0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что является рабочим телом теплового двигателя является

Тепловой двигатель

КПД теплового двигателя. Можно привести бесконечное количество примеров существования необратимых процессов в природе. Так камень, падая с некоторой высоты, передает свою потенциальную энергию в теплоту песка, в котором он застревает. Обратное, когда тепло Земли сконцентрируется в энергии камня, а затем превратится в кинетическую энергию камня, который взлетит вверх, невозможно. Можно смешать соль и сахар, насыпанные слоями в кружке, обратно, сколько не трясите кружку, их разделить не удастся. Подобного рода процессы не нарушают первого начала термодинамики.

Отсутствие обратимости ряда термодинамических процессов привело к формулировке второго начала термодинамики, которое указывает на направленность термодинамических процессов. Примером таких процессов могут служить необратимые процессы, которые идут с конечной постоянной скоростью.

В 1865 году формулировка второго начала динамики звучала следующим образом: теплота в естественных условиях переходит от горячего тела к холодному, в то время как от холодного тела к горячему теплота сама по себе не переходит.

Трудно представить, чтобы газ, заполняющий баллон, был выпущен в помещении, а затем он самопроизвольно собрался вновь в баллоне.

Формулировка второго начала термодинамики разрабатывалась в экспериментальных исследованиях тепловых двигателей.

Тепловым двигателем[3] называют устройство, которое переводит теплоту в механическую работу.

Физическая идея, лежащая в основе работы теплового двигателя, заключается в том, что часть тепла, переходящего от горячего тела к холодному можно превратить в механическую работу. Условиями работы любого теплового двигателя являются периодичность процесса, наличие рабочего тела, нагревателя и холодильника. Температуры нагревателя Тн и холодильника Тх называются рабочими температурами теплового двигателя. Рабочим телом парового двигателя называется вещество (как правило, пар или горючие вещества), которое нагревается и затем, охлаждаясь, часть своего тепла превращает в работу. Схема теплового двигателя представлена на рис.7.7. Часть тепла от нагревателя передается рабочему телу и превращается в механическую работу, другая часть возвращается холодильнику.

Рис.7.7. Схема работы теплового двигателя.

Принцип действия обратного устройства – холодильника заключается в обращении стадий работы теплового двигателя. На рис.7.8 видно, что, совершая работу можно отнять часть тепла у холодного тела. Это осуществляется, когда используемый в качестве рабочего тела газ – фреон нагревается в холодильнике.

Рис.7.8. Схема работы холодильника.

Затем он поступает в компрессор, который с помощью мотора выбрасывает его в конденсатор, работающий при комнатной температуре. Там часть тепла передается окружающей среде, а затем разряженный газ вновь попадает в холодильник. В обычном холодильнике газ фреон движется по трубкам внутри холодильника, отбирая из него тепло. Затем тепло передается металлическому радиатору, который охлаждается под действием воздуха. Этот процесс происходит периодически. Если температура в холодильнике стала слишком низкой, то он на некоторое время отключается. Мы хорошо знаем, что со стороны задней стенки холодильника всегда теплее, чем в комнате, где он находится.

Эффективность работы любого двигателя определяется его коэффициентом полезного действия (КПД) η – отношением полезной работы теплового двигателя А к затраченной теплоте Q:

, (7.4.1)

. (7.4.2)

Для повышения КПД двигателя необходимо повышать температуру нагревателя, либо понижать температуру холодильника. Температуру нагревателя ограничивает прочность материалов, из которых построен двигатель, а температура холодильника не может быть ниже температуры окружающей среды. Поскольку, как показал экспериментальный опыт, температура холодильника ТХ не может быть равна абсолютному нулю и всегда больше нуля, то КПД любого двигателя всегда меньше единицы η

Двигатель Карно. Цикл Карно.В начале девятнадцатого века французский ученый Сади Карно (1796-1832) детально изучал работу тепловых двигателей. В 1824 году он предложил идеализированный тип двигателя (рис.7.9) на основе обратимых процессов, объяснив принцип действия всех тепловых двигателей. В двигателе Карно происходят обратимые процессы. Обратимый процесс – это процесс, протекающий очень медленно, который можно рассматривать как переход от одного равновесного состояния к другому (обратимые процессы можно вести в обратном направлении). В реальном двигателе всегда существует трение, хотя его величина может быть очень маленькой. Чтобы в них периодический процесс максимально можно было бы приблизить к обратимому процессу, например, уменьшают трение поршней о цилиндры, совершенствуя масла для двигателей.

Читать еще:  Все двигатели фольксваген гольф тех характеристики

Рис.7.9. Схема работы идеального двигателя.

Работа двигателя Карно описывается теоремой Карно: ни один необратимый двигатель, работающий между термостатами, не может иметь коэффициент полезного действия (КПД) больше, чем обратимый ().

Другое определение теоремы Карно: все обратимые двигатели, работающие между термостатами с одинаковыми температурами термостатов, имеют одинаковый КПД.

Согласно теореме Карно из всех возможных двигателей максимальным КПД будет обладать двигатель, каждый цикл которого представляет собой замкнутый процесс. Он установил, что КПД определяется лишь температурой нагревателя и холодильника:

(7.4.3)

В двигателе Карно используется цикл Карно, который состоит из двух изотерм и двух адиабат (рис.7.10). На каждом из этих участков процесс является обратимым. По теореме Карно для всех обратимых процессов справедливо выражение, которое следует из выражения (7.4.2):

. (7.4.4)

Рис.7.10. Цикл Карно.

Объясним работу цикла Карно на примере парового двигателя. Работу двигателя делят на четыре такта. На верхней изотерме при температуре ТН происходит расширение, например, пара на участке 1-2 и движение поршня парового двигателя. Этот цикл является рабочим, приводящим к движению паровой машины.

Далее, во втором такте работы двигателя, расширяющийся пар в котел с поршнем не поступает (в точке 2 перекрывается связь с окружающей средой). Поэтому происходит расширение пара, как бы по инерции без поступления тепла, по адиабате 2 -3. При этом температура пара снижается до температуры холодильника.

В третьем такте работы двигателя, на участке 3 – 4 пар выпускается наружу в изотермическом процессе (ΔТ=0) при ТХ. При этом уменьшается объем пара под поршнем.

Далее, в четвертом такте, контакт с внешней средой прекращается, и процесс работы двигателя завершается адиабатически (ΔQ=0) на участке 4–1. При этом температура газа вновь возрастает. Аналогичным образом работает и двигатель внутреннего сгорания, где вместо пара используется бензино – воздушная смесь, которая при зажигании о свечу создает высокую температуру, как и пар.

Любой обратимый процесс можно представить в виде последовательности циклов Карно. Выражение (7.4.4) в этом случае представимо в виде:

. (7.4.5)

Для бесконечного числа циклов Карно соотношение (7.4.5) применимо к любому обратимому процессу, и приобретает вид:

(7.4.6)

|следующая лекция ==>
Первое начало термодинамики|Второе начало термодинамики

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Что является рабочим телом теплового двигателя является

Тепловой машиной называется периодический действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне тепла.

Любая тепловая машина работает по принципу кругового (циклического) процесса, т.е. возвращается в исходное состояние (рис. 5.1). Но чтобы при этом была совершена полезная работа, возврат должен быть произведен с наименьшими затратами.

Полезная работа равна разности работ расширения и сжатия, т.е. равна площади, ограниченной замкнутой кривой.

Обязательными частями тепловой машины являются нагреватель (источник энергии), холодильник, рабочее тело (газ, пар).

Читать еще:  Что крепится к маховику двигателя

Зачем холодильник? Так как в тепловой машине реализуется круговой процесс, то вернуться в исходное состояние можно с меньшими затратами, если отдать часть тепла. Или если охладить пар, то его легче сжать, следовательно работа сжатия будет меньше работы расширения. Поэтому в тепловых машинах используется холодильник.


Рис. 5.3

Прямой цикл используется в тепловом двигателе – периодически действующей тепловой машине, совершающей работу за счет полученной извне теплоты. Рассмотрим схему теплового двигателя (рис. 5.3). От термостата с более высокой температурой Т1, называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты Q1, а термостату с более низкой температурой Т2, называемому холодильником, за цикл передается количество теплоты Q2 и совершается работа A:

.(5.2.1)


Рис. 5.4

Доступны следующие дополнительные демонстрации: 1. Гидравлическая машина. 2. Гидростатическое давление.

Тепловой двигатель – принцип действия, примеры, определение и кпд кратко

Тепловые двигатели нашли широчайшее применение в технике в последние 200 лет. Первоначально это были паровые двигатели, потом двигатели внутреннего сгорания. Рассмотрим принципы действия тепловых двигателей.

Превращение внутренней энергии в работу

Согласно законам молекулярно-кинетической теории, тепло представляет собой энергию движения молекул вещества. Нулевая энергия соответствует абсолютному нулю температуры, чем температура выше, тем средняя энергия молекулы выше.

Запасы внутренней тепловой энергии на Земле огромны. Однако, Второе Начало термодинамики налагает жесткое ограничение на их использование. Действительно, если некоторая часть внутренней энергии будет превращена в энергию движения макроскопических тел, то внутренняя энергия уменьшится, уменьшив температуру молекул. Согласно же Второму Началу термодинамики, тепловая энергия молекул без дополнительных усилий может переходить только от более нагретого тела к менее нагретому. Для передачи энергии от менее нагретого тела к более нагретому, требуется совершить дополнительную работу.

Рис. 1. Второе начало термодинамики.

Таким образом, даже располагая большой внутренней энергией в окружающей среде, превратить ее в работу оказывается далеко не всегда возможно. Ведь при этом должно произойти охлаждение окружающей среды без наличия более холодных тел. А этого не может быть.

То есть, превращение внутренней энергии вещества в работу возможно только при наличии «потока тепла», который может быть организован только при наличии двух тел с разной температурой. Такие тела в теории тепловых двигателей называются Нагревателем и Холодильником. Тепло от Нагревателя переходит к Холодильнику, при этом совершается полезная работа.

Рабочее тело теплового двигателя

Для совершения полезной работы необходимо создать движение под действием силы. Такое движение в тепловом двигателе совершается при расширении порции газа, называемого рабочим телом. Во всех тепловых двигателях рабочее тело получает тепло от Нагревателя, затем расширяется, совершая работу. При расширении оно охлаждается и отдает тепло Холодильнику.

Для всех применяемых тепловых двигателей Холодильником является окружающая среда. Нагреватели же зависят от типа двигателя. Для парового двигателя Нагревателем является топка парового котла. Для двигателя внутреннего сгорания (ДВС) Нагревателем является само рабочее тело – горючая газовая смесь.

Рис. 2. Схема теплового двигателя.

КПД теплового двигателя

В любом тепловом двигателе рабочее тело разогревается до некоторой высокой температуры $T_1$, а затем совершает работу, охлаждаясь до температуры $T_2 Что мы узнали?

В тепловом двигателе рабочее тело получает тепло от Нагревателя, расширяется, совершая работу и отдавая тепло Холодильнику. Поскольку на совершение полезной работы идет только часть энергии, полученной от Нагревателя, КПД теплового двигателя всегда меньше единицы.

Принцип действия тепловых двигателей. КПД тепловых двигателей. Значение тепловых двигателей. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Ответ:

Читать еще:  Чем коллекторный двигатель отличается от бесколлекторного

Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через Т1. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле.

В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т1 называют температурой нагревателя.

Роль холодильника. По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т2. Обычно температура Т2 несколько выше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника. Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры атмосферы.

Тепловой двигатель совершает работу за счет внутренней энергии рабочего тела. Причем в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику).

Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке

Рабочее тело двигателя получает при сгорании топлива количество теплоты Q1, совершает работу А’ и передает холодильнику количество теплоты Q2

Максимальное значение КПД тепловых двигателей. Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру T1 и холодильником с температурой Т2. Впервые это сделал французский инженер и ученый Сади Карно (1796—1832) в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824).

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Он получил для КПД этой машины следующее значение:

КПД машины Карно прямо пропорционален разности абсолютных температур нагревателя и холодильника.

Главное значение этой формулы состоит в том, как доказал Карно, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

Формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, = 1.

Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими. Так, для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т1 = 800 К и Т2 = 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно:

или max=62%.

Действительное лее значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40%. Максимальный КПД — около 44% — имеют двигатели Дизеля.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

2. Задача на параллельное соединение проводников:

R1

R2

Через резистор R1= 55 Ом проходит ток I1 = 4A. Определить сопротивление резистора R2 , если через него проходит ток 1 2 = 0,8А.

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.002 с) .

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector