическая схема холодильной машины представлена на рис. 5.

Рисунок 5. Энергетическая схема холодильной машины. Q₁ 0, T₁ > T_2.

Устройство, работающее по холодильному циклу, может иметь двоякое предназначение. Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла |Q₂| от охлаждаемых тел (например, от продуктов в камере холодильника), то такое устройство является обычным холодильником. Эффективность работы холодильника можно охарактеризовать отношением

т. е. эффективность работы холодильника – это количество тепла, отбираемого от охлаждаемых тел на 1 джоуль затраченной работы.

Источник

Тест по физике Тепловые двигатели для 8 класса

Тест по физике Тепловые двигатели для 8 класса с ответами. Тест включает в себя 2 варианта, в каждом варианте 7 заданий с выбором ответа.

1 вариант

A1. Тепловыми двигателями называют машины, в которых

1) внутренняя энергия топлива превращается в тепло окружающей среды
2) механическая энергия превращается в энергию топлива
3) тепло окружающей среды превращается в механи­ческую энергию
4) внутренняя энергия топлива превращается в ме­ханическую энергию

А2. Цикл двигателя внутреннего сгорания состоит из

1) впуска, выпуска
2) нагревания, рабочего хода
3) впуска, сжатия, рабочего хода, выпуска
4) впуска, нагревания, рабочего хода, выпуска

А3. В состав теплового двигателя не входит

1) нагреватель
2) рабочее тело
3) холодильник
4) турбина

А4. В тепловом двигателе нагреватель

1) отдаёт часть энергии рабочему телу, часть энергии холодильнику
2) получает всю энергию от рабочего тела
3) получает часть энергии рабочего тела
4) отдаёт всю энергию холодильнику

А5. Коэффициент полезного действия теплового двигате­ля определяется

1) только величинами полезной работы и энергии, полученной нагревателем
2) количеством теплоты, полученной от нагревателя
3) только количеством теплоты, отданной холодильнику
4) только величиной полезной работы

А6. Тепловой двигатель получает от нагревателя энергию, равную 7 кДж и отдаёт холодильнику 4,5 кДж. КПД такого двигателя равен

А7. КПД теплового двигателя равен 30%. Двигатель по­лучает от нагревателя количество теплоты 10 кДж и совершает работу, равную

1) 7 кДж
2) 300 кДж
3) 3 кДж
4) 5 кДж

2 вариант

A1. В двигателе внутреннего сгорания

1) энергия твёрдого топлива преобразуется в механи­ческую энергию снаружи двигателя
2) механическая энергия преобразуется в энергию топлива внутри двигателя
3) энергия жидкого и газообразного топлива преобразу­ется в механическую энергию внутри самого двигателя
4) механическая энергия поршня преобразуется в энергию топлива снаружи двигателя

А2. Тепловой двигатель состоит

1) из нагревателя и холодильника
2) из нагревателя, рабочего тела и холодильника
3) из впуска, сжатия, рабочего хода, выпуска
4) из зажигания и рабочего тела

А3. К тепловым двигателям не относится

А4. В тепловом двигателе холодильник

1) получает всю энергию, переданную нагревателем, и передаёт часть её рабочему телу
2) получает часть энергии нагревателя и передаёт всю её рабочему телу
3) получает часть энергии, переданной нагревателем рабочему телу
4) отдаёт всю энергию нагревателю

А5. Коэффициент полезного действия теплового двигате­ля равен отношению

1) затраченной работы к энергии, полученной от нагревателя
2) энергии, полученной от нагревателя, к полезной работе
3) полезной работы к постоянной теплового двигателя
4) полезной работы к энергии, полученной от нагревателя

А6. КПД теплового двигателя равен 40%. Двигатель по­лучает от нагревателя количество теплоты 10 кДж и совершает работу, равную

1) 75 кДж
2) 40 кДж
3) 2,5 кДж
4) 4 кДж

А7. Тепловой двигатель получает от нагревателя количе­ство теплоты 1,5 кДж и отдаёт холодильнику количе­ство теплоты 0,5 кДж. КПД данного теплового двига­теля равен

Ответы на тест по физике Тепловые двигатели для 8 класса
1 вариант
А1-4
А2-3
А3-4
А4-1
А5-1
А6-3
А7-3
2 вариант
А1-3
А2-2
А3-4
А4-3
А5-4
А6-4
А7-2

Источник

Физика. 10 класс

Конспект урока

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;

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).

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.

Открытые электронные ресурсы по теме урока

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 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

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.

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%?

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.

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.

=

– это количество теплоты, отданное холодильнику

Источник

Современные тепловые машины и их самые распространенные разновидности

Содержание:

Одними из первых изобретённых человеком машин считаются ветряные и водяные мельницы. С развитием техники появились более сложные и практичные тепловые двигатели. В них часть поступающей энергии передаётся окружающей среде, что снижает КПД агрегатов. Рассмотрим, что такое тепловые двигатели в физике, их разновидности, примеры применения в промышленности.

Примеры и виды тепловых машин

Разработаны машины, функционирующие благодаря нагреву воды солнцем, за счёт разности температур морской воды на разной глубине. На практике они почти не используются из-за невысокой эффективности.

Первый тепловой двигатель, по учебникам физики, сконструировал и запустил Джеймс Ватт (Уатт) в 1774 г., а рабочий прототип продемонстрировал лишь в 1778 г. В его честь и названа единица измерения мощности. Хотя ещё в 1765 году российский изобретатель Иван Ползунов продемонстрировал вполне рабочий паровой двигатель.

Опыты же с прообразами паровых турбин проводились за два тысячелетия до этого, например, Героном. Учёный создал агрегат, названный им эолипилом. Это вращающийся на оси бронзовый шар, к которому подводился пар. В нём была пара трубок, изогнутых так, чтобы выходящий пар заставлял сферу вращаться.

Современные тепловые машины разделяются на двигатели внутреннего сгорания (ДВЗ) и внешнего сгорания.

Двигатели внешнего сгорания

Паровая машина – трансформирует энергию горячего пара в возвратно-поступательные перемещения поршневого механизма. Применялась в стационарных установках и первых автомобилях. Из-за низкого КПД почти не используется.

Паровая турбина (ссылка на «Паровая турбина» принцип действия…) отличается эффективностью ввиду отсутствия поршня, дороговизной. Активно применяется на электростанциях: тепловых, атомных, для трансформации тепловой энергии пара в механическую, вращающую вал ротора.

Мотор Стерлинга обладает наибольшим среди двигателей внешнего сгорания КПД. Это агрегат, где рабочее вещество (пар, жидкость) циркулирует в замкнутом пространстве. Работа базируется на периодическом подогреве и снижении температуры рабочего тела. Функционирует не только благодаря сжиганию топлива, но и от внешних источников теплового излучения. Применяется в насосах, подводных лодках, холодильных установках.

Двигатели внутреннего сгорания

Поршневой ДВЗ – самый используемый в транспортных средствах двигатель. Работает на принципе преобразования энергии расширяющихся вследствие сжигания топлива газов в механическую. Различают двигатели с искровым зажиганием и зажиганием от сжатия.

Газотурбинный мотор – высокооборотистый массивный агрегат, часто требующий применения редуктора. Используется в качестве привода генераторов, в турбореактивных моторах, газотурбинных электростанциях. Разделяются на турбореактивные, турбовентиляторные, турбовинтовые, турбовальные.

Реактивный двигатель – генерирует силу тяги, преобразовывая внутреннюю энергию сжигаемого топлива в кинетическую, которая передаётся струе газа. Объединяет в себе мотор с движителем – генерирует тягу без контакта с опорой. Делятся на воздушно-реактивные и ракетные, применяются в авиации.

Расскажите, какие виды тепловых современных двигателей вам известны.

Источник