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

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 77.

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 77.

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 $T_2 < T_1$.

Поскольку температура $T_2$ не равна абсолютному нулю, в рабочем теле остается еще некоторая внутрення энергия. Но, получить ее запрещает Второе Начало термодинамики. Эта энергия безвозвратно уходит. Отсюда следует важный вывод: тепловой двигатель имеет ограниченный коэффициент полезного действия (КПД), менее единицы.

В самом деле, Первое Начало термодинамики утверждает, что изменение внутренней энергии системы равно сумме работы внешних сил над системой и количества теплоты, переданной системе. А значит, работа теплового двигателя равна разности энергии, полученной от Нагревателя и отданной Холодильнику:

$$A=Q_н-Q_х$$

Для определения КПД теплового двигателя надо учесть, что КПД равен отношению полезной работы к полученной энергии. Допустим, рассматриваемый двигатель идеален, и потерь на трение нет:

$$\eta = {A \over Q_н} = {Q_н-Q_х \over Q_н}<1$$

Полученная формула идеального теплового двигателя показывает, что его КПД менее единицы даже без потерь на трение, поскольку часть полученной энергии рабочее тело передает Холодильнику.

Простейшим примером теплового двигателя является ночной светильник «Лампа с пузырьками» (лавовая лампа). Несмотря на простоту, в этом светильнике есть все части, необходимые для теплового двигателя – Нагреватель (лампа накаливания или спираль), Холодильник (окружающий воздух), рабочее тело (пузырьки парафина). Движение пузырьков в светильнике продолжается до тех пор, пока существует разница температур Нагревателя и Холодильника.

Рис. 3. Светильник Лавовая лампа.

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.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 77.

---

А какая ваша оценка?

Тепловые двигатели | Физика

Развитие техники во многом зависит от умения как можно более полно использовать те запасы внутренней энергии, которые содержатся в топливе.

Использовать внутреннюю энергию — значит совершить полезную работу, например переместить поршень, поднять груз и т. д.

Проделаем опыт. Нальем в пробирку немного воды, затем плотно закроем ее пробкой и нагреем воду до кипения. Под давлением образовавшегося пара пробка выскочит и поднимется вверх. Сначала в этом опыте энергия топлива перешла во внутреннюю энергию пара. Затем пар, расширяясь, совершил работу — поднял пробку.

Если мы заменим пробирку прочным металлическим цилиндром, а пробку — плотно пригнанным поршнем, способным двигаться внутри цилиндра, то получим простейший тепловой двигатель.

Тепловым двигателем называют устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива.

Существуют разные виды тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, газовая и паровая турбины, реактивный двигатель. В каждом из них энергия топлива сначала переходит в энергию газа (или пара), который затем, расширяясь, совершает работу. В процессе совершения этой работы часть внутренней энергии газа превращается в механическую энергию движущихся частей двигателя.

Совершая работу, тепловой двигатель использует лишь некоторую часть той энергии, которая выделяется при сгорании топлива.

Физическая величина, показывающая, какую долю составляет совершаемая двигателем работа от энергии, полученной при сгорании топлива, называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя.

КПД теплового двигателя находят по формуле

где Q — количество теплоты, полученное в результате сгорания топлива; А — работа, совершаемая двигателем.

В результате того, что А всегда меньше Q, коэффициент полезного действия любою теплового двигателя оказывается меньше 100 %.

Первые тепловые двигатели были построены в конце XVIII в. Это были паровые машины.

Основной частью паровой машины является цилиндр, внутри которого находится поршень. Поршень приводится в движение паром, который поступает из парового котла.

Первая универсальная паровая машина была построена английским изобретателем Джеймсом Уаттом. Начиная с 1768 г. на протяжении многих лет он занимался усовершенствованием ее конструкции. При поддержке крупного промышленника Болтона за десять лет в период с 1775 по 1785 г. фирма Уатта построила 66 паровых машин: из них 22 для медных рудников, 17 для металлургических заводов, 7 для водопроводов, 5 для каменноугольных шахт и 2 для текстильных фабрик. За следующее десятилетие той же фирмой было поставлено уже 144 такие машины.

Изобретение паровой машины сыграло огромную роль в переходе к машинному производству. Недаром на памятнике Уатту написано: «Увеличил власть человека над природой».

1. Приведите примеры превращения внутренней энергии пара в механическую энергию тела. 2. Что называют тепловым двигателем? 3. Назовите виды тепловых двигателей. 4. Что называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя? 5. Кто изобрел паровую машину?

12.4 Применение термодинамики: тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники

Цели обученияТепловые двигатели, тепловые насосы и холодильникиТепловая эффективностьРешение задач тепловой эффективностиПрактические задачиПроверьте свое понимание

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее: а холодильники работают по законам термодинамики

Опишите тепловой КПД

Решение проблем, связанных с тепловой эффективностью

.»>

Ключевые термины

циклический процесс	тепловая машина	тепловой насос
тепловая эффективность

Тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники

В этом разделе мы рассмотрим, как работают тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники с точки зрения законов термодинамики.

Одна из самых важных вещей, которые мы можем делать с теплом, — использовать его для выполнения работы за нас. Тепловая машина делает именно это — она использует свойства термодинамики для преобразования тепла в работу. Бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины, вырабатывающие электроэнергию, — все это примеры тепловых двигателей.

На рис. 12.13 показан один из способов передачи энергии теплом для выполнения работы. Сгорание топлива высвобождает химическую энергию, которая передается через газ в цилиндре. Это увеличивает температуру газа, что, в свою очередь, увеличивает давление газа и, следовательно, силу, которую он оказывает на подвижный поршень. Газ действует на внешний мир, так как эта сила перемещает поршень на некоторое расстояние. Таким образом, передача тепла газу в цилиндре приводит к совершению работы.

Рисунок 12.13 (a) Теплопередача газу в цилиндре увеличивает внутреннюю энергию газа, создавая более высокое давление и температуру. б) Сила, действующая на подвижный цилиндр, совершает работу при расширении газа. Давление и температура газа уменьшаются во время расширения, что указывает на то, что внутренняя энергия газа уменьшилась во время его работы. (c) Теплопередача энергии в окружающую среду еще больше снижает давление в газе, так что поршень может легче вернуться в исходное положение.

Чтобы повторить этот процесс, необходимо вернуть поршень в исходную точку. Тепло теперь передает энергию от газа к окружающей среде, так что давление газа уменьшается, а окружающая среда прикладывает силу, чтобы оттолкнуть поршень назад на некоторое расстояние.

Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла. Все тепловые двигатели используют циклические процессы.

Тепловые двигатели работают, используя часть энергии, переданной теплом от какого-либо источника. Как показано на рис. 12.14, тепло передает энергию QhQh от высокотемпературного объекта (или горячего резервуара), тогда как тепло передает неиспользованную энергию QcQc низкотемпературному объекту (или холодному резервуару), а работа, выполненная двигатель Вт . В физике резервуар определяется как бесконечно большая масса, которая может поглощать или отдавать неограниченное количество тепла в зависимости от потребностей системы. Температура горячего резервуара равна Th,Th, а температура холодного резервуара равна TcTc.

Рис. 12.14 (а) Тепло самопроизвольно передает энергию от горячего объекта к холодному, что согласуется со вторым законом термодинамики. б) Тепловая машина, представленная здесь кружком, использует часть энергии, переданной теплом, для совершения работы. Горячие и холодные объекты называются горячими и холодными резервуарами. Q _h – теплота из горячего резервуара, W – выходная мощность, Q _c – неиспользованное тепло в холодный резервуар.

Как уже отмечалось, циклический процесс возвращает систему в исходное состояние в конце каждого цикла. Внутренняя энергия такой системы, U , одинакова в начале и в конце каждого цикла, то есть ΔU=0ΔU=0 . Первый закон термодинамики утверждает, что ΔU=Q−W, ΔU=Q−W, где Q — это чистая теплопередача во время цикла, а Вт — это чистая работа, выполненная системой. Чистая теплопередача представляет собой энергию, передаваемую теплом из горячего резервуара, за вычетом количества, переданного в холодный резервуар (Q=Qh-QcQ=Qh-Qc). Поскольку внутренняя энергия не изменяется за полный цикл (ΔU=0ΔU=0), мы имеем

12.200=Q-W,0=Q-W,

так что

12.21W=Q.W=Q.

Таким образом, чистая работа, совершаемая системой, равна полезному теплу, поступающему в систему, или

12,22W=Qh-QcW=Qh-Qc

для циклического процесса.

Поскольку горячий резервуар нагревается снаружи, что является энергоемким процессом, важно, чтобы работа выполнялась максимально эффективно. На самом деле мы хотим, чтобы Вт равнялось QhQh, и чтобы в окружающую среду не выделялось тепло (то есть Qc=0Qc=0). К сожалению, это невозможно. Согласно второму закону термодинамики, тепловые двигатели не могут иметь совершенного преобразования теплоты в работу. Напомним, что энтропия — это мера беспорядка в системе, а также то, сколько энергии недоступно для выполнения работы. Второй закон термодинамики требует, чтобы полная энтропия системы либо увеличивалась, либо оставалась постоянной в любом процессе. Следовательно, существует минимальное количество QhQh, которое нельзя использовать для работы. Количество тепла, отводимого в холодный резервуар, Qc,Qc, зависит от эффективности тепловой машины. Чем меньше увеличение энтропии, ΔSΔS, тем меньше значение QcQc и тем больше тепловой энергии доступно для совершения работы.

Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют теплопередачу энергии от низких до высоких температур, что противоположно тому, что делают тепловые двигатели. Тепло переносит энергию QcQc из холодного резервуара и отдает энергию QhQh в горячий. Для этого требуется работа, Вт , которая обеспечивает передачу энергии в виде тепла. Следовательно, общая теплоотдача в горячий резервуар составляет

12.23Qh=Qc+W.Qh=Qc+W.

Целью теплового насоса является передача энергии посредством тепла в теплую среду, например, в дом зимой. Большим преимуществом использования теплового насоса для обогрева вашего дома, а не просто сжигания топлива в камине или печи, является то, что тепловой насос обеспечивает Qh=Qc+WQh=Qc+W. Тепло QcQc поступает из наружного воздуха, даже при минусовой температуре, во внутреннее помещение. Вы платите только за W , и вы получаете дополнительную теплоотдачу QcQc извне без затрат. Во многих случаях в отапливаемое помещение передается как минимум в два раза больше энергии, чем используется для работы теплового насоса. Когда вы сжигаете топливо, чтобы согреться, вы платите за все это. Недостаток теплового насоса заключается в том, что ввод работы (требуемой вторым законом термодинамики) иногда обходится дороже, чем простое сжигание топлива, особенно если работа обеспечивается за счет электроэнергии.

Основные компоненты теплового насоса показаны на рис. 12.15. Используется рабочая жидкость, например хладагент. В наружных змеевиках (испарителях) тепло QcQc поступает в рабочее тело из холодного наружного воздуха, превращая его в газ.

Рис. 12.15 Простой тепловой насос состоит из четырех основных компонентов: (1) испарителя, (2) компрессора, (3) конденсатора и (4) расширительного клапана. В режиме обогрева тепло QcQc отдает рабочему телу в испарителе (1) от более холодного наружного воздуха, превращая его в газ. Компрессор с электрическим приводом (2) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора (3) внутри отапливаемого помещения. Поскольку температура газа выше температуры в помещении, тепло передает энергию от газа в помещение по мере того, как газ конденсируется в жидкость. Затем рабочая жидкость охлаждается, возвращаясь через расширительный клапан (4) к змеевикам наружного испарителя.

Компрессор с электрическим приводом (рабочая мощность Вт ) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора, находящиеся внутри отапливаемого помещения. Поскольку температура газа выше температуры внутри помещения, тепло передает энергию помещению, и газ конденсируется в жидкость. Затем жидкость течет обратно через расширительный (редукционный) клапан. Жидкость, охлажденная за счет расширения, возвращается в змеевики наружного испарителя, чтобы возобновить цикл.

О качестве теплового насоса судят по тому, сколько энергии передается теплом в теплое помещение (QhQh) по сравнению с тем, сколько входной работы ( Вт ) требуется.

Предупреждение о неправильном понимании

Помните, что холодильники и кондиционеры не создают холода. Они просто передают тепло изнутри наружу.

Вернитесь к законам идеального газа, законам термодинамики и энтропии. Используйте их, чтобы понять работу кондиционеров и холодильников. Это также даст вам возможность оценить свое понимание этих концепций. И в холодильниках, и в кондиционерах используются химические вещества, которые могут легко переходить из жидкого состояния в газообразное и обратно. Химикат присутствует в замкнутом контуре трубки. Первоначально он находится в газообразном состоянии. Компрессор работает, чтобы сжать частицы газа химического вещества ближе друг к другу, создавая высокое давление. Согласно закону идеального газа, с увеличением давления растет и температура. Этот горячий плотный газ распространяется по маленьким трубочкам или ребрам конденсатора, расположенного на внешней части кондиционера (и на задней стенке холодильника). Ребра вступают в контакт с наружным воздухом, который холоднее, чем сжатый химикат, и, следовательно, как показывает энтропия, тепло передает энергию от горячего конденсатора относительно более холодному воздуху. В результате газ охлаждается и превращается в жидкость. Затем эту жидкость пропускают к испарителю через крошечное узкое отверстие. По другую сторону отверстия газ растекается (энтропия возрастает), а его давление падает. Следовательно, по закону идеального газа уменьшается и его температура. Вентилятор нагнетает воздух через этот уже остывший испаритель в комнату или холодильник (рис. 12.16).

Рис. 12.16 Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники — это тепловые двигатели, работающие в обратном направлении. Почти в каждом доме есть холодильник. Большинство людей не понимают, что они также делят свои дома с тепловым насосом.

Кондиционеры и холодильники предназначены для охлаждения веществ путем передачи энергии с помощью тепла QcQc из более прохладной среды в более теплую, в которой отдается тепло QhQh. В случае с холодильником тепло перемещается из внутренней части холодильника в окружающее помещение. Для кондиционера тепло передается наружу из дома. Тепловые насосы также часто используются для охлаждения помещений летом.

Как и в случае с тепловыми насосами, для передачи тепла от холодного к горячему требуется затрата работы. О качестве кондиционеров и холодильников судят по тому, сколько энергии удаляется теплом QcQc из холодной среды по сравнению с тем, сколько работы, Вт , требуется. Итак, то, что считается энергетическим преимуществом в тепловом насосе, считается отходящим теплом в холодильнике.

Тепловой КПД

При преобразовании энергии в работу мы всегда сталкиваемся с проблемой того, что получаем меньше, чем вкладываем. Проблема в том, что во всех процессах присутствует некоторое количество теплоты QcQc, передающее энергию в окружающую среду, и обычно очень большое количество тепла. значительная сумма при этом. Одним из способов количественной оценки эффективности работы машины является величина, называемая тепловым КПД.

Мы определяем тепловой КПД, Eff , как отношение выхода полезной энергии к входной энергии (или, другими словами, отношение того, что мы получаем, к тому, что мы тратим). Эффективность тепловой машины равна выходу полезной работы Вт , деленной на переданную двигателю энергию QhQh; это

12.24Eff=WQh.Eff=WQh.

КПД 1, или 100 процентов, был бы возможен только в том случае, если бы не было тепла в окружающую среду (Qc=0Qc=0 ).

Советы по достижению успеха

Все значения тепла (QhQh и QcQc) положительны; нет такой вещи, как отрицательное тепло. Направление тепла указывается знаком плюс или минус. Например, QcQc находится вне системы, поэтому в уравнении полезного тепла ему предшествует знак минус.

12.25Q=Qh-QcQ=Qh-Qc

Решение проблем с тепловой эффективностью

Пример работы

Ежедневная работа угольной электростанции и ее эффективность

Угольная электростанция — это огромная тепловая машина. Он использует тепло для передачи энергии от сжигания угля для выполнения работы по вращению турбин, которые затем используются для выработки электроэнергии. За один день крупная угольная электростанция передает 2,50×1014 Дж2,50×1014 Дж тепла от сжигания угля и отдает 1,48×1014 Дж1,48×1014 Дж тепла в окружающую среду. а) Какую работу совершает электростанция? б) Каков КПД электростанции?

СТРАТЕГИЯ

Мы можем использовать W=Qh-QcW=Qh-Qc, чтобы найти выход работы, W , если на электростанции используется циклический процесс. В этом процессе вода кипятится под давлением с образованием высокотемпературного пара, который используется для запуска паровых турбин-генераторов, а затем конденсируется обратно в воду, чтобы снова запустить цикл.

Решение

Результат работы определяется выражением

12.26W=Qh-Qc.W=Qh-Qc.

Подставив данные значения,

12,27W=2,50×1014Дж−1,48×1014Дж=1,02×1014Дж.

СТРАТЕГИЯ

КПД можно рассчитать с помощью Eff=WQhEff=WQh, поскольку задано QhQh, а работа, W , была рассчитана в первой части этого примера.

Решение

Эффективность определяется выражением

12.28Eff=WQh.Eff=WQh.

Работа, Вт , равна 1,02×1014J1,02×1014Дж, и задано QhQh (2,50×1014J2,50×1014Дж), поэтому эффективность равна

12,29Eff=1,02×1014J2,50× 1014J=0,408 или 40,8%.Eff=1,02×1014J2,50×1014J=0,408 или 40,8%.

Обсуждение

Найденный КПД близок к обычному значению 42% для угольных электростанций. Это означает, что целых 59,2 процента энергии передается в окружающую среду с помощью тепла, что обычно приводит к нагреванию озер, рек или океана вблизи электростанции и в целом связано с потеплением планеты. В то время как законы термодинамики ограничивают эффективность таких установок, включая установки, работающие на ядерном топливе, нефти и природном газе, энергия, передаваемая теплом окружающей среде, может использоваться и иногда используется для обогрева домов или для промышленных процессов.

 

Практические задания

Тепловая машина отдает 120 Дж тепла и отдает 20 Дж тепла в окружающую среду. Каков объем работы, выполняемой системой?

1. −100 Дж
2. −60 Дж
3. 60Дж
4. 100Дж

Тепловая машина получает 6,0 кДж тепла и производит отработанное тепло 4,8 кДж. Какова его эффективность?

1. 25 процентов
2. 2,50 процента
3. 2,00 процента
4. 20 процентов

Проверьте свое понимание

Упражнение 13

Что такое тепловая машина?

1. Тепловая машина преобразует механическую энергию в тепловую.
2. Тепловая машина преобразует тепловую энергию в механическую.
3. Тепловая машина преобразует тепловую энергию в электрическую.
4. Тепловая машина преобразует электрическую энергию в тепловую.

Упражнение 14

Приведите пример тепловой машины.

1. Генератор
2. Аккумулятор
3. Водяной насос
4. Автомобильный двигатель

Упражнение 15

Что такое тепловой КПД?

1. Тепловой КПД – это отношение подводимой работы к подводимой энергии.
2. Термический КПД – это отношение произведенной работы к затраченной энергии.
3. Тепловой КПД – это отношение вложенной работы к выходной энергии.
4. Термический КПД – это отношение объема работы к выходу энергии.

Упражнение 16

Какое математическое выражение дает тепловой КПД?

1. Эфф=QhQh-Qc
2. Эфф=QhQc
3. Эфф=QcQh
4. Эфф=Qh-QcQh

• Печать
• Поделиться

Тепловой двигатель: определение, типы и примеры

Тепловые двигатели окружают вас повсюду. От автомобиля, на котором вы едете, до холодильника, в котором ваша еда охлаждается, до систем отопления и охлаждения вашего дома — все они работают на основе одних и тех же ключевых принципов.

Целью любой тепловой машины является преобразование тепловой энергии в полезную работу, и для этого можно использовать множество различных подходов. Одной из простейших форм теплового двигателя является двигатель Карно, названный в честь французского физика Николя Леонара Сади Карно, построенный вокруг идеализированного четырехступенчатого процесса, который зависит от адиабатических и изотермических стадий.

Но двигатель Карно — это всего лишь один пример теплового двигателя, и многие другие типы достигают той же основной цели. Изучение того, как работают тепловые двигатели и как рассчитать эффективность тепловой машины, важно для всех, кто изучает термодинамику.

Что такое тепловая машина?

Тепловая машина представляет собой термодинамическую систему, преобразующую тепловую энергию в механическую. Хотя под этим общим заголовком подпадает множество различных конструкций, несколько основных компонентов можно найти практически в любой тепловой машине.

Любому тепловому двигателю требуется тепловая ванна или высокотемпературный источник тепла, который может принимать различные формы (например, ядерный реактор является источником тепла на атомной электростанции, но во многих случаях сжигание топлива используется в качестве источника тепла). источник тепла). Кроме того, должен быть низкотемпературный холодный резервуар, а также сам двигатель, который обычно представляет собой газ, расширяющийся при нагревании.

Двигатель поглощает тепло из горячего резервуара и расширяется, и этот процесс расширения воздействует на окружающую среду, обычно облекаясь в пригодную для использования форму поршня. Затем система отдает тепловую энергию обратно в холодный резервуар и возвращается в исходное состояние. Затем процесс циклически повторяется снова и снова, чтобы непрерывно производить полезную работу.

Типы тепловых двигателей

Термодинамические циклы или циклы двигателя — это общий способ описания многих конкретных термодинамических систем, которые работают циклическим образом, характерным для большинства тепловых двигателей. Простейшим примером тепловой машины, работающей по термодинамическим циклам, является двигатель Карно или двигатель, работающий на основе цикла Карно. Это идеализированная форма тепловой машины, в которой участвуют только обратимые процессы, в частности адиабатическое и изотермическое сжатие и расширение.

Все двигатели внутреннего сгорания работают по циклу Отто, который представляет собой другой тип термодинамического цикла, использующий воспламенение топлива для выполнения работы с поршнем. На первом этапе поршень опускается, втягивая в двигатель топливно-воздушную смесь, которая затем адиабатически сжимается на втором этапе и воспламеняется на третьем.

Происходит быстрое повышение температуры и давления, которое воздействует на поршень за счет адиабатического расширения, прежде чем открывается выпускной клапан, что приводит к снижению давления. Наконец, поршень поднимается, чтобы очистить отработавшие газы и завершить цикл двигателя.

Другим типом теплового двигателя является двигатель Стирлинга, который содержит фиксированное количество газа, перемещающегося между двумя разными цилиндрами на разных стадиях процесса. Первый этап включает в себя нагрев газа для повышения температуры и создания высокого давления, которое перемещает поршень для выполнения полезной работы.

Затем поршень снова поднимается и выталкивает газ во второй цилиндр, где он охлаждается в холодном резервуаре перед повторным сжатием. Этот процесс требует меньше работы, чем на предыдущем этапе. Наконец, газ возвращается в исходную камеру, где цикл двигателя Стирлинга повторяется.

 Эффективность тепловых двигателей

Эффективность тепловой машины – это отношение полезной работы, произведенной к подводимой теплу или тепловой энергии. выходная мощность измеряется в джоулях. Это означает, что если бы у вас была идеальная тепловая машина , она имела бы КПД 1 и преобразовывала бы всю тепловую энергию в полезную работу, а если бы ей удалось преобразовать половину ее, КПД был бы 0,5. В базовой форме формулу можно записать:

\text{КПД}= \frac{\text{Работа}}{\text{Тепловая энергия}}

Конечно, тепловая машина не может иметь КПД, равный 1, поскольку второй закон термодинамики диктует что любая закрытая система будет увеличивать энтропию с течением времени. Хотя существует точное математическое определение энтропии, которое вы можете использовать, чтобы понять это, самый простой способ думать об этом состоит в том, что неэффективность, присущая любому процессу, приводит к некоторой потере энергии, обычно в виде отработанного тепла. Например, поршень двигателя, несомненно, будет иметь некоторое трение, противодействующее его движению, а это означает, что система будет терять энергию в процессе преобразования тепла в работу.

Теоретический максимальный КПД тепловой машины называется КПД Карно. Уравнение для этого связывает температуру горячего резервуара T _H и холодного резервуара T _C с эффективностью ( η ) двигателя.

η = 1 — \frac{T_C}{T_H}

Вы можете умножить результат на 100, если хотите выразить ответ в процентах. Важно помнить, что это теоретическое значение 9.Максимум 0057 — маловероятно, что какой-либо реальный двигатель действительно приблизится к эффективности Карно на практике.

Важно отметить, что вы максимизируете эффективность тепловых двигателей, увеличивая разницу температур между горячим и холодным резервуарами. Для автомобильного двигателя T _H – температура газов внутри двигателя при сгорании, а T _C – температура, при которой они выталкиваются из двигателя.

Реальные примеры — паровой двигатель

Паровой двигатель и паровые турбины — два наиболее известных примера теплового двигателя, а изобретение парового двигателя стало важным историческим событием в индустриализации общества. Работа паровой машины очень похожа на другие рассмотренные выше тепловые машины: котел превращает воду в пар, который направляется в цилиндр с поршнем, и под высоким давлением пара приводит в движение цилиндр.

Пар передает часть тепловой энергии цилиндру, охлаждаясь при этом, а затем, когда поршень полностью выдвинут, оставшийся пар выпускается из цилиндра. В этот момент поршень возвращается в исходное положение (иногда пар направляется к другой стороне поршня, чтобы он тоже мог толкнуть его обратно), и термодинамический цикл начинается снова с большим количеством пара.

Эта относительно простая конструкция позволяет производить большое количество полезной работы из всего, что способно кипятить воду. КПД тепловой машины такой конструкции зависит от разницы температур пара и окружающего воздуха. Паровоз использует работу, созданную в результате этого процесса, для вращения колес и движения поезда.

Паровая турбина работает очень похоже, за исключением того, что работа идет на вращение турбины вместо движения поршня. Это особенно полезный способ выработки электроэнергии из-за вращательного движения, создаваемого паром.

Реальные примеры – двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания работает на основе описанного выше цикла Отто, с искровым зажиганием, используемым для бензиновых двигателей, и воспламенением от сжатия, используемым для дизельных двигателей. Основное различие между ними заключается в способе воспламенения топливно-воздушной смеси: топливно-воздушная смесь сжимается, а затем физически воспламеняется в бензиновых двигателях, а топливо впрыскивается в сжатый воздух в дизельных двигателях, вызывая его воспламенение от температуры. .

Помимо этого, остальная часть цикла Отто завершается, как описано ранее: топливо всасывается в двигатель (или просто воздух для дизеля), сжимается, воспламеняется (искрой для топлива и распылением топлива в горячий сжатый воздух) для дизеля), который совершает полезную работу над поршнем за счет адиабатического расширения, а затем открывается выпускной клапан, чтобы уменьшить давление, и поршень выталкивает использованный газ.

Реальные примеры – тепловые насосы, кондиционеры и холодильники

Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники тоже работают в форме теплового цикла, хотя у них другая цель — использовать работу для перемещения тепловой энергии, а не наоборот. Например, в цикле нагрева теплового насоса хладагент поглощает тепло из наружного воздуха из-за его более низкой температуры (поскольку тепло всегда течет от горячего к холодному), а затем проталкивается через компрессор для повышения его температуры. давление и, следовательно, его температура.

Затем этот более горячий воздух перемещается в конденсатор рядом с обогреваемым помещением, где тот же процесс передает тепло в помещение. Наконец, хладагент проходит через клапан, который снижает давление и, следовательно, температуру, готовый к следующему циклу нагрева.

В цикле охлаждения (например, в кондиционере или холодильнике) процесс протекает в обратном порядке. Хладагент поглощает тепловую энергию из помещения (или внутри холодильника), потому что он хранится при низкой температуре, а затем проталкивается через компрессор для повышения давления и температуры.

В этот момент он перемещается за пределы комнаты (или к задней части холодильника), где тепловая энергия передается более прохладному наружному воздуху (или окружающему помещению). Затем хладагент направляется через клапан, чтобы понизить давление и температуру, считывая для следующего цикла нагрева.

Поскольку цель этих процессов противоположна примерам с двигателями, выражение для эффективности теплового насоса или холодильника также отличается. Хотя по форме это вполне предсказуемо. Для отопления:

η = \frac{Q_H}{W_{in}}

И для охлаждения:

η = \frac{Q_C}{W_{in}}

Где ​ Q термины относятся к теплу энергия, поступающая в помещение (с индексом H) и выводимая из него (с индексом C), а ​ Вт ​ _в – это работа, вводимая в систему в виде электричества. Опять же, это значение представляет собой безразмерное число от 0 до 1, но вы можете умножить результат на 100, чтобы получить процент, если хотите.

Пример из реальной жизни – электростанции или электростанции

Электростанции или электростанции на самом деле являются просто еще одной формой теплового двигателя, вырабатывают ли они тепло с помощью ядерного реактора или путем сжигания топлива.