Сжигание топлива можно производить вне цилиндра, в котором происходит расширение рабочего тела (газа), такой двигатель называют двигателем внешнего сгорания. Примером двигателей внешнего сгорания могут быть:
Тепловые машины и их влияние на окружающую среду
Тепловые машины – основа нашей индустриальной цивилизации. Они приводят в движение автомобили и корабли, вырабатывают ток на электростанциях, дают энергию для работы предприятий. Вместе с тем, использование тепловых машин – причина серьезных экологических проблем, которые становятся все острее.
Тепловая машина (ТМ) – тип двигателя, преобразующий тепло в полезную работу. Он состоит из трех элементов:
К тепловым машинам относятся все бензиновые и дизельные автомобильные моторы, паровые турбины и котлы, реактивные и ракетные двигатели.
Тепловые двигатели (ТД) распространены повсеместно: на транспорте, в энергетике, промышленности. Изобретение паровой машины привело к индустриальной революции XVIII-XIX столетий, радикально изменило облик нашего мира.
Как работает тепловой двигатель
Работа теплового двигателя основана на способности веществ расширяться при повышении температуры. В качестве рабочего тела в ТД используется газ, который нагревается за счет сжигания топлива.
Все ТМ работают циклически. Чтобы запустить подобную систему, температура нагревателя должна быть существенно выше, чем окружающей среды. При обратном ходе поршня температура газа понижается за счет холодильника. Им может служить охлаждающая жидкость или атмосфера.
Работа двигателя равна разности подведенного и отведенного тепла. Коэффициент полезного действия – это отношение работы к теплу, подведенному к системе. Принцип действия тепловых машин основан на 1-м и 2-м законе термодинамики.
Возможность запуска машины Карно в обоих направлениях играет очень большую роль в термодинамике. Например, данный факт служит звеном доказательства максимальности КПД цикла Карно. Мы ещё вернёмся к этому в следующей статье, посвящённой второму закону термодинамики.
Негативное действие тепловых механизмов
Тепловые машины наносят непоправимый вред экологии. Результатом сжигания нефти, угля становится выделение опасных для человечества, флоры, фауны азотных и серных соединений. Также тепловые процессы связаны с использованием атмосферного кислорода, что ведет к снижению его уровня в воздухе.
К тому же топливо для производства тепла не способно полностью сгорать, из-за чего выбрасываются частицы сажи, золы, которой дышат люди. Отходы ТЭС, двигателей внутреннего сгорания в виде хлора, угарного газа, сернистых соединений после выхлопа в атмосферу могут осаждаться в почву. Моторы авто выбрасывают в большом количестве свинец.
Атомные электростанции имеют свои проблемы, влияющие на экологию. Здесь важно в результате деятельности тепловых машин правильно утилизировать радиоактивные отходы.
Экологическая проблема, связанная с применением тепловых машин, связана не только с выбросами выхлопов и загрязнением среды. Результатом использования тепла становится нагревание воздушного пространства. Негативным итогом теплового загрязнения становится и повышение количества углекислого газа в атмосфере, что провоцирует «парниковый эффект». Это ведет к глобальному потеплению, таянию льдов, повышению уровня Мирового океана.
Как работает тепловой двигатель
Работа теплового двигателя основана на способности веществ расширяться при повышении температуры. В качестве рабочего тела в ТД используется газ, который нагревается за счет сжигания топлива.
Все ТМ работают циклически. Чтобы запустить подобную систему, температура нагревателя должна быть существенно выше, чем окружающей среды. При обратном ходе поршня температура газа понижается за счет холодильника. Им может служить охлаждающая жидкость или атмосфера.
Работа двигателя равна разности подведенного и отведенного тепла. Коэффициент полезного действия – это отношение работы к теплу, подведенному к системе. Принцип действия тепловых машин основан на 1-м и 2-м законе термодинамики.
Прежде всего, оно довольно дорого. Его производят сейчас в основном из того же углеводородного топлива, которое водород призван заменить. Получение его из воды с помощью электрической энергии пока еще невыгодно – стоимость водорода получается в несколько раз выше, чем стоимость полученной из него энергии.
К сожалению, человечество не в силах отказаться от использования тепловых двигателей. Где же выход? Чтобы расходовать на порядок меньше топлива, то есть снизить энергопотребление, следует повысить КПД двигателя для проведения одной и той же работы. Борьба с негативными последствиями использования тепловых машин заключается только в том, чтобы увеличить эффективность применения энергии и переходить на энергосберегающие технологии.
В общем, будет неправильным утверждать, что мировая экологическая проблема использования тепловых машин не решается. Все большее количество электровозов вытесняют обычные поезда; становятся популярными автомобили на аккумуляторных батареях; в промышленность внедряются энергосберегающие технологии. Есть надежда, что появятся экологически чистые авиа- и ракетные двигатели. Правительствами многих стран реализуются международные программы по защите окружающей среды, направленные против загрязнения Земли.
В природе мы часто можем наблюдать процессы перехода механической энергии в тепловую энергию, например, трение тел друг о друга в процессе их относительного движения вызывает их нагрев.
Используя тепловой двигатель можно провести обратный процесс: преобразовать теплоту в механическую работу. В тепловом двигателе нагреваемый пар расширяясь, давит на поршень и производит работу.
Любой тепловой двигатель имеет три части:
- нагреватель;
- холодильник;
- рабочее тело, это пар или газ, находящийся в емкости с поршнем, который может расширяться и сжиматься.
При конструировании теплового двигателя задача заключается в том, чтобы создать такие условия, при которых газ будет попеременно соприкасаться с нагревателем и холодильником.
- Контактируя с нагревателем, рабочее тело нагревается, расширяется и совершает работу.
- Соприкасаясь с холодильником газ сжимается, поршень уходит в первоначальное положения, работа совершается над рабочим телом.
- Цикл может начинаться сначала.
Готовые работы на аналогичную тему
- Курсовая работа Тепловые двигатели и охрана окружающей среды 470 руб.
- Реферат Тепловые двигатели и охрана окружающей среды 230 руб.
- Контрольная работа Тепловые двигатели и охрана окружающей среды 190 руб.
Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость
В описанном цикле механическая работа получается в результате теплоотдачи нагревателя.
Нагреватель получает теплоту за счет сжигания топлива разного вида:
Сжигание топлива можно производить вне цилиндра, в котором происходит расширение рабочего тела (газа), такой двигатель называют двигателем внешнего сгорания. Примером двигателей внешнего сгорания могут быть:
Двигатели, у которых сжигание топлива происходит внутри камеры сгорания, называют двигателями внутреннего сгорания. Примерами двигателей внутреннего сгорания могут быть:
Тепловой двигатель не может работать без потерь, то есть он не может переводить в механическую работу все тепло, которое подводится ему извне.
Эффективность работы теплового двигателя определяют при помощи коэффициента полезного действия:
где $A$ — работа в одном цикле; $Q_1$ — количество теплоты, получаемое рабочим телом от нагревателя; $Q_2$ — количество теплоты, отданное системой холодильнику.
Требуется вычитка, рецензия учебной работы? Задай вопрос преподавателю и получи ответ через 15 минут! Задать вопрос
«Зеленая» энергетика – мощный тренд последнего десятилетия. К ней обычно относят ветроэнергетику, солнечные панели, биогаз, приливные электростанции. Они известны человечеству давно, но только сейчас становятся экономически выгодными.
Где применяются тепловые двигатели
Миллионы автомобилей на двигателях внутреннего сгорания занимаются перевозом пассажиров и грузов. По железным дорогам ходят мощные тепловозы, по водным траекториям – теплоходы. Самолеты и вертолеты снабжены поршневыми, турбореактивными и турбовинтовыми двигателями. Ракетные двигатели «толкают» в космическое пространство станции, корабли и спутники Земли. Двигатели внутреннего сгорания в сельском хозяйстве устанавливают на комбайнах, насосных станциях, тракторах и прочих объектах.
К сожалению, человечество не в силах отказаться от использования тепловых двигателей. Где же выход? Чтобы расходовать на порядок меньше топлива, то есть снизить энергопотребление, следует повысить КПД двигателя для проведения одной и той же работы. Борьба с негативными последствиями использования тепловых машин заключается только в том, чтобы увеличить эффективность применения энергии и переходить на энергосберегающие технологии.
В общем, будет неправильным утверждать, что мировая экологическая проблема использования тепловых машин не решается. Все большее количество электровозов вытесняют обычные поезда; становятся популярными автомобили на аккумуляторных батареях; в промышленность внедряются энергосберегающие технологии. Есть надежда, что появятся экологически чистые авиа- и ракетные двигатели. Правительствами многих стран реализуются международные программы по защите окружающей среды, направленные против загрязнения Земли.
В природе мы часто можем наблюдать процессы перехода механической энергии в тепловую энергию, например, трение тел друг о друга в процессе их относительного движения вызывает их нагрев.
Используя тепловой двигатель можно провести обратный процесс: преобразовать теплоту в механическую работу. В тепловом двигателе нагреваемый пар расширяясь, давит на поршень и производит работу.
Любой тепловой двигатель имеет три части:
- нагреватель;
- холодильник;
- рабочее тело, это пар или газ, находящийся в емкости с поршнем, который может расширяться и сжиматься.
При конструировании теплового двигателя задача заключается в том, чтобы создать такие условия, при которых газ будет попеременно соприкасаться с нагревателем и холодильником.
- Контактируя с нагревателем, рабочее тело нагревается, расширяется и совершает работу.
- Соприкасаясь с холодильником газ сжимается, поршень уходит в первоначальное положения, работа совершается над рабочим телом.
- Цикл может начинаться сначала.
Готовые работы на аналогичную тему
- Курсовая работа Тепловые двигатели и охрана окружающей среды 460 руб.
- Реферат Тепловые двигатели и охрана окружающей среды 270 руб.
- Контрольная работа Тепловые двигатели и охрана окружающей среды 210 руб.
Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость
В описанном цикле механическая работа получается в результате теплоотдачи нагревателя.
Нагреватель получает теплоту за счет сжигания топлива разного вида:
Сжигание топлива можно производить вне цилиндра, в котором происходит расширение рабочего тела (газа), такой двигатель называют двигателем внешнего сгорания. Примером двигателей внешнего сгорания могут быть:
Двигатели, у которых сжигание топлива происходит внутри камеры сгорания, называют двигателями внутреннего сгорания. Примерами двигателей внутреннего сгорания могут быть:
Тепловой двигатель не может работать без потерь, то есть он не может переводить в механическую работу все тепло, которое подводится ему извне.
Эффективность работы теплового двигателя определяют при помощи коэффициента полезного действия:
где $A$ — работа в одном цикле; $Q_1$ — количество теплоты, получаемое рабочим телом от нагревателя; $Q_2$ — количество теплоты, отданное системой холодильнику.
Появились вопросы по этой теме? Задай вопрос преподавателю и получи ответ через 15 минут! Задать вопрос
Проблемы экологии, связанные с использованием тепловых машин, пытаются решать все цивилизованные страны. Вводятся новейшие энергосберегающие технологии по усовершенствованию тепловых двигателей. В результате энергопотребление на производство одной и той же продукции значительно снижается, уменьшая вредное действие на экологию.
Принципиальное устройство теплового двигателя
В природе мы часто можем наблюдать процессы перехода механической энергии в тепловую энергию, например, трение тел друг о друга в процессе их относительного движения вызывает их нагрев.
Используя тепловой двигатель можно провести обратный процесс: преобразовать теплоту в механическую работу. В тепловом двигателе нагреваемый пар расширяясь, давит на поршень и производит работу.
Любой тепловой двигатель имеет три части:
- нагреватель;
- холодильник;
- рабочее тело, это пар или газ, находящийся в емкости с поршнем, который может расширяться и сжиматься.
При конструировании теплового двигателя задача заключается в том, чтобы создать такие условия, при которых газ будет попеременно соприкасаться с нагревателем и холодильником.
- Контактируя с нагревателем, рабочее тело нагревается, расширяется и совершает работу.
- Соприкасаясь с холодильником газ сжимается, поршень уходит в первоначальное положения, работа совершается над рабочим телом.
- Цикл может начинаться сначала.
Готовые работы на аналогичную тему
- Курсовая работа Тепловые двигатели и охрана окружающей среды 490 руб.
- Реферат Тепловые двигатели и охрана окружающей среды 260 руб.
- Контрольная работа Тепловые двигатели и охрана окружающей среды 240 руб.
Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость
В описанном цикле механическая работа получается в результате теплоотдачи нагревателя.
Нагреватель получает теплоту за счет сжигания топлива разного вида:
Сжигание топлива можно производить вне цилиндра, в котором происходит расширение рабочего тела (газа), такой двигатель называют двигателем внешнего сгорания. Примером двигателей внешнего сгорания могут быть:
Двигатели, у которых сжигание топлива происходит внутри камеры сгорания, называют двигателями внутреннего сгорания. Примерами двигателей внутреннего сгорания могут быть:
Тепловой двигатель не может работать без потерь, то есть он не может переводить в механическую работу все тепло, которое подводится ему извне.
Эффективность работы теплового двигателя определяют при помощи коэффициента полезного действия:
где $A$ — работа в одном цикле; $Q_1$ — количество теплоты, получаемое рабочим телом от нагревателя; $Q_2$ — количество теплоты, отданное системой холодильнику.
Требуется консультация по учебной работе? Задай вопрос преподавателю и получи ответ через 15 минут! Задать вопрос
Выражение (1) показывает, что тепловой двигатель будет тем эффективнее, чем меньше количество теплоты уходит из системы (не используется).
За 2008 год все ТМ выработали примерно 125 ПВт/ч энергии. Учитывая их небольшой КПД, примерно столько же энергии рассеялось в виде тепла в атмосфере. Хотя это количество и не кажется слишком большим, но оно способно нарушить хрупкий температурный баланс атмосферы, запустив необратимые изменения.
При изучении данной темы ясно просматривается связь, которую имеет физика в экологии. Примеры тому можно найти в таком природном явлении, как круговорот воды. При изучении темы, касающейся парообразования и конденсации, явно просматривается связь этих двух наук. Ведь в природе при любых температурных условиях происходит испарение влаги с поверхности почв и водоемов.
При этом вода, переходящая в состояние пара, конденсируется в верхних слоях атмосферы. Благодаря данному явлению образуются белоснежные облака, и на землю выпадает роса, град или снег. В природе существует определенный баланс между тем количеством воды, которое испаряется с поверхности земли, и тем, которое находится в атмосфере.
В этом случае как физика влияет на экологию? Человек, обладающий мощной техникой, созданной с помощью этой науки, способен уничтожить водоемы, что приведет к нарушению природного равновесия. Новое состояние явится непривычным для живых организмов, обитающих в данной местности. Именно поэтому перед тем как произвести вторжение в природу, человеку важно оценить все возможные последствия своих действий.
Компьютерная, а также офисная техника
При рассмотрении вопроса о степени вредного воздействия ПК также задействованы такие дисциплины, как экология и физика. Причем персональные компьютеры негативно влияют на наше здоровье в большей степени, чем любые другие гаджеты. Согласно проведенным исследованиям, уже спустя 45 минут работы на ПК пользователь, не имеющий средств защиты, получает значительные перегрузки всех регуляторных систем своего организма.
Читайте также: 15 радиоактивных мест в России и странах ближнего зарубежья, от которых лучше держаться подальше
Опасность для человека представляет и такое офисное оборудование, как телефон-факс и копировальная техника. Существуют даже определенные группы людей, имеющих психологические и физиологические особенности, которым вообще не рекомендуется работать за компьютером. Одна из таких категорий – дети.
Причем ПК представляют опасность не только для тех, кто непосредственно сидит за экраном монитора. Электромагнитное излучение, идущее от ПК, особенно от его блока питания, распределяется в радиусе до 2,5 м. Именно поэтому воздействие офисного оборудования в настоящее время становится весомым фактором при рассмотрении электромагнитной безопасности людей.
2. Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. Дальнейшее существенное увеличение концентрации СО2 в атмосфере может привести к повышению ее температуры («парниковый эффект»).
Тепловая машина Карно
Важными характеристиками тепловой машины являются наибольшее и наименьшее значения температуры рабочего тела в ходе цикла. Эти значения называются соответственно температурой нагревателя и температурой холодильника.
Мы видели, что КПД теплового двигателя строго меньше единицы. Возникает естественный вопрос: каков наибольший возможный КПД теплового двигателя с фиксированными значениями температуры нагревателя и температуры холодильника ?
Пусть, например, максимальная температура рабочего тела двигателя равна , а минимальная — . Каков теоретический предел КПД такого двигателя?
Ответ на поставленный вопрос дал французский физик и инженер Сади Карно в 1824 году.
Он придумал и исследовал замечательную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Эта машина работает по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат.
Рассмотрим прямой цикл машины Карно, идущий по часовой стрелке (рис. 5 ). В этом случае машина функционирует как тепловой двигатель.
Изотерма . На участке газ приводится в тепловой контакт с нагревателем температуры и расширяется изотермически. От нагревателя поступает количество теплоты и целиком превращается в работу на этом участке: .
Адиабата . В целях последующего сжатия нужно перевести газ в зону более низких температур. Для этого газ теплоизолируется, а затем расширяется адиабатно на учатке .
При расширении газ совершает положительную работу , и за счёт этого уменьшается его внутренняя энергия: .
Изотерма . Теплоизоляция снимается, газ приводится в тепловой контакт с холодильником температуры . Происходит изотермическое сжатие. Газ отдаёт холодильнику количество теплоты и совершает отрицательную работу .
Адиабата . Этот участок необходим для возврата газа в исходное состояние. В ходе адиабатного сжатия газ совершает отрицательную работу , а изменение внутренней энергии положительно: . Газ нагревается до исходной температуры .
Карно нашёл КПД этого цикла (вычисления, к сожалению, выходят за рамки школьной программы):
Кроме того, он доказал, что КПД цикла Карно является максимально возможным для всех тепловых двигателей с температурой нагревателя и температурой холодильника .
Так, в приведённом выше примере имеем:
В чём смысл использования именно изотерм и адиабат, а не каких-то других процессов?
Оказывается, изотермические и адиабатные процессы делают машину Карно обратимой. Её можно запустить по обратному циклу (против часовой стрелки) между теми же нагревателем и холодильником, не привлекая другие устройства. В таком случае машина Карно будет функционировать как холодильная машина.
Возможность запуска машины Карно в обоих направлениях играет очень большую роль в термодинамике. Например, данный факт служит звеном доказательства максимальности КПД цикла Карно. Мы ещё вернёмся к этому в следующей статье, посвящённой второму закону термодинамики.
Тепловые двигатели и охрана окружающей среды
Тепловые двигатели наносят серьёзный ущерб окружающей среде. Их повсеместное использование приводит к целому ряду негативных эффектов.
• Рассеяние в атмосферу огромного количества тепловой энергии приводит к повышению температуры на планете. Потепление климата грозит обернуться таянием ледников и катастрофическими бедствиями.
• К потеплению климата ведёт также накопление в атмосфере углекислого газа, который замедляет уход теплового излучения Земли в космос (парниковый эффект).
• Из-за высокой концентрации продуктов сгорания топлива ухудшается экологическая ситуация.
Это — проблемы в масштабе всей цивилизации. Для борьбы с вредными последствиями работы тепловых двигателей следует повышать их КПД, снижать выбросы токсичных веществ, разрабатывать новые виды топлива и экономно расходовать энергию.
