Для чего служит нагреватель теплового двигателя

Тепловой двигатель

Двигатель, в каком происходит перевоплощение внутренней энергии горючего, которое сгорает, в механическую работу.

Хоть какой тепловой двигатель состоит из 3-х главных частей: нагревателя, рабочего тела (газ, жидкость и др.) и холодильника. В основе работы двигателя лежит циклический процесс (это процесс, в результате которого система возвращается в исходное состояние).

Общее свойство всех циклических (или 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 (происходит расширение) и отдает холодильнику количество теплоты Q2, когда возвращается в исходное состояние и сжимается. Полное количество теплоты Q=Q1-Q2, полученное рабочим телом за цикл, равно работе, которую выполняет рабочее тело за один цикл.

При обратном цикле расширение происходит при меньшем давлении, а сжатие. при большем. Поэтому работа сжатия больше, чем работа расширения, работу выполняет не рабочее тело, а внешние силы. Эта работа превращается в теплоту. Таким образом, в холодильной машине рабочее тело забирает от холодильника некоторое количество теплоты Q1 и передает нагревателю большее количество теплоты Q2.

Коэффициент полезного действия

Показатель эффективности холодильной машины:

Цикл Карно

В тепловых двигателях стремятся достигнуть наиболее полного превращения тепловой энергии в механическую. Максимальное КПД.

На рисунке 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 %.

Французский физик С.Карно разработал работу идеального теплового двигателя. Рабочую часть двигателя Карно можно представить себе в виде поршня в заполненном газом цилиндре. Поскольку двигатель Карно — машина чисто теоретическая, то есть идеальная, силы трения между поршнем и цилиндром и тепловые потери считаются равными нулю. Механическая работа максимальна, если рабочее тело выполняет цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот цикл называют циклом Карно.

участок 1-2: газ получает от нагревателя количество теплоты Q1 и изотермически расширяется при температуре T1 участок 2-3: газ адиабатически расширяется, температура снижается до температуры холодильника T2 участок 3-4: газ экзотермически сжимается, при этом он отдает холодильнику количество теплоты Q2 участок 4-1: газ сжимается адиабатически до тех пор, пока его температура не повысится до T1. Работа, которую выполняет рабочее тело. площадь полученной фигуры 1234.

Функционирует такой двигатель следующим образом:

Сначала цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром, и идеальный газ расширяется при постоянной температуре. На этой фазе газ получает от горячего резервуара некое количество тепла.2. Затем цилиндр окружается идеальной теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется, и газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.3. На третьей фазе теплоизоляция снимается, и газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.4. Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией, и газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого теплоизоляция удаляется и цикл повторяется вновь с первой фазы.

КПД цикла Карно не зависит от вида рабочего тела

В реальных тепловых двигателях нельзя создать условия, при которых их рабочий цикл был бы циклом Карно. Так как процессы в них происходят быстрее, чем это необходимо для изотермического процесса, и в то же время не настолько быстрые, чтоб быть адиабатическими.

uabooks.top

Принцип действия тепловых двигателей. Холодильная машина

На протяжении тысячелетий механизмы существенно облегчали физические нагрузки на человека. Однако до конца XVIII в. огромный запас энергии, содержащийся внутри различных видов топлива, был практически не востребован. И только благодаря открытиям в термодинамике появились тепловые машины — устройства, преобразующие внутреннюю энергию в механическую работу. О тепловых машинах и физических законах, на которых основано их действие, вы узнаете из этого параграфа.

Представьте: вы внесли в дом комочек снега, положили его на стол и, естественно, через некоторое время вместо снега обнаружили лужицу воды. И вдруг на ваших глазах в воде появляется льдинка, которая постепенно увеличивается, — и вскоре вместо лужицы вы видите горку пушистого снега. «Это невозможно!», — скажете вы и будете правы, поскольку знаете, что в теплой комнате снег всегда превращается в воду, но вода никогда само произвольно не превратится в снег.

нагреватель, тепловой, двигатель

Другой пример. Поднимаясь на гору, вы наступаете на камень, он срывается, катится по склону и, прокатившись какое-то расстояние, останавливается. При этом механическая энергия камня превращается во внутреннюю энергию самого камня, склона и окружающего воздуха. С точки зрения закона сохранения энергии возможен и обратный процесс, когда камень катится вверх за счет накопленной в нем и окружающей среде внутренней энергии. Однако на практике такой процесс не наблюдается.

READ  Нагревается холодильник по бокам что делать

Эти примеры и множество других убеждают: в природе все макроскопические процессы имеют определенное направление, и в обратном направлении они самопроизвольно происходить не могут.

Процессы, которые могут самопроизвольно происходить только в одном направлении, называют необратимыми процессами.

Необратимость процессов в природе отражает второй закон (начало) термодинамики, который имеет несколько эквивалентных формулировок. Например, в формулировке немецкого физика и математика Рудольфа Клаузиуса он звучит так:

Невозможен процесс, единственный результат которого — передача энергии в форме теплоты от менее нагретого тела к более нагретому (рис. 39.1, а).

Обратите внимание на слова «единственный результат». Тепло самопроизвольно передается только от более нагретого тела к менее нагретому, при этом с другими телами никаких изменений не происходит. Обратный процесс тоже возможен, но результат не будет единственным. Например, в холодильной установке тепло передается от менее нагретой холодильной камеры более теплому окружающему воздуху, но при этом расходуется электрическая энергия.

нагреватель, тепловой, двигатель

Английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) дал в 1851 г. следующую формулировку второго закона (начала) термодинамики:

Невозможен периодический процесс, единственный результат которого — совершение телом механической работы за счет уменьшения его внутренней энергии.

Если бы такой процесс был возможен, то мы получили бы вечный двигатель второго рода (рис. 39.1, б). Такая машина, например, могла бы отбирать тепловую энергию у Мирового океана и полностью превращать ее в работу.

Процессы, не противоречащие ни первому, ни второму законам термодинамики, происходят в тепловых машинах. В качестве примера рассмотрим работу теплового двигателя.

Тепловой двигатель — тепловая машина циклического действия, которая энергию, выделяющуюся при сгорании топлива, преобразует в механическую работу.

Работу в двигателе совершает газ, который, расширяясь, давит на поршень. Газ, совершающий механическую работу в процессе своего расширения, называют рабочим телом.

Чтобы газ мог толкать поршень, необходимо, чтобы давление под поршнем было больше внешнего давления. Такое повышение давления достигается за счет увеличения температуры рабочего тела. Устройство, в контакте с которым рабочее тело получает определенное количество теплоты, называют нагревателем.

Рабочее тело не может бесконечно расширяться. Для непрерывной работы двигателя необходимо, чтобы поршень возвращался в исходное положение. Газ при этом будет сжиматься, совершая отрицательную работу. Чтобы в целом за цикл работа газа была положительной, давление, а значит, и температура газа при сжатии должны быть меньше, чем его давление и температура во время расширения (рис. 39.2), то есть газ нужно охлаждать. Объект, в контакте с которым от рабочего тела забирается некоторое количество теплоты, называют холодильником.

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела, холодильника (рис. 39.3).

В тепловом двигателе осуществляется циклический периодический процесс, в результате которого за счет уменьшения внутренней энергии нагревателя совершается механическая работа. Однако этот результат не единственный, так как часть энергии передается холодильнику.

Может ли КПД тепловой машины быть равным 100 %

Внутренняя энергия рабочего тела за цикл не изменяется (внутренняя энергия — функция состояния, а после окончания цикла газ возвращается в исходное состояние), поэтому согласно первому закону термодинамики работа А, совершаемая газом за цикл, равна:

теплоты, полученное от нагревателя; Q2 — количество теплоты, отданное холодильнику. Чем меньше тепла отдается холодильнику (теряется), тем больше КПД теплового двигателя.

Коэффициент полезного действия η двигателя — физическая величина, которая характеризует экономичность теплового двигателя и равна отношению работы, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты, получаемому от нагревателя:

READ  Что лучше электрический нагреватель воды

Обратите внимание! 1. Если в тепловом двигателе сгорает топливо, то Qx = qm, где q — удельная теплота сгорания топлива; т — масса топлива. 2. КПД теплового двигателя всегда меньше единицы.

Анализируя работу тепловых двигателей, французский инженер Сади Карно (1796-1832) пришел к выводу, что наиболее эффективен (с максимально возможным КПД

так называемый идеальный тепловой двигатель, работающий по циклу, состоящему из двух изотермических и двух адиабатных процессов (рис. 39.4); КПД такого двигателя равен:

где Тн — температура нагревателя; Тх — температура холодильника. Второй закон (начало) термодинамики в формулировке С. Карно:

Любая реальная тепловая машина, которая работает с нагревателем, имеющим температуру Тн, и холодильником с температурой Тх, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

Получается, что для увеличения КПД теплового двигателя нужно уменьшить температуру холодильника и (или) увеличить температуру нагревателя. Однако температуру холодильника нельзя уменьшить до температуры ниже, чем температура окружающей среды, а температура нагревателя ограничена жаростойкостью материалов, из которых изготовлены поршень и цилиндр двигателя. Поэтому максимальный КПД не может превышать 60—70 %. Сейчас усилия инженеров направлены на увеличение КПД за счет уменьшения потерь энергии при трении и потерь топлива вследствие его неполного сгорания.

Современную цивилизацию невозможно представить без тепловых двигателей. Наиболее широко они используются в тепловых и атомных электростанциях, где мощные паровые турбины вращают роторы генераторов электрического тока, а также в большинстве видов транспорта. На мощных самолетах и ракетах устанавливают турбореактивные и реактивные двигатели, на легких самолетах — поршневые. Водные суда могут быть оснащены как дизельными двигателями, так и турбинами. Карбюраторные и дизельные двигатели приводят в движение большинство автомобилей.

В курсе физики 8 класса вы ознакомились с работой карбюраторного двигателя внутреннего сгорания. Рассмотрим, как работает дизельный двигатель.

В отличие от карбюраторного двигателя (в котором горючая смесь образуется вне цилиндра и воспламеняется от электрической искры), в дизельных двигателях горючая смесь образуется непосредственно внутри цилиндра, а зажигается в результате повышения температуры воздуха при сжатии (рис. 39.5).

Несмотря на удобство и пользу, тепловые двигатели загрязняют окружающую среду (выбросы вредных веществ, тепловое загрязнение и т. д.). К сожалению, сейчас человечество не может отказаться от использования тепловых двигателей, поэтому связанные с этим экологические проблемы нужно решать.

Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте, какие международные программы по защите окружающей среды сейчас реализуются.

Холодильная установка — это устройство циклического действия, которое поддерживает в холодильной камере температуру более низкую, чем температура окружающей среды.

Принцип работы холодильной установки показан на рис. 39.6. Рабочим телом в холодильной установке служит хладагент — пар легкоиспа-ряющейся жидкости. При сжатии хладагент конденсируется, выделяя большое количество теплоты Qi, которое через теплообменник передается окружающей среде. Сжатие газа осуществляется компрессором, который совершает механическую работу А’ за счет электроэнергии.

В испарителе хладагент испаряется, поглощая при этом количество теплоты Q2. Поскольку сжатие газа происходит при более высоком давлении, чем расширение, то работа газа за цикл отрицательна и равна:

Внешние силы за цикл совершают положительную работу:

Физическая величина, которая характеризует эффективность работы холодильной установки и равна отношению количества теплоты, полученного от холодильной камеры, к работе внешних сил, называется холодильным коэффициентом:

Из второго закона термодинамики следует, что максимальный холодильный коэффициент равен:

Обратите внимание: холодильный коэффициент может быть больше единицы.

Если трубки теплообменника вынести за пределы помещения, а холодильную камеру оставить открытой, то холодильная установка будет забирать тепло из помещения и отдавать его окружающей среде. Так работает кондиционер — электрическое устройство, предназначенное для охлаждения воздуха в помещении.

Тепловой двигатель 1

Если трубки теплообменника оставить в помещении, а открытую холодильную камеру вынести за его пределы, то холодильная установка будет забирать тепло из окружающей

среды и отдавать его помещению. Так работает тепловой насос — устройство для обогрева помещения. Интересно, что тепловой насос работает эффективнее обычного электрического обогревателя: при работе теплового насоса переданное помещению количество теплоты

больше работы А’ электрического тока. Современные кондиционеры имеют два режима работы: летом они работают как кондиционеры, зимой — как тепловые насосы.

Все макроскопические процессы в природе необратимы — они могут самопроизвольно происходить только в одном направлении. Необратимость процессов в природе отражает второй закон термодинамики, который можно сформулировать так: невозможен периодический процесс, единственный результат которого — совершение телом механической работы за счет уменьшения его внутренней энергии.

Тепловой двигатель — тепловая машина циклического действия, которая энергию, выделяющуюся при сгорании топлива, преобразует в механическую работу. Любой тепловой двигатель состоит из трех частей: нагреватель, рабочее тело, холодильник. КПД теплового двигателя определяют по

READ  Предпусковой подогреватель двигателя альянс установка

Холодильная установка — устройство циклического действия, которое поддерживает в холодильной камере температуру более низкую, чем температура окружающей среды.

Приведите примеры природных процессов и докажите, что они необратимы.

Приведите примеры условных процессов, которые не противоречат первому началу термодинамики, но противоречат второму. 3. Дайте определение теплового двигателя. Каковы его основные элементы? 4. Как определить КПД теплового двигателя? Какие существуют возможности увеличения КПД? 5. Как определить КПД цикла Карно? б. Как работает холодильная установка? Приведите примеры различных холодильных установок. В чем их отличие? 7. Что показывает холодильный коэффициент?

Можно ли, открыв дверцу работающего холодильника, охладить воздух в комнате?

Тепловая машина работает по циклу Карно. Определите КПД машины, если температура нагревателя по шкале Кельвина больше температуры холодильника: а) в 2 раза, б) в 3 раза, г) в η раз.

Рабочее тело получило от нагревателя 240 Дж теплоты, а отдало холодильнику — 150 Дж. Определите КПД двигателя и совершенную им работу. 4. В тепловой машине мощностью 1,0 кВт, работающей по циклу Карно, нагревателем служит кипящая вода, а холодильником — тающий лед. Какая масса льда тает при работе машины за 1 мин? λΛΜ=330 кДж/кг.

ПОДВОДИМ ИТОГИ РАЗДЕЛА III «МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА». Основы термодинамики

Вы узнали, что в основе термодинамики лежит понятие внутренней энергии.

Внутренняя энергия U — сумма кинетических энергий хаотического движения частиц вещества и потенциальных энергий их взаимодействия

Вы ознакомились с законом сохранения и превращения энергии в термодинамике.

Вы вспомнили принцип действия тепловых двигателей’.

Вы узнали о принципе работы холодильной установки·.

Вы выяснили, почему КПД тепловой машины всегда меньше 100 %, узнали, как рассчитать КПД η и определить холодильный коэффициент k.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ К РАЗДЕЛУ III «МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА».

Задания 1-4 содержат только один правильный ответ.

(1 балл) Какой вид теплопередачи невозможен в твердых телах?

б) излучение; г) возможны все виды теплопередачи.

(2 балла) Как изменилась внутренняя энергия идеального одноатомного газа, взятого в количестве 0,5 моль, если температура газа увеличилась на 200 К?

а) увеличилась на 831 Дж; в) увеличилась на 1247 Дж;

б) уменьшилась на 831 Дж; г) уменьшилась на 1247 Дж.

(2 балла) Над газом совершили работу 50 Дж, при этом его внутренняя энергия уменьшилась на 80 Дж. Какое количество теплоты получил (или отдал) газ?

(2 балла) Какую работу совершил дизельный двигатель, имеющий КПД 40 %, если при сгорании топлива выделилось 44 МДж теплоты?

а) 0,11 МДж; б) 17,6 МДж; в) 94,6 МДж; г) 110 МДж.

(2 балла) Установите соответствие «физический процесс — изменение физических величин».

Урок 130 (осн). Тепловые двигатели, КПД теплового двигателя

1 Изотермическое расширение А Температура газа уменьшается

2 Изохорное нагревание Б Газ отдает некоторое количество теплоты

3 Адиабатное расширение В Давление и объем газа не изменяются

4 Изобарное сжатие Г Внутренняя энергия газа не изменяется

(3 балла) На сколько изменилась внутренняя энергия идеального одноатомного газа объемом 20 л, если при его изохорном нагревании давление увеличилось от 1,510 5 до 2,010 5 Па? Какую работу совершил газ?

(3 балла) Определите работу и изменение внутренней энергии криптона, если его объем увеличился от 15 до 20 л. Давление постоянно и равно 2,0 10 5 Па.

(4 балла) Калориметр теплоемкостью 1,50 кДж/К содержит 1 кг воды при температуре 20 °С. В калориметр впустили водяной пар при 100 °С, и температура воды повысилась до 80 °С. Определите массу пара. Удельная теплоемкость воды — 4,2 кДж/(кг-К), удельная теплота парообразования воды — 2,3 МДж/кг.

Физика 10 класс (УрокТепловые двигатели. КПД тепловых двигателей.)

(5 баллов) На рисунке приведен график процесса, происходившего с идеальным одноатомным газом. Какую работу совершил газ? На сколько изменилась его внутренняя энергия? Какое количество теплоты отдал газ окружающей среде? Определите КПД цикла.

Сверьте ваши ответы с приведенными в конце учебника. Отметьте задания, выполненные правильно, подсчитайте сумму баллов. Разделите эту сумму на два. Полученное число соответствует уровню ваших учебных достижений.

Тренировочные тестовые задания с компьютерной проверкой вы найдете на электронном образовательном ресурсе «Интерактивное обучение».