Вещество больше не контактирует с холодильником и сжимается в атмосферу, не изменяя своей температуры. Температура вещества равна температуре нагревательного элемента.
Устройство и действие тепловых машин
Развитие энергетики является одним из важнейших условий научно-технического прогресса. Бурный расцвет промышленности и транспорта в XIX веке был связан с изобретением и усовершенствованием локомотива, первого теплового двигателя. С созданием паровых, затем газовых двигателей и двигателей внутреннего сгорания была преобразована вся энергетика, что позволило создавать большие морские суда, автомобильный и воздушный транспорт, создавать космические корабли и строить базы.
Общая практика ступенчатых локомотивов была впервые создана И. Полтуновым (1763) и Д. Уаттом (1764).
Первая конструкция локомотива имела основные части всех более поздних тепловых машин. Нагреватель имеет поршень с цилиндром, который выпускает в качестве рабочего тела пар с топливной энергией и преобразует внутреннюю энергию пара в механическую энергию. Рефрижераторы, необходимые для снижения температуры и давления паров.
Первые паровые машины по своей природе имели серьезные конструктивные недостатки. Например, желание построить дешевый и безопасный котел вызвало необходимость использования пара низкого давления и необходимость строительства котла диаметром 2 м для обеспечения большей мощности. Соответственно, все остальные части машины должны были быть увеличены. Так, водоподъемная машина Ньюкомена-Коули достигала высоты четырех- или пятиэтажного дома.
Дальнейшие усовершенствования локомотива, повышение температуры и давления пара позволили уменьшить его размеры и увеличить мощность. Это позволило использовать локомотивы на судах (пароходы) и железных дорогах (локомотивы), а также на стационарных станках.
Главным недостатком локомотивов была их низкая производительность, которая не превышала 9%.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания
Среди способов повышения производительности тепловых машин особенно плодотворным был поиск. Его суть заключалась в снижении тепловых потерь за счет переноса мест сгорания топлива и нагрева рабочего тела в цилиндре. Отсюда и происхождение названия «двигатель внутреннего сгорания» (MEK). Конечно, наиболее удобным топливом для двигателей внутреннего сгорания является газ или жидкость.
Первый двигатель внутреннего сгорания был создан французским инженером Э. Ленуаром в 1860 году. У этой машины не было дымохода, печи или котла, но она ничем не отличалась от локомотива. Вместо пара в цилиндр при движении плунжера всасывалась смесь легкого газа и воздуха. Когда поршень проходил примерно половину своего пути, впускной клапан закрывался, и смесь поджигалась электрической искрой. Под давлением продуктов сгорания плунжер перемещался, создавая рабочий ход. В конце пути открывается выпускной клапан, и плунжер движется назад, выталкивая продукты сгорания из цилиндра.
Производительность первых двигателей внутреннего сгорания составляла 3,3%. Однако вскоре новые двигатели были значительно усовершенствованы. В 1862 году французский инженер Бодетт Рошас предложил четырехтактный цикл для двигателей внутреннего сгорания. Это импорт, сжатие, сгорание, релаксация и испарение. Эта идея была использована немецким изобретателем Н. Отто, который в 1878 году построил первый четырехтактный газовый двигатель внутреннего сгорания. Степень производительности этого двигателя достигла 22%, что было лучше, чем у всех предыдущих типов двигателей.
Карбюраторный двигатель
Рост нефтяной промышленности в конце 19 века привел к появлению новых видов топлива — парафина и бензина. В бензиновых двигателях топливо смешивается с воздухом в специальном смесителе, называемом карбюратором, перед подачей в цилиндры для максимального сгорания. Смесь воздуха и газа называется топливной смесью.
Расчеты показывают, что для полного сгорания смеси требуется не менее 15 единиц воздуха на единицу бензина. Это означает, что рабочей жидкостью в двигателе внутреннего сгорания на самом деле является не бензиновый пар, а воздух. Топливо здесь сжигается для нагрева воздуха. Когда плунжер перемещается из верхнего положения в нижнее, топливная смесь поступает в цилиндр (Рисунок 3.27). Эта процедура проводится при постоянном давлении. Когда плунжер движется назад, топливная смесь начинает сжиматься. Процесс в значительной степени адиабатический, так как сжатие происходит быстро.
В конце пути сжатия топливная смесь воспламеняется электрической искрой. Быстрое сгорание паров бензина сопровождается теплопередачей q1быстрое повышение температуры и давления воздуха и продуктов сгорания. За короткое время сгорания смеси поршень существенно не меняет своего положения в цилиндре, поэтому процесс нагревания газа в цилиндре можно рассматривать как почти равномерное изменение.
Высокое давление заставляет поршень продолжать движение из нижнего положения в верхнее. Это расширение жидких рабочих является почти адиабатическим.
В конце маршрута открывается выпускной клапан, и отработанная жидкость вытекает в атмосферу. Выхлопные газы удаляются, а количество тепла q2 в воздухе, который действует как хладагент.
При непрерывной работе двигателя вышеуказанный цикл повторяется многократно. Однако перед началом каждого цикла цилиндры должны быть опорожнены от бескислородных продуктов сгорания и должны быть пригодны для сгорания смеси. Это делается в течение двух подготовительных циклов — импорта и экспорта.
В случае внутреннего сгорания, для проникающих двигателей, важной характеристикой, определяющей эффективность сгорания и оказывающей значительное влияние на производительность, является степень сжатия топливной смеси: E = V2/ v1где v2 и v1-Объемы в начале и конце сжатия. С увеличением степени сжатия повышается начальная температура горючей смеси в конце такта сжатия, что способствует более полному сгоранию. В современных карбюраторных двигателях степень сжатия обычно составляет 8-9. Дальнейшему увеличению степени сжатия препятствует самовоспламенение (взрыв) горючей смеси, которое происходит до достижения поршнем верхней мертвой точки. Это явление оказывает разрушительное воздействие на двигатель и снижает его мощность и эффективность. Указанные выше степени сжатия могут быть достигнуты без детонации за счет увеличения скорости поршня при повышении оборотов двигателя до 5-6 000 об/мин и добавления в бензин специальных антидетонационных присадок.
Мерой эффективности холодильного агрегата является холодильный коэффициент, который равен отношению между теплотой, отводимой от холодильника, и работой внешних источников.
КПД теплового двигателя
Французский инженер СаадиКарно подтвердил, что эффективность теплового двигателя зависит от температуры Tn нагревателя и температуры Tch холодильника. Выбор геометрии и рабочего тела конструкции теплового двигателя не влияет на эффективность идеального теплового двигателя.
ηmax= T n-T c h T n (5).
Любой реальный тепловой двигатель может иметь КПД η≤ ηmax.
Принцип работы теплового двигателя
Идеальная машина, смоделированная Карнаухом, работает в обратимом цикле, состоящем из двух изотерм (1-2, 4-3) и двух адиабат (2-3, 4-1), как показано на рисунке 1. В качестве рабочей жидкости выбран идеальный газ. Процесс изоляции происходит без подвода и отвода тепла.
Секции 1-2 характеризуются передачей тепла от нагревателя к рабочему телу с количеством тепла Qn при температуре Tn. Для изотермических процессов обозначения следующие.
Q n = T n(S 2-S 1) (6), где S 1 и S 2 — энтропии в соответствующих точках цикла на рисунке 1.
Участки 3-4 характеризуются как отдача тепла холодильнику при температуре T c h идеальным газом, и видно, что количество тепла равно теплоотдаче газа — Q ch
—Q c h = T c h (S 1-S 2) (7).
（ Уравнение в скобках в (7) показывает приращение энтропии для процессов 3-4.
Принцип действия тепловых двигателей КПД
Подставляя (6) и (7) в определение КПД теплового двигателя, получаем следующее уравнение
η = T n (S 2-S 1) + T c h (S 1-S 2) T n (S 2-S 1) = T n-T c h T n (8).
Полученное уравнение (8) не содержит никаких предположений о свойствах рабочего тела и конструкции теплового двигателя.
Уравнение (8) показывает, что для повышения эффективности необходимо увеличить T n и уменьшить T c h. Поскольку невозможно достичь значения абсолютного нуля, единственным решением для повышения эффективности является увеличение T n .
Проблема создания теплового двигателя, выполняющего работу без холодильника, очень интересна. В физике это называется постоянным двигателем второго рода. Такая проблема согласуется с первым законом термодинамики. Проблема считается неразрешимой, как и создание постоянного двигателя первого рода. Этот экспериментальный факт в термодинамике был принят как гипотеза, второе начало термодинамики.
Рассчитайте КПД теплового двигателя с температурой нагрева 100°C и температурой холодильника 0°C. Считайте, что тепловой двигатель идеален.
Необходимо применить уравнение для КПД теплового двигателя. Это написано следующим образом.
Используя систему CAND, мы имеем
T n+100°C+273 = 373 (K). T c h=0°C+273 = 273 (K).
Вычислите, подставив значения.
η = 373-273373 = 0, 27 = 27%.
ОТВЕТ: производительность тепловой машины составляет 27%.
Найдите степень работы цикла, показанного на рисунке 2, если в нем изменяется объем идеального газа. Рассмотрим газ с индексом изоляции c.
Основной тип для расчета производительности, необходимой для решения этой проблемы:.
Тепло, выделяемое газом, показано в процессе 1-2 Q 12 = Q n.
Q 12 = ΔU12 + a 12 (2. 2), где a 12 = 0 — изопроцессор. Из этого следует, что
q 12 = Δu12 = i 2 r t 2 -t 1 (2. 3).
Процесс, при котором газы отдают тепло, показанный на рисунке 3-4, считается изо-газовым — q 34 = q ‘c h. Человек имеет форму: q 34 = q ‘c h
q 34 = ΔU34 = i 2 v r t 4 -t 3 (2. 4).
Адиабатический процесс происходит без вытекания и оттока тепла.
Теперь давайте заменим теплоту выражения на производительность.
H = I 2 V R T 2 -T 1 + I 2 V R T 4 -T 3 I 2 V R T 2 -T 1 = T 2 -T 1 + T 4 -T 3 T 2 -T 1 = 1 -T 3 -T 4 T 2 -t 1 (2. 5).
Уравнение 2-3 процедуры изоляции.
T 2 V 1 C -1 = T 3 V 2 C -1 → T 2 = T 3 V 2 C -1 V 1 C -1 = T 3 N C -1 (2. 6).
Используйте выражение в процессе изоляции 4-1.
T 1 V 1 C -1 = T 3 V 2 C -1 → T 1 = T 4 V 2 C -1 V 1 C -1 = T 4 N C -1 (2. 7).
Продолжайте находить разницу температур t 2 -t 1:.
t 2 -t 1 = t 3 -t 4 n g -1 (2. 8).
（Удаление из (2. 8) в (2. 5):.
h = 1 -t 3 -t 4 t 3 -t 4 n c -1 = 1 n c -1 = 1 -n 1 -c (2. 9).
Принцип основан на цикле вещества, совершающего работу в замкнутом объеме. Само вещество, выполняющее работу, иногда охлаждается или нагревается. Работа выполняется путем изменения объема. Преимущество двигателя в том, что он работает за счет выделения тепла в месте возникновения.
Урок-презентация. 10 класс. «Тепловые двигатели»
Отметим, что в соответствии с Федеральным законом «Об образовании в Российской Федерации» 273-ФЗ в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, обучение и воспитание обучающихся с ограниченными возможностями здоровья организуется как в отдельных классах, так и в группах с другими обучающимися.
Рабочие листы и материалы для учителей и
Более 2 500 учебных материалов для школ и дома
Курсы переподготовки
‘Учиться и выступать: эффективное обучение иностранному языку детей дошкольного возраста’
Сертификаты и скидки для каждого участника
Наталья Сафроненко, профессор физики ГБОУ СОШ № 58 г. Севастополя
1. класс a) Введение в понятие тепловых машин. (b) Изучение компонентов. (c) Изучение операционных полномочий. (d) Введение в концепцию марок тепловых машин.
2.Студенты расширяют представление о преобразовании внутренней энергии в механическую.
3. учителя (a) Прививать интерес к тепловым явлениям. (b) Содействует политехническому образованию.
Оборудование: горелка (сухой спирт). Пробирки с водой и плунжер (в пробирках с картофелем). Составьте таблицу «Архимеда Архимеда»: «Этапы развития тепловой машины», «Эффективность».
Тепловые машины — это устройства, в которых внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую энергию.
Принципы работы тепловой машины.
Этапы развития тепловых машин.
Heron I-IIc.Geronball — прототип новейшего реактивного двигателя. Из закрытого котла, содержащего кипящую воду, пар поступает по трубке в шар и выходит наружу через изогнутую трубку. В то же время сфера вращается. Внутренняя энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения сферы. Полый железный шар изогнутая трубка закрытый казан с кипящей водой огненная трубка
Один конец ствола паровой пушки Архимеда IIIcBC сильно нагрелся от огня. Затем в нагретый участок трубы заливается вода. Вода быстро нагрелась, и пар расширился, выстрелив пушечным ядром с силой и грохотом.
