Ефективността на реалната формула за топлинна машина. Максимална ефективност на термичните машини (теорема на CARNO)

Съвременните реалности предполагат широката работа на термичните двигатели. Многобройни опити за замяна на електродвигатели все още са неуспешни. Проблемите, свързани с натрупването на електроенергия в автономните системи, се решават с голяма трудност.

Проблемите на производството на електрически батерии все още са подходящи, като се вземат предвид тяхната дългосрочна употреба. Високоскоростните характеристики на електрическите превозни средства са далеч от тези в автомобила на двигателите с вътрешно горене.

Първите стъпки за създаване на хибридни двигатели позволяват значително да се намалят вредните емисии в Мегалополис, решаване на екологични проблеми.

Малко история

Способността да се трансформира енергията на пара в енергията на движение е известна в древността. 130 г. пр. Хр., Херон Александричен философ представи на публиката парна играчка - eolipale. Сферата, пълна с пара, дойде в ротация под действието на джетове, излъчвани от него. Този прототип на съвременните парни турбини в онези дни не намери приложения.

В продължение на много години и век, развитието на философ се смяташе само за забавна играчка. През 1629 г. италианският Д. Бранка създаде активна турбина. Двойката поведе диска, оборудвана с остриета.

От този момент започна бързото развитие на парни двигатели.

Топлинна машина

Конвертирането на гориво в енергията на движението на части от машини и механизми се използва в термични машини.

Основни части на машини: нагревател (система за производство на енергия отвън), работното тяло (прави полезно действие), хладилник.

Нагревателят е предназначен да гарантира, че работният течност е натрупал достатъчно количество вътрешна енергия, за да направи полезна работа. Хладилникът премахва излишната енергия.

Основната характеристика на ефективността се нарича ефективност на ефективност. Тази стойност показва коя част, изразходвана за отопление на енергия, се изразходва за изпълнението на полезна работа. Колкото по-висока е ефективността, толкова по-печеливша функционирането на машината, но тази стойност не може да надвишава 100%.

Изчисляване на ефективността

Нека нагревателят е придобил от външната енергия, равен на Q 1. Работната течност, извършена работа А, с енергията, дадена на хладилника, беше Q2.

Въз основа на дефиницията изчисляваме степента на ефективността:

η \u003d a / q 1. Оценете, че A \u003d Q 1 - Q2.

Оттук и ефективността на топлинната машина, формулата на която има формата η \u003d (q 1 - q 2) / q 1 \u003d 1 - q 2 / q 1, ви позволява да нарисувате следните заключения:

• Ефективността не може да надвишава 1 (или 100%);
• за да се максимизира увеличаването на тази величина, е необходимо или увеличаване на енергията, получена от нагревателя, или намаляване на енергията, дадена на хладилника;
• увеличаването на енергията на нагревателя се постига чрез промяна на качеството на горивото;
• намаляването на енергията, дадена на хладилника, дава възможност за постигане на структурните особености на двигателите.

Перфектен топлочер

Възможно ли е да се създаде такъв двигател, чиято ефективност ще бъде максимална (в идеалния случай - равна на 100%)? Намерете отговора на този въпрос, опитайте френския физик и талантлив инженер Сади Карло. През 1824 г. теоретичните му изчисления върху процесите, които се случват в газовете, са направени публични.

Основната идея, поставена в перфектната кола, може да се счита за реверсивни процеси с перфектен газ. Започваме с разширяването на газ изотерми при температури Т1. Размерът на топлината, необходим за това, Q 1. След газ без топлообмен се разширява, достигайки температурата Т2, газът се компресира изотермично, предавайки хладилника с енергия Q2. Завръщането на газа към първоначалното състояние е направено Адиабато.

Ефективността на идеалния термичен двигател на CARNO, с точна изчисление, е равна на съотношението на температурната разлика на отоплителните и охлаждащите устройства към температурата, която нагревателят има. Изглежда това: η \u003d (t 1 - t 2) / t 1.

Възможна ефективност на топлинната машина, формулата на която има формата: η \u003d 1 - t 2 / t1 зависи само от температурата на нагревателя и охладителя и не може да бъде повече от 100%.

Освен това, това съотношение ни позволява да докажем, че ефективността на термичните машини може да бъде равна на един само когато температурата се достигне с температурния хладилник. Както знаете, тази стойност е недостижима.

Теоретичните изчисления на CARNO ви позволяват да определите максималната ефективност на топлинната машина на всеки дизайн.

Доказано теорема на Carno звучи следния начин. Извънредната термална машина при никакви обстоятелства не е в състояние да има полезен ефект от подобна стойност на ефективността на перфектната топлинна машина.

Пример за решаване на задачи

Пример 1. Каква е ефективността на перфектната топлинна машина, ако температурата на нагревателя е 800 ° С и температурата на хладилника е 500 ° C по-долу?

T 1 \u003d 800 ° C \u003d 1073 k, Δt \u003d 500 o c \u003d 500 k, η -?

По дефиниция: η \u003d (t 1 - t 2) / t 1.

Ние не се дават на температурата на хладилника, но Δt \u003d (t 1 - t 2), следователно:

η \u003d Δt / t 1 \u003d 500 k / 1073 k \u003d 0.46.

Отговор: kpd \u003d 46%.

Пример 2. Определете ефективността на идеалната топлинна машина, ако полезна работа от 650 д. Какво е температурата на нагревателя на топлоносителя, ако температурата на охладителя е 400 k?

Q 1 \u003d 1 kJ \u003d 1000 J, a \u003d 650 J, t 2 \u003d 400 k, η -?, T 1 \u003d?

Тази задача говорим за топлинна инсталация, чиято ефективност може да бъде изчислена по формулата:

За да се определи температурата на нагревателя, ние използваме формулата на ефективността на перфектната топлинна машина:

η \u003d (t 1 - t 2) / t 1 \u003d 1 - т2 / т1.

След извършване на математически трансформации, получаваме:

T 1 \u003d t 2 / (1- η).

T 1 \u003d t 2 / (1- a / q 1).

Изчисли:

η \u003d 650 J / 1000 J \u003d 0.65.

T 1 \u003d 400 k / (1- 650 J / 1000 J) \u003d 1142.8 К.

Отговор: η \u003d 65%, t 1 \u003d 1142.8 К.

Реални условия

Идеалният термичен двигател е проектиран с идеални процеси. Работата се извършва само в изотермични процеси, нейната стойност се определя като област, ограничена от график на цикъла на CARNO.

Всъщност, за да се създадат условия за процеса на промяна на състоянието на газ, без придружаващи температурните промени, е невъзможно. Няма такива материали, които да изключват топлообмен с околните обекти. Адиабатният процес става невъзможен. В случай на топлообмен, температурата на газа трябва да се промени.

Ефективността на термичните машини, създадена в реални условия, е значително различна от ефективността на идеалните двигатели. Обърнете внимание, че потокът от процеси в реални двигатели се среща толкова бързо, че различността на вътрешната топлинна енергия на работното вещество в процеса на промяна на обема не може да бъде компенсирана от потока на топлината от нагревателя и връщането на. \\ T Хладилник.

Други термични двигатели

Реалните двигатели работят по други цикли:

• oTTO цикъл: процесът с постоянен обем се променя Adiabat, създавайки затворен цикъл;
• дизелов цикъл: Isobar, Adiabat, Isoof, Adiabata;
• Процесът, който се извършва при постоянно налягане, се заменя с Adiabat, затваря цикъла.

Създаване на равновесни процеси в реални двигатели (за да ги доведат до идеални) в условията на съвременната технология, това не е възможно. Ефективността на термичните машини е значително по-ниска, дори като се вземат предвид същите температурни режими, както при перфектната топлинна инсталация.

Но не е необходимо да се намалява ролята на проектната формула за ефективността, тъй като става въпрос за позоваване в процеса на работа за подобряване на ефективността на реалните двигатели.

Начини за промяна на ефективността

Провеждане на сравнение на идеалните и реалните топлинни двигатели, заслужава да се отбележи, че температурата на скорошния хладилник не може да бъде. Обикновено хладилникът се счита за атмосфера. Вземете температурата на атмосферата само в приблизителни изчисления. Опитът показва, че температурата на охладителя е равна на температурата на газовете, прекарани в двигатели, тъй като се среща в двигатели с вътрешно горене (съкратено в борда).

DVS е най-често срещаната топлинна машина в нашия свят. Ефективността на топлинната машина в този случай зависи от температурата, създадена от горивото гориво. Съществената разлика в двигателя от парни превозни средства е сливането на функциите на нагревателя и работната флуид на устройството във въздушното гориво. Изгаряне, сместа създава налягане върху движещите се части на двигателя.

Увеличените работни газове достигат значително променящите се свойства на горивото. За съжаление, не е възможно да го направим за неопределено време. Всеки материал, от който е направено изгарянето на двигателя, има точката на топене. Топлоустойчивостта на такива материали е основната характеристика на двигателя, както и способността да се повлияе значително върху ефективността.

Стойности на двигателите на ефективността

Ако считаме, че температурата на работната двойка на входа на която е 800 k, а отработеният газ е 300 k, тогава ефективността на тази машина е 62%. Всъщност тази стойност не надвишава 40%. Такова намаление се дължи на загубите на топлина, когато корпусът на турбината се нагрява.

Най-голямата стойност на вътрешното изгаряне не надвишава 44%. Увеличаването на тази стойност е въпросът за близкото бъдеще. Промяната на свойствата на материалите, горивото е проблем, който най-добрите умове на човечеството работят.

Работата на много видове машини характеризира такъв важен показател като ефективност на ефективността. Инженерите всяка година се стремят да създадат по-усъвършенствана техника, която с по-малка цел ще даде максимален резултат от неговото използване.

Топло двигателно устройство

Преди да се занимавате с това, е необходимо да се разбере как работи този механизъм. Без познаване на принципите на нейното действие, е невъзможно да се установи същността на този показател. Термичният двигател се нарича устройство, което прави работа поради използването на вътрешна енергия. Всяка топлинна машина, която се превръща в механична, използва термична експанзия на вещества с повишаване на температурата. При двигатели със солидни състояния е възможно не само промяна в обема на веществото, но и формата на тялото. Ефектът на такъв двигател е предмет на законите на термодинамиката.

Принцип на работа

За да разберем как работи топлинният двигател, е необходимо да се разгледа основите на нейния дизайн. За функционирането на устройството са необходими две тела: горещ (нагревател) и студен (хладилник, охладител). Принципът на действие на термичните двигатели (ефективността на термичните двигатели) зависи от техния тип. Често хладилникът е парен кондензатор, а нагревателят е всеки вид гориво в пещта. Ефективността на идеалния термичен двигател е в такава формула:

Ефективност \u003d (ТНГАВ. - Толод.) / ТНАГев. x 100%.

В същото време ефективността на реалния двигател никога няма да може да надвишава стойностите, получени съгласно тази формула. Също така, този показател никога няма да надвишава гореспоменатата стойност. За повишаване на ефективността, най-често увеличават температурата на нагревателя и да се намали температурата на хладилника. И двата процеса ще бъдат ограничени до реални условия на труд.

Когато термичният двигател функционира, се извършва работа, тъй като газът започва да губи енергия и се охлажда до известна температура. Последното, като правило, е няколко градуса над заобикалящата атмосфера. Това е температурата на хладилника. Такова специално устройство е предназначено за охлаждане с последващата кондензация на отработената пара. Когато има кондензатори, температурата на хладилниците понякога е по-ниска от температурата на околната среда.

В топлина тялото по време на отопление и експанзия не може да даде цялата си вътрешна енергия за извършване на работа. Част от топлината ще бъде прехвърлена в хладилника заедно с или пара. Тази част от термичния е неизбежно загубена. Работната течност при изгаряне на гориво получава определено количество топлина от нагревателя Q 1. В същото време тя все още извършва работа А, по време на която той прехвърля хладилника част на термичната енергия: Q 2

Ефективността характеризира ефективността на двигателя в областта на предаването и предаването на енергия. Този индикатор често се измерва като процент. Формула ефективност:

η * a / qx100%, където q е изразходваната енергия, но е полезна работа.

Въз основа на закона за запазване на енергията може да се заключи, че ефективността винаги ще бъде по-малка от една. С други думи, полезната работа никога няма да бъде повече от енергия, изразходвана за нея.

Ефективността на двигателя е съотношението на полезната работа на енергията, докладвана от нагревателя. Тя може да бъде представена като такава формула:

η \u003d (q 1 -q 2) / q 1, където ql е топлина, получена от нагревателя, и q2 е даден на хладилника.

Работа на термичния двигател

Работата, извършена от термичния двигател, се изчислява по тази формула:

A \u003d | q h | - | q x |, където А е работата, q h е количеството топлина, получена от нагревателя, q x е количеството топлина, която се дава на охладителя.

| Q h | - | q x |) / | q h | \u003d 1 - | q x | / | q h |

Той се равнява на отношението на двигателя, който двигателят изпълнява количеството на получената топлина. Част от топлинната енергия с това предаване се губи.

Двигател CARNO.

Максималната ефективност на термичната двигател е отбелязана на устройството на CARNO. Това се дължи на факта, че в определената система зависи само от абсолютната температура на нагревателя (TN) и охладителя (TX). Ефективността на термичния двигател, работещ със софтуера, се определя по следната формула:

(Tx) / tn \u003d - tx.

Законите на термодинамиката позволяват изчисляването на максималната ефективност, която е възможна. За първи път тази цифра изчислява френския учен и инженер Сади Карло. Той излезе с термална машина, която работи с перфектен газ. Той работи на цикъл от 2 изотерми и 2 адиабат. Принципът на нейната работа е доста прост: контактът на нагревателя се доставя на газовия съд, в резултат на което работният флуид се разширява изотермично. В същото време функционира и получава определено количество топлина. След като корабът е топлоизолиран. Въпреки това газът продължава да се разширява, но вече адиабато (без топлообмен с околната среда). По това време температурата му намалява с показателите за хладилника. В този момент газовите контакти с хладилника, в резултат на което му придава определено количество топлина по време на изометрична компресия. След това съдът отново се изолира. В същото време газът се адиабатично се сгъства до първоначалния обем и състояние.

Сортове

Днес има много видове термични двигатели, които работят според различни принципи и на различни горива. Всички имат своя собствена ефективност. Те включват следното:

Двигател за вътрешно горене (бутало), който е механизъм, където част от химическата енергия на горивото гориво преминава в механична енергия. Такива устройства могат да бъдат газ и течност. Има 2 и 4 инсулт. Те могат да имат работен цикъл на непрекъснато действие. Съгласно метода за получаване на смес от гориво, такива двигатели са карбуратор (с външна смес) и дизел (с вътрешно). По вид енергиен конвертор те са разделени на буталото, струята, турбината, комбинираните. Ефективността на такива машини не надвишава 0.5.

Двигателят на Стърлинг е устройство, в което работната течност е в затворено пространство. Това е разнообразие от външен двигател с вътрешно горене. Принципът на нейното действие се основава на периодичното охлаждане / отопление на организма за производство на енергия поради промени в обема му. Това е един от най-ефективните двигатели.

Турбина (ротационен) двигател с външно изгаряне на гориво. Такива инсталации най-често се срещат в термични електрически станции.

Турбин (ротационно) DVS се използва върху термични електрически станции в пиков режим. Не толкова често, колкото и другите.

Turbinente двигателят за сметка на винта създава част от тягата. Останалото е за сметка на отработените газове. Неговият дизайн е въртящ се двигател на вала, от който е засаден въздухът.

Други видове термични двигатели

Ракета, турбоактивен и които получават апетити поради връщането на отработените газове.

Двигателите с твърда държава се използват като горивно твърдо вещество. Когато работи, променя обема си, а форма. При работа с оборудването се използва изключително малка температурна разлика.

Как мога да увелича ефективността

Възможно ли е да се увеличи ефективността на термичния двигател? Отговорът трябва да се търси в термодинамиката. Той изследва взаимни трансформации на различни видове енергия. Установено е, че е невъзможно за всички съществуващи механични и т.н. В същото време трансформацията им в термична се среща без никакви ограничения. Това е възможно поради факта, че естеството на топлинната енергия се основава на неравномерно (хаотично) движение на частиците.

Колкото по-силно се загрява, толкова по-бързо ще се движат компонентите на молекулата му. Движението на частиците ще бъде още по-безредно. Заедно с това всеки знае, че редът може лесно да се превърне в хаос, което е много трудно да се рационализира.

И полезни формули.

Задачи във физиката за ефективността на термичния двигател

Задача за изчисляване на ефективността на топлинния двигател №1

Състояние

Водата с тегло 175 g се загрява върху алкохола. Докато водата се нагрява от T1 \u003d 15 до T2 \u003d 75 градуса по Целзий, масата на алкохола намалява от 163 до 157 g. Изчислете ефективността на инсталацията.

Решение

Ефективността на полезната операция може да бъде изчислена като съотношение на полезна работа и общото количество топлина, генерирана от алкохола:

Полезна работа в този случай е еквивалент на количеството топлина, което е излязло изключително за отопление. Тя може да бъде изчислена съгласно добре познатата формула:

Общото количество топлина се изчислява, знаейки масата на изгорения алкохол и специфичната му топлина на горенето.

Ние заменим стойностите и изчисляваме:

Отговор: 27%

Задача за изчисляване на ефективността на топлинния двигател №2

Състояние

Старият двигател си направи работа от 220.8 MJ, докато харчи 16 килограма бензин. Изчислете ефективността на двигателя.

Решение

Ние намираме общото количество топлина, която произвежда двигателя:

Или, умножаване на 100, получаваме стойността на ефективността в процента:

Отговор: 30%.

Задача за изчисляване на ефективността на топлинния двигател №3

Състояние

Топлинната машина работи върху цикъла на CARNO, като 80% от топлината, получена от нагревателя, се предава на хладилника. За един цикъл работното тяло получава 6.3 J топлина от нагревателя. Намерете работата и ефективността на цикъла.

Решение

Ефективност на перфектната топлинна машина:

Чрез условие:

Изчислете първата работа и след това ефективност:

Отговор: двадесет%; 1.26 J.

Задача за изчисляване на ефективността на топлинния двигател №4

Състояние

Диаграмата изобразява дизелов двигател, състоящ се от Adiabat 1-2 и 3-4, Isobara 2-3 и Isoohra 4-1. Температурата на газа в точки 1, 2, 3, 4 са t1, t2, t3, t4 съответно. Намерете CCD цикъла.

Решение

Нека анализираме цикъла и ефективността ще бъде изчислена чрез подчиненото и разпределено количество топлина. На Adiabats, топлината не се доставя и не е разпределена. На Isobara 2 - 3 топлината се подава, обема се увеличава и съответно нараства температурата. На ISOORE, 4 - 1 топлината е дадена и налягането и температурата падат.

По същия начин:

Получаваме резултата:

Отговор: Виж по-горе.

Предизвикателството за изчисляване на ефективността на топлинния двигател № 5

Състояние

Термичната кола, работеща върху цикъла на карбона, дава възможност за един цикъл A \u003d 2.94 kJ и дава на охладителя за един цикъл количеството на топлината Q2 \u003d 13.4 kJ. Намерете CCD цикъла.

Решение

Ние пишем формула за ефективност:

Отговор: 18%

Въпроси по темата за термичните двигатели

Въпрос 1. Какво е топлинен двигател?

Отговор. Топлинният двигател е машина, която прави работата поради енергията, която идва в процеса на пренос на топлина. Основните части на термичния двигател: нагревател, хладилник и работно тяло.

Въпрос 2. Дайте примери за термични двигатели.

Отговор. Първите термични двигатели, които са получили широко разпространени машини. Примери за модерен топлинен двигател могат да служат:

• ракетен двигател;
• двигател на самолета;
• газова турбина.

Въпрос 3. Може ли ефективността на двигателя да бъде равна на една?

Отговор. Не. Ефективността винаги е по-малка от една (или по-малка от 100%). Наличието на двигател с ефективност е равно на един обрат на първото начало на термодинамиката.

Ефективността на реалните двигатели рядко надвишава 30%.

Въпрос 4. Какво е KPD?

Отговор. Ефективност (ефективност) - съотношението на работата, която двигателят изпълнява на количеството топлина, получена от нагревателя.

Въпрос 5. Какво е специфичното топло изгаряне на горивото?

Отговор. Специфични топлинни изгаряния q. - физическата стойност, която показва колко топлина се освобождава при изгаряне на гориво с тегло 1 кг. При решаването на задачите на ефективността е възможно да се определи силата на двигателя N и количеството гориво, изгаряно за единица време.

Задачи и въпроси относно цикъла на CARNO

Като засяга темата на топлинните двигатели, е невъзможно да се остави настрана Carno, може би най-известният цикъл на топлинната машина във физиката. Ние допълнително даваме няколко задачи и въпроси към цикъла на CARNO с решението.

Цикълът (или процесът) на CARNO е перфектният кръгъл цикъл, състоящ се от две адиабат и две изотерми. Наречен така в чест на френския инженер Сади Карно, който описа този цикъл в своята научна работа "в движещата сила на огъня и за машини, които могат да развият тази сила" (1894).

Задача за цикъла на CARNO №1

Състояние

Идеалният термален автомобил, работещ на цикъла на карбола, дава възможност за един цикъл a \u003d 73.5 kJ. Температура на нагревателя T1 \u003d 100 ° С, температура на хладилника T2 \u003d 0 ° C. Намерете ефективността на цикъла, количеството топлина, получена от машината за един цикъл от нагревателя, и количеството топлина, пуснато за един цикъл хладилникът.

Решение

Изчислете CPD на цикъла:

От друга страна, за да намерите количеството топлина, получена от машината, ние използваме съотношението:

Количеството топлина, дадено на хладилника, ще бъде равно на разликата в общата топлинна и полезна работа:

Отговор: 0.36; 204.1 KJ; 130.6 kJ.

Задачата на цикъла на CARNO №2

Състояние

Идеалната термална кола, работеща в цикъла на карно, прави възможно за един цикъл A \u003d 2.94 KJ и дава количеството на качеството на топлина Q2 \u003d 13.4 kJ за един цикъл. Намерете CCD цикъла.

Решение

Формула за ефективност Цикъл CARNO:

Тук една перфектна работа и Q1 е количеството топлина, необходима за това. Количеството топлина, което перфектната кола дава на хладилника, равен на разликата в тези две стойности. Знаейки го, откриваме:

Отговор: 17%.

Задача за Carno Cycle №3

Състояние

Карно цикъл на диаграма и го опишете

Решение

Цикълът на CARNO на фотографската диаграма е както следва:

• 1-2. Изотермалното разширение, работното тяло получава от нагревателя количеството на топлина Q1;
• 2-3. Адиабатното разширяване, топлината не се доставя;
• 3-4. Изотермична компресия, по време на която топлината се прехвърля в хладилника;
• 4-1. Адиабатна компресия.

Отговор: виж по-горе.

Въпрос относно цикъла на CARNO №1

Думата първата теорема на Carno

Отговор. Първото теоремен на Carno States: Ефективността на топлинната машина, работеща на цикъла на карно, зависи само от температурите на нагревателя и хладилника, но не зависи от устройството на машината, нито от вида или свойствата на неговата работна течност.

Въпрос за цикъла на CARNO №2

Може ли ефективността в цикъла на CARNO да бъде 100%?

Отговор. Не. Ефективността на цикъла на CARNO ще бъде 100% само ако температурата на хладилника е равна на абсолютната нула и това не е възможно.

Ако имате някакви въпроси относно темата за термичните двигатели и цикъла на CARNO, можете спокойно да ги попитате в коментарите. И ако имате нужда от помощ при решаване на задачи или други примери и задачи, контакт

« Физика - 10 клас »

Какво е термодинамична система и кои параметри се характеризират с нейното състояние.
Думата първия и втория закони на термодинамиката.

Това е създаването на теорията на термичните двигатели и доведе до формулирането на втория закон на термодинамиката.

Вътрешните енергийни резерви в земната кора и океаните могат да се считат за практически неограничени. Но за решаване на практически задачи, все още не е достатъчно да има енергийни резерви. Необходимо е също така да можете да управлявате машината към фабриката и други машини за сметка на енергията, средствата за транспортиране, трактори и други машини, завъртете роторите на генератори на електрически ток и др. Двигатели на човечеството върша работа. Повечето от двигателите на земята са топлинни двигатели.

Топлинни двигатели - Това са устройства, които превръщат вътрешната енергия на горивото в механична работа.

Принципа на действие на термични двигатели.

За да работи двигателят, разликата в налягането е необходима от двете страни на буталото на двигателя или турбинните ножове. Във всички термални двигатели тази разлика в налягането се постига поради повишаване на температурата. работно тяло (Газ) за стотици или хиляди степени в сравнение с температурата на околната среда. Такова увеличение на температурата се осъществява при изгаряне на гориво.

Една от основните части на двигателя е покрит с газ с подвижно бутало. Всички термични двигатели са работеща течност, която прави работа при разширяване. Обозначават първоначалната температура на работния флуид (газ) през т1. Тази температура в парни турбини или машини придобива двойки в парен котел. При двигатели с вътрешно горене и газови турбини, увеличението на температурата се осъществява при изгаряне на горивото в самия двигател. Температурата t 1 се нарича температура на нагревателя.

Ролята на хладилника.

Тъй като операцията се извършва, газът губи енергия и неизбежно се охлажда до определена температура Т2, която обикновено е малко по-висока от температурата на околната среда. Нарича се температурен хладилник. Хладилникът е атмосферата или специалните устройства за охлаждане и кондензация на отработената пара - кондензатори. В последния случай температурата на хладилника може да бъде малко по-ниска от температурата на околната среда.

Така, в двигателя, работният орган по време на експанзия не може да даде цялата си вътрешна енергия за извършване на работа. Част от топлината неизбежно се предава на хладилник (атмосфера) заедно с изпускателния ферибот или отработените газове на вътрешните горивни и газови турбини.

Тази част от енергията на вътрешната гориво се губи. Топлинният двигател прави работа поради вътрешната енергия на работната течност. И в този процес се появява топлинно предаване от по-горещо тел (нагревател) до по-студено (хладилник). Диаграмата на топлинния двигател е показана на фигура 13.13.

Работното тяло на двигателя получава от нагревателя при изгаряне на гориво, количеството топлина на Q 1, извършва работа А "и прехвърля количеството топлина до хладилника Въпрос 2.< Q 1 .

За да може двигателят да работи непрекъснато, работният орган трябва да бъде върнат в първоначалното състояние, при което температурата на работния флуид е равна на 1. Оттук следва, че работата на двигателя възниква в периодично повтарящи се затворени процеси или, както се казва в цикъла.

Цикъл - Това е редица процеси, в резултат на което системата се връща в първоначалното състояние.

Коефициента на ефективност (ефективност) на топлинния двигател.

Неспособността за завършване на вътрешната енергия на газа в експлоатацията на термични двигатели се дължи на необратимостта на процесите в природата. Ако топлината може да се върне спонтанно от хладилника към нагревателя, след това вътрешната енергия може да се превърне напълно в полезна работа с помощта на всеки термичен двигател. Вторият закон на термодинамиката може да бъде формулиран, както следва:

Вторият закон на термодинамиката:
невъзможно е да се създаде вечен двигател от втория вид, което напълно би завършило топлината в механична работа.

Съгласно закона за енергоспестяване операцията, извършена от двигателя, е равна на:

A "\u003d Q 1 - | q 2 |, (13.15)

където q 1 е количеството топлина, получена от нагревателя, Q2 е количеството топлина, дадено на хладилника.

Ефективността на полезното действие (ефективност) на топлинния двигател се нарича съотношение на операцията А "двигател, изпълняван от двигателя, до количеството топлина, получена от нагревателя:

Тъй като всички двигатели имат определено количество топлина, предавани на хладилника, след това η< 1.

Максималната стойност на ефективността на термичните двигатели.

Законите на термодинамиката позволяват да се изчисли максималната възможна ефективност на топлинния двигател, работещ с нагревател с температура Т1 и хладилник с температура Т2, както и да се определят начините за увеличаване.

За първи път максималната възможна ефективност на топлинния двигател изчислява френския инженер и Сади Карно (1796-1832) в трудоспособна "размисли за движещата сила на огъня и за автомобили, които могат да развият тази сила" (1824).

Carno излезе с перфектната топлинна машина с перфектен газ като работно тяло. Идеалната топлинна машина Carno работи върху цикъл, състоящ се от две изотерми и две адиабат, и тези процеси се считат за обратими (фиг. 13.14). Първоначално газовият съд е в контакт с нагревателя, газът изодимно се разширява, което прави положителна работа при температура от Т1 и получава количеството топлина q 1.

След това съдът е термично изолиран, газът продължава да разширява вече адиабато, като температурата му намалява до температурата на хладилника Т2. След това газът е в контакт с хладилника, по време на изотермалната компресия, той дава на хладилника количеството топ 2, компресиране към тома V 4< V 1 . Затем сосуд снова теплоизолируют, газ сжимается адиабатно до объёма V 1 и возвращается в первоначальное состояние. Для КПД этой машины было получено следующее выражение:

Както следва от формула (13.17), автомобилната ефективност на автомобила може директно да пропорционална на разликата в абсолютните температури на нагревателя и хладилника.

Основната стойност на тази формула е, че съдържа пътя за повишаване на ефективността, за това е необходимо да се увеличи температурата на нагревателя или да се намали температурата на хладилника.

Всяка реална топлинна машина, работеща с нагревател с температура Т1 и хладилник с температура Т2 не може да има ефективност, надвишаваща ефективността на перфектната топлинна машина: Процесите на които се състоят от цикъл от реална топлинна машина, не са обратими.

Формула (13.17) дава теоретичната граница за максималната стойност на ефективността на термичните двигатели. Той показва, че термичният двигател е по-ефективен от разликата в температурата на нагревателя и хладилника.

Само при температура на хладилник, равна на абсолютната нула, η \u003d 1. Освен това е доказано, че ефективността, изчислена с формула (13.17), не зависи от работното вещество.

Но температурата на хладилника, ролята на която обикновено играе атмосферата, може на практика да бъде по-ниска от температурата на околната среда. Можете да увеличите температурата на нагревателя. Въпреки това, всеки материал (твърд корпус) има ограничена топлоустойчивост или топлоустойчивост. Когато се нагрява, той постепенно губи своите еластични свойства и при достатъчно висока температура се топи.

Сега основните усилия на инженерите са насочени към повишаване на ефективността на двигателите поради намаляването на триенето на техните части, загубата на горива поради непълното му изгаряне и др.

За парата турбина първоначалният и крайният температурен температури са около това: Т1 - 800 K и T2- 300 K. При тези температури максималната стойност на ефективността на ефективността е 62% (отбелязваме, че ефективността е обикновено се измерват като процент). Действителната стойност на ефективността, дължаща се на различните видове енергийни загуби е приблизително 40%. Максимална ефективност - около 44% - дизелови двигатели.

Опазване на околната среда.

Трудно е да си представим съвременния свят без топлинни двигатели. Това са тези, които ни предоставят комфортен живот. Термичните двигатели водят трафик. Около 80% от електроенергията, въпреки наличието на атомни електроцентрали, се произвежда с термични двигатели.

Въпреки това, по време на експлоатацията на топлинни двигатели възникват неизбежното замърсяване на околната среда. Това е противоречие: от една страна, човечеството всяка година все повече и повече енергия е необходима, най-голямата част от която се получава чрез изгаряне на гориво, от друга страна, процесите на горене неизбежно са придружени от замърсяване на околната среда.

При изгаряне на гориво съдържанието на кислород се намалява в атмосферата. В допълнение, продуктите на горенето образуват химични съединения, вредни за живите организми. Замърсяването възниква не само на Земята, но и във въздуха, тъй като всеки полет на въздухоплавателното средство е придружен от емисии на вредни примеси в атмосферата.

Една от последствията от работата на двигателя е образуването на въглероден диоксид, който абсорбира инфрачервеното излъчване на земната повърхност, което води до увеличаване на температурата на атмосферата. Това е така нареченият парников ефект. Измерванията показват, че температурата на атмосферата през годината се увеличава с 0.05 ° C. Такова непрекъснато увеличение на температурата може да предизвика топене на лед, което от своя страна ще доведе до промяна на нивото на водата в океаните, т.е. за наводняване на континентите.

Отбелязваме друг отрицателен момент, когато използваме термични двигатели. Така че понякога водата от реки и езера се използва за охлаждане на двигателите. След това нагрятата вода се връща обратно. Възходът на температурата в резервоарите нарушава естественото равновесие, това явление се нарича топлинно замърсяване.

За опазване на околната среда различни филтри за почистване са широко използвани, което предотвратява емисиите на вредни вещества в атмосферата, дизайните на двигателя са подобрени. Налице е непрекъснато подобряване на горивото, което дава по-малко вредни вещества по време на горенето, както и неговата горивна технология. Алтернативните енергийни източници се развиват активно с вятър, слънчева радиация, енергия на ядрото. Вече произвеждат електрически превозни средства и автомобили, работещи върху слънчевата енергия.

Клас: 10

Вид на урока: Урок, който изучава нов материал.

Целта на урока: обясни принципа на действие на термичния двигател.

Задачи Урок:

Образование: въвеждане на ученици с видове топлинни двигатели, развиват способността да се определи ефективността на топлинните двигатели, разкриват ролята и стойността на TD в съвременната цивилизация; Да обобщят и разширяват знанията на студентите по въпросите на околната среда.

Разработване: Разработване на внимание и реч, подобряване на уменията за работа с представянето.

Образование: да се възприеме чувството за отговорност за следващите поколения, във връзка с които считат ефекта на термичните двигатели към околната среда.

Оборудване: Компютри за студенти, компютър на учителя, мултимедиен проектор, тестове (в Excel), Физика 7-11 Библиотека на електронни визуални наръчници. "Кирил и Методий".

Темата на нашия урок: "Топлинни двигатели". (Слайд 1)

Днес ще припомним видовете термални двигатели, разглеждаме условията за тяхната ефективна работа, да говорим за проблемите на тяхната масивна употреба. (Слайд 2)

Преди да пристъпите към изследването на новия материал, предлагам да проверя как сте готови за това.

Фронтално проучване:

- Дайте формулирането на първия закон на термодинамиката. (Промяна на вътрешната енергия на системата при превключване от една държава към друга, равна на количеството работа на външната якост и количеството на топлопредаване от системата. U \u003d A + Q)

- Може ли газът да бъде топъл или хладен без топлообмен с околната среда? Как се случва това? (С адиабатни процеси.) (Слайд 3)

- Напишете първия закон на термодинамиката в следните случаи: а) топлообмен между тела в калориметър; б) вода за вода върху алкохола; в) нагряване на тялото при натискане. ( но) A \u003d 0., Q \u003d 0, U \u003d 0; b) a \u003d 0, u \u003d q; в) Q \u003d 0, u \u003d a)

- Фигурата показва цикъл, извършен от идеалния газ на определена маса. Картина този цикъл на графиките p (t) и t (p). В кои области на цикъла разпределя топлината и какво - абсорбира?

(В райони 3-4 и 2-3 газът разпределя редица топлина, а в зоните 1-2 и 4-1 от топлина, погълнати от газ.) (Slide 4)

Всички физически явления и закони се прилагат в ежедневието на човек. Вътрешните енергийни запаси в океаните и земната кора могат да се считат за практически неограничени. Но това не е достатъчно тези резерви. Това е необходимо за сметка на енергия да може да управлява устройството, способно да работи. (Слайд 5)

Какъв е източникът на енергия? (Различни видове горива, вятърна енергия, слънце, приливи и пелети)

Има различни видове машини, които приложат в работата си трансформацията на един вид енергия в друга.

Топлинният двигател е устройство, което превръща вътрешната енергия на горивото в механична енергия. (Плъзгач 6)

Помислете за устройството и принципа на термичния двигател. Топлинната машина работи циклично.

Всяка термообразуваща машина се състои от нагревател, работеща течност и хладилник. (Слайд 7)

CPD затворен цикъл (слайд 8)

Q 1 - количеството топлина, получена от отопление Q 1\u003e Q2

Q 2 - количеството топлина се дава на хладилника q2

A / \u003d Q 1 - | q 2 | - Работа, извършена от двигателя на цикъл?< 1.

Clo цикъл carno (слайд 9)

Т1 - температура на отопление.

Т2 - температурата на хладилника.

Всички основни видове модерен транспорт се използват главно термични двигатели. На железопътния транспорт до средата на ХХ век. Основният двигател е парна машина. Сега те използват основно дизелови инсталации и електрически локомотиви. По отношение на водния транспорт се използват и парни двигатели, използвани и двигатели с вътрешно горене и мощни турбини за големи съдове.

Използването на термични двигатели (главно мощни парни турбини) върху топлоелектрически централи, където водят роторите на електрическите текущи генератори в движение. Около 80% от цялата електричество в нашата страна се произвежда на топлоелектрически централи.

На ядрените електроцентрали се монтират и топлинни двигатели (парни турбини). Гозят турбини се използват широко в ракети, в железопътния и автомобилния транспорт.

При превозните средства използвайте бутални двигатели с вътрешно горене с външно образуване на запалима смес (карбураторни двигатели) и двигатели за образуване на горима смес директно вътре в цилиндрите (дизелови двигатели).

В авиацията, буталните двигатели са монтирани на леки самолети и на огромни лайнери - турбупроп и реактивни двигатели, които също принадлежат към термични двигатели. Използват се реактивни двигатели върху космически ракети. (Слайд 10)

(Показване на видео фрази на двигателя TurboJet.)

По-подробно разгледайте работата на двигателя с вътрешно горене. Преглед на видеокамера. (Слайд 11)

Експлоатацията на четири инсулт двигател.
1 такт: вход.
2 часовник: компресия.
3 часовник: работа на работа.
4 такт: освобождаване.
Устройство: цилиндър, бутало, колянов вал, 2 клапана (прием и освобождаване), свещ.
Мъртви точки - крайното положение на буталото.
Сравнете оперативните характеристики на термичните двигатели.

• Парен двигател - 8%
• Парна турбина - 40%
• Газова турбина - 25-30%
• Двигател за вътрешно горене - 18-24%
• Дизелов двигател - 40-4%
• Jet Engine - 25% (слайд 112)

Отоплителни двигатели и опазване на околната среда (слайд 13)

Постоянното увеличение на енергийните съоръжения става все по-разпространение на кодирания огън - води до факта, че количеството на освобождаването на топлината става сравнимо с други компоненти на термичния баланс в атмосферата. Това не може да доведе до увеличаване на средната температура на земята. Увеличаването на температурата може да създаде заплаха за топенето на ледниците и катастрофалното увеличаване на нивото на световния океан. Но това не изчерпва отрицателните ефекти от използването на термични двигатели. Той расте освобождаването в атмосферата на микроскопични частици - сажди, пепел, натрошено гориво, което води до увеличаване на "парниковия ефект" поради увеличаване на концентрацията на въглероден диоксид за дълъг период от време. Това води до увеличаване на температурата на атмосферата.

Излъчваните токсични горивни продукти, продуктите от непълно изгаряне на органично гориво - имат вреден ефект върху флората и фауната. Специална опасност в това отношение е автомобилите, броят на който нараства заплашително и почистването на отработените газове е трудно.

Всичко това поставя редица сериозни проблеми с обществото. (Плъзгач 14)

Необходимо е да се увеличи ефективността на структурите, които възпрепятстват излъчването на вредни вещества в атмосферата; За да се постигне по-пълно изгаряне на гориво в автомобилни двигатели, както и увеличаване на енергийната ефективност, спестявайки го на работа и в ежедневието.

Алтернативни двигатели:

• 1. електрически
• 2. Двигатели, работещи по енергията на слънцето и вятъра (слайд 15)

Начини за решаване на екологични проблеми:

Използвайте алтернативно гориво.

Използвайте алтернативни двигатели.

Възстановяване на околната среда.

Образование за екологична култура. (Слайд 16)

За всичко, трябва да отидете само за една година, за да предадете един държавен изпит. Предлагам ви да решите няколко задачи от частта и демо-физиката за 2009 година. Задача ще намерите на десктопите на компютрите си.

От момента е построен първата парна машина, над 240 години са минали. През това време топлинните машини значително промениха съдържанието на човешкия живот. Това беше използването на тези машини, които позволиха на човечеството да влезе в космоса, разкрива тайните на морските дълбини.

Оценява оценките за работа в урока.

Преди да напуснете класа, моля, попълнете масата.