Тепловий двигун (машина) - це пристрій, що перетворює внутрішню енергію палива в механічну роботу, обмінюючись теплотою з навколишніми тілами. Більшість сучасних автомобільних, літакових, суднових і ракетних двигунівсконструйовані на принципах роботи теплового двигуна. Робота проводиться за рахунок зміни обсягу робочої речовини, а для характеристики ефективності роботи будь-якого типу двигуна використовується величина, яка називається коефіцієнтом корисної дії (ККД).
Як влаштований теплової двигун
З точки зору термодинаміки (розділ фізики, що вивчає закономірності взаємних перетворень внутрішньої і механічної енергій і передачі енергії від одного тіла іншому) будь-якої теплової двигун складається з нагрівача, холодильника і робочого тіла.
Мал. 1. Структурна схема роботи теплового двигуна :.
Перша згадка про прототип теплової машини відноситься до паровій турбіні, яка була винайдена ще в стародавньому Римі (II століття до н.е.). Правда, винахід не знайшло тоді широкого застосування через відсутність в той час багатьох допоміжних деталей. Наприклад, тоді ще не був придуманий такий ключовий елемент для роботи будь-якого механізму, як підшипник.
Загальна схема роботи будь-якої теплової машини виглядає так:
- Нагрівач має температуру T 1 досить високу, щоб передати велику кількість теплоти Q 1. У більшості теплових машин нагрівання виходить при згорянні паливної суміші (паливо-кисень);
- Робоче тіло (пар або газ) двигуна робить корисну роботу А,наприклад, переміщають поршень або обертають турбіну;
- Холодильник поглинає частину енергії від робочого тіла. Температура холодильника Т 2< Т 1 . То есть, на совершение работы идет только часть теплоты Q 1 .
Теплова машина (двигун) повинен працювати безперервно, тому робоче тіло повинне повернутися в початковий стан, щоб його температура стала дорівнює T 1. Для безперервності процесу робота машини повинна відбуватися циклічно, періодично повторюючись. Щоб створити механізм циклічності - повернути робоче тіло (газ) в початковий стан - потрібен холодильник, щоб охолодити газ в процесі стиснення. Холодильником може служити атмосфера (для двигунів внутрішнього згоряння) Або холодна вода (для парових турбін).
Чому дорівнює ККД теплового двигуна
Для визначення ефективності теплових двигунів французький інженер-механік Сади Карно в 1824г. ввів поняття ККД теплового двигуна. Для позначення ККД використовується грецька буква η. Величина η обчислюється за допомогою формули ККД теплового двигуна:
$$ η = (А \ over Q1) $$
Оскільки $ А = Q1 - Q2 $, тоді
$ Η = (1 - Q2 \ over Q1) $
Оскільки у всіх двигунів частина тепла віддається холодильника, то завжди η< 1 (меньше 100 процентов).
Максимально можливий ККД ідеального теплового двигуна
В якості ідеальної теплової машини Саді Карно запропонував машину з ідеальним газом як робоче тіло. Ідеальна модель Карно працює по циклу (цикл Карно), що складається з двох ізотерм і двох адіабати.
Мал. 2. Цикл Карно :.
Нагадаємо:
- адіабатичний процес- це термодинамічний процес, який відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем (Q = 0);
- ізотермічний процес- це термодинамічний процес, що відбувається при постійній температурі. Так як у ідеального газу внутрішня енергія залежить тільки від температури, то передане газу кількість тепла Qйде повністю на здійснення роботи A (Q = A) .
Сади Карно довів, що максимально можливий ККД, який може бути досягнутий ідеальним тепловим двигуном, визначається за допомогою наступної формули:
$$ ηmax = 1 (T2 \ over T1) $$
Формула Карно дозволяє обчислити максимально можливий ККД теплового двигуна. Чим більше різниця між температурами нагрівача і холодильника, тим більше ККД.
Які реальні ККД у різних типів двигунів
З наведених прикладів видно, що найбільші значення ККД (40-50%) мають двигуни внутрішнього згоряння (в дизельному варіанті виконання) і реактивні двигуни на рідкому паливі.
Мал. 3. ККД реальних теплових двигунів :.
Що ми дізналися?
Отже, ми дізналися що таке ККД двигуна. Величина ККД будь-якого теплового двигуна завжди менше 100 відсотків. Чим більше різниця температур нагрівача T 1 і холодильника Т 2, тим більше ККД.
Тест по темі
оцінка доповіді
Середня оцінка: 4.2. Всього отримано оцінок: 293.
У теоретичній моделі теплового двигуна розглядаються три тіла: нагрівач, робоче тілоі холодильник.
Нагрівач - тепловий резервуар (велике тіло), температура якого постійна.
У кожному циклі роботи двигуна робоче тіло отримує деяку кількість теплоти від нагрівача, розширюється і здійснює механічну роботу. Передача частини енергії, отриманої від нагрівача, холодильника необхідна для повернення робочого тіла в початковий стан.
Так як в моделі передбачається, що температура нагрівача і холодильника не змінюється в ході роботи теплового двигуна, то при завершенні циклу: нагрівання-розширення-охолодження-стиснення робочого тіла вважається, що машина повертається в початковий стан.
Для кожного циклу на підставі першого закону термодинаміки можна записати, що кількість теплоти Qнагр, отримана від нагрівача, кількість теплоти | Qхол |, віддане холодильника, і досконала робочим тілом робота Апов'язані між собою співвідношенням:
A = Qнагр - | Qхол |.
У реальних технічних пристроях, Які називаються тепловими машинами, робоче тіло нагрівається за рахунок тепла, що виділяється при згорянні палива. Так, в паровій турбіні електростанції нагрівачем є топка з гарячим вугіллям. У двигуні внутрішнього згоряння (ДВЗ) продукти згоряння можна вважати нагрівачем, а надлишок повітря - робочим тілом. Як холодильника в них використовується повітря атмосфери або вода природних джерел.
ККД теплового двигуна (машини)
Коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна (ККД)називається відношення роботи, яку здійснюють двигуном, до кількості теплоти, отриманого від нагрівача:
Коефіцієнт корисної дії будь-якого теплового двигуна менше одиниці і виражається у відсотках. Неможливість перетворення усієї кількості теплоти, отриманого від нагрівача, в механічну роботу є платою за необхідність організації циклічного процесу і випливає з другого закону термодинаміки.
У реальних теплових двигунах ККД визначають по експериментальній механічної потужності Nдвигуна і спалює за одиницю часу кількості палива. Так, якщо за час tспалено паливо масою mі питомою теплотою згоряння q, то
для транспортних засобівдовідкової характеристикою часто є обсяг Vпалива, що спалюється на шляху sпри механічної потужності двигуна Nі при швидкості. У цьому випадку, з огляду на щільність r палива, можна записати формулу для розрахунку ККД:
Другий закон термодинаміки
Існує кілька формулювань другого закону термодинаміки. Одна з них свідчить, що неможливий теплової двигун, який здійснював би роботу тільки за рахунок джерела теплоти, тобто без холодильника. Світовий океан міг би служити для нього, практично, невичерпним джерелом внутрішньої енергії (Вільгельм Оствальд, 1901).
Інші формулювання другого закону термодинаміки еквівалентні даній.
формулювання Клаузіуса(1850): неможливий процес, при якому тепло мимовільно переходило б від тел менш нагрітих до тіл більш нагрітих.
формулювання Томсона(1851): неможливий круговий процес, єдиним результатом якого було б виробництво роботи за рахунок зменшення внутрішньої енергії теплового резервуара.
формулювання Клаузіуса(1865): все мимовільні процеси в замкнутій нерівноважної системі відбуваються в такому напрямку, при якому ентропія системи зростає; в стані теплової рівноваги вона максимальна і постійна.
формулювання Больцмана(1 877): замкнута система багатьох частинок мимоволі переходить з більш упорядкованого стану в менш впорядковане. Неможливий мимовільний вихід системи з положення рівноваги. Больцман ввів кількісну міру безладу в системі, що складається з багатьох тіл - ентропію.
ККД теплового двигуна з ідеальним газом як робоче тіло
Якщо задана модель робочого тіла в тепловому двигуні (наприклад, ідеальний газ), то можна розрахувати зміна термодинамічних параметрів робочого тіла в ході розширення і стиснення. Це дозволяє обчислити ККД теплового двигуна на підставі законів термодинаміки.
На малюнку показані цикли, для яких можна розрахувати ККД, якщо робочим тілом є ідеальний газ і задані параметри в точках переходу одного термодинамічної процесу в інший.
|
|
Ізобарно-ізохорний |
|
Ізохорно-Адіабатний |
|
Ізобарно-Адіабатний |
|
Ізобарно-ізохорно-ізотермічний |
|
|
Ізобарно-ізохорно-лінійний |
Цикл Карно. ККД ідеального теплового двигуна
Найбільшим ККД при заданих температурах нагрівача Tнагр і холодильника Tхол володіє теплової двигун, де робоче тіло розширюється і стискається по циклу Карно(Рис. 2), графік якого складається з двох ізотерм (2-3 і 4-1) і двох адіабати (3-4 і 1-2).
теорема Карнодоводить, що ККД такого двигуна не залежить від використовуваного робочого тіла, тому його можна обчислити, використовуючи співвідношення термодинаміки для ідеального газу:
Екологічні наслідки роботи теплових двигунів
Інтенсивне використання теплових машин на транспорті і в енергетиці (теплові та атомні електростанції) відчутно впливає на біосферу Землі. Хоча про механізми впливу життєдіяльності людини на клімат Землі йдуть наукові суперечки, багато вчених відзначають чинники, завдяки яким може відбуватися такий вплив:
- Парниковий ефект - підвищення концентрації вуглекислого газу (продукт згоряння в нагрівачах теплових машин) в атмосфері. Вуглекислий газ пропускає видиме і ультрафіолетове випромінювання Сонця, але поглинає інфрачервоне випромінювання, що йде в космос від Землі. Це призводить до підвищення температури нижніх шарів атмосфери, посилення ураганних вітрів і глобальному танення льодів.
- Прямий вплив отруйних вихлопних газів на живу природу (канцерогени, зміг, кислотні дощі від побічних продуктів згоряння).
- Руйнування озонового шару при польотах літаків і запусках ракет. Озон верхніх шарів атмосфери захищає все живе на Землі від надмірного ультрафіолетового випромінювання Сонця.
Вихід з створюється екологічної кризи лежить в підвищенні ККД теплових двигунів (ККД сучасних теплових машин рідко перевищує 30%); використанні справних двигунів і нейтралізаторів шкідливих вихлопних газів; використанні альтернативних джерел енергії ( сонячні батареїта обігрівачі) і альтернативних засобів транспорту (велосипеди та ін.).
Двигун, в якому відбувається перетворення внутрішньої енергії палива, яке згоряє, в механічну роботу.
Будь теплової двигун складається з трьох основних частин: нагрівача, робочого тіла(Газ, рідина та ін.) І холодильника. В основі роботи двигуна лежить циклічний процес (це процес, в результаті якого система повертається в початковий стан).
Прямий цикл теплового двигуна
Загальна властивість всіх циклічних (або кругових) процесів полягає в тому, що їх неможливо провести, приводячи робоче тіло в тепловий контакт тільки з одним тепловим резервуаром. Їх потрібно, принаймні, два. Тепловий резервуар з більш високою температуроюназивають нагрівачем, а з більш низькою - холодильником. Здійснюючи круговий процес, робоче тіло отримує від нагрівача деяку кількість теплоти Q 1 (відбувається розширення) і віддає холодильнику кількість теплоти Q 2, коли повертається в початковий стан і стискається. Загальна кількість теплоти Q = Q 1 -Q 2, отримане робочим тілом за цикл, дорівнює роботі, яку виконує робоче тіло за один цикл.
Зворотний цикл холодильної машини
При зворотному циклі розширення відбувається при меншому тиску, а стиснення - при більшому. Тому робота стиснення більше, ніж робота розширення, роботу виконує не робоче тіло, а зовнішні сили. Ця робота перетворюється в теплоту. Таким чином, в холодильній машиніробоче тіло забирає від холодильника деяку кількість теплоти Q 1 і передає нагревателю більшу кількість теплоти Q 2.
Коефіцієнт корисної дії
Прямий цикл:
Показник ефективності холодильної машини:
цикл Карно
У теплових двигунах прагнуть досягти найбільш повного перетворення теплової енергії в механічну. Максимальна ККД.
На малюнку зображені цикли, які використовуються в бензиновому карбюраторному двигуні і в дизельному двигуні. В обох випадках робочим тілом є суміш парів бензину або дизельного паливаз повітрям. цикл карбюраторного двигунавнутрішнього згоряння складається з двох изохор (1-2, 3-4) і двох адіабати (2-3, 4-1). Дизельний двигун внутрішнього згоряння працює по циклу, що складається з двох адіабати (1-2, 3-4), однієї ізобари (2-3) і однієї ізохорами (4-1). Реальний коефіцієнт корисної дії у карбюраторного двигуна близько 30%, у дизельного двигуна- порядку 40%.
Французький фізик С.Карно розробив роботу ідеального теплового двигуна. Робочу частину двигуна Карно можна уявити собі у вигляді поршня в заповненому газом циліндрі. Оскільки двигун Карно - машина чисто теоретична, тобто ідеальна, Сили тертя між поршнем і циліндром і теплові втрати вважаються рівними нулю. Механічна робота максимальна, якщо робоче тіло виконує цикл, що складається з двох ізотерм і двох адіабати. Цей цикл називають циклом Карно.
ділянку 1-2: газ отримує від нагрівача кількість теплоти Q 1 і ізотермічні розширюється при температурі T 1
ділянку 2-3: газ адіабатично розширюється, температура знижується до температури холодильника T 2
ділянку 3-4: газ екзотермічно стискається, при цьому він віддає холодильнику кількість теплоти Q 2
ділянку 4-1: газ стискається адіабатично до тих пір, поки його температура не підвищиться до T 1.
Робота, яку виконує робоче тіло - площа отриманої фігури 1234.
Функціонує такий двигун наступним чином:
1. Спочатку циліндр вступає в контакт з гарячим резервуаром, і ідеальний газ розширюється при постійній температурі. На цій фазі газ отримує від гарячого резервуара певну кількість тепла.
2. Потім циліндр оточується ідеальної теплоізоляцією, за рахунок чого кількість тепла, яка є в газу, зберігається, і газ продовжує розширюватися, поки його температура не впаде до температури холодного теплового резервуара.
3. На третій фазі теплоізоляція знімається, і газ в циліндрі, будучи в контакті з холодним резервуаром, стискається, віддаючи при цьому частина тепла холодного резервуару.
4. Коли стиск досягає певної точки, циліндр знову оточується теплоізоляцією, і газ стискається за рахунок підняття поршня до тих пір, поки його температура не зрівняється з температурою гарячого резервуара. Після цього теплоізоляція віддаляється і цикл повторюється знову з першої фази.
Щоб двигун робив роботу, необхідна різниця тисків по обидві сторони поршня двигуна або лопатей турбіни. У всіх теплових двигунах ця різниця тисків досягається за рахунок підвищення температури робочого тіла на сотні градусів у порівнянні з температурою навколишнього середовища. Таке підвищення температури відбувається при згорянні палива.
Робочим тілом у всіх теплових двигунів є газ (див. § 3.11), який здійснює роботу при розширенні. Позначимо початкову температуру робочого тіла (газу) через Т 1 . Цю температуру в парових турбінах або машинах набуває пар в паровому котлі. У двигунах внутрішнього згоряння і газових турбінах підвищення температури відбувається при згорянні палива усередині самого двигуна. температуру Т 1 називають температурою нагрівача.
роль холодильника
У міру здійснення роботи газ втрачає енергію і неминуче охолоджується до деякої температури Т 2 . Ця температура не може бути нижче температури довкілля, Так як в противному випадку тиск газу стане менше атмосферного і двигун не зможе працювати. зазвичай температура Т 2 трохи більше температури навколишнього середовища. Її називають температурою холодильника. Холодильником є атмосфера або спеціальні пристрої для охолодження і конденсації відпрацьованої пари - конденсатори. В останньому випадку температура холодильника може бути трохи нижче температури атмосфери.
Таким чином, в двигуні робоче тіло при розширенні не може віддати всю свою внутрішню енергію на здійснення роботи. Частина енергії неминуче передається атмосфері (холодильнику) разом з відпрацьованою парою або вихлопними газами двигунів внутрішнього згоряння і газових турбін. Ця частина внутрішньої енергії безповоротно втрачається. Саме про це і говорить другий закон термодинаміки у формулюванні Кельвіна.
Принципова схема теплового двигуна зображена на малюнку 5.15. Робоче тіло двигуна отримує при згорянні палива кількість теплоти Q 1 , здійснює роботу А "і передає холодильнику кількість теплоти | Q 2 | <| Q 1 |.
Ккд теплового двигуна
Відповідно до закону збереження енергії робота, що здійснюються двигуном, дорівнює
(5.11.1)
де Q 1 - кількість теплоти, отримана від нагрівача, a Q 2 - кількість теплоти, віддане холодильника.
Коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна називають відношення роботи А ",яку здійснюють двигуном, до кількості теплоти, отриманого від нагрівача:
(5.11.2)
У парової турбіни нагрівачем є паровий котел, а у двигунів внутрішнього згоряння - самі продукти згоряння палива.
Так як у всіх двигунів деяку кількість теплоти передається холодильника, то η< 1.
Застосування теплових двигунів
Найбільше значення має використання теплових двигунів (в основному потужних парових турбін) на теплових електростанціях, де вони надають руху ротори генераторів електричного струму. Близько 80% всієї електроенергії в нашій країні виробляється на теплових електростанціях.
Теплові двигуни (парові турбіни) встановлюють також на атомних електростанціях. На цих станціях для отримання пари високої температури використовується енергія атомних ядер.
На всіх основних видах сучасного транспорту переважно використовуються теплові двигуни. На автомобілях застосовують поршневі двигуни внутрішнього згоряння із зовнішнім утворенням горючої суміші (карбюраторні двигуни) і двигуни з утворенням горючої суміші безпосередньо всередині циліндрів (дизелі). Ці ж двигуни встановлюються на тракторах.
На залізничному транспорті до середини XX в. основним двигуном була парова машина. Тепер же головним чином використовують тепловози з дизельними установками і електровози. Але і електровози отримують енергію від теплових двигунів електростанцій.
На водному транспорті використовуються як двигуни внутрішнього згоряння, так і потужні турбіни для великих суден.
В авіації на легких літаках встановлюють поршневі двигуни, а на величезних лайнерах - турбогвинтові та реактивні двигуни, які також відносяться до теплових двигунів. Реактивні двигуни застосовуються і на космічних ракетах.
Без теплових двигунів сучасна цивілізація немислима. Ми не мали б дешеву електроенергію і були б позбавлені всіх видів сучасного швидкісного транспорту.
Тепловим називається двигун, який виконує роботу за рахунок джерела теплової енергії.
Теплова енергія ( Q нагрівача) Від джерела передається двигуну, при цьому частина отриманої енергії двигун витрачає на виконання роботи W, Невитрачених енергія ( Q холодильника) Відправляється в холодильник, роль якого може виконувати, наприклад навколишнє повітря. Тепловий двигун може працювати тільки в тому випадку, якщо температура холодильника менше температури нагрівача.
Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигуна можна розрахувати за формулою: ККД = W / Q нг.
ККД = 1 (100%) в тому випадку, якщо вся теплова енергія перетворюється в роботу. ККД = 0 (0%) в тому випадку, якщо жодна теплова енергія не перетворюється в роботу.
ККД реального теплового двигуна лежить в проміжку від 0 до 1, чим вище ККД, тим ефективніше двигун.
Q х / Q нг = T х / T нг ККД = 1 (Q х / Q нг) ККД = 1 (T х / T нг)
З огляду на третій початок термодинаміки, яке свідчить, що температуру абсолютного нуля (Т = 0ДО) досягти неможливо, можна сказати, що неможливо розробити тепловий двигун з ККД = 1, оскільки завжди T х> 0.
ККД теплового двигуна буде тим більше, чим вище температура нагрівача, і нижче температура холодильника.