Работа газа и пара при расширении. Тепловые двигатели
Материалы к уроку
Конспект урока
Мы уже знаем, что внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: посредством теплопередачи (т.е. без совершения работы) и посредством совершения работы.
Пар или газ при расширении могут совершить механическую работу.Именно это и интересовало ученых и изобретателей в середине восемнадцатого века, когда возникла необходимость в создании тепловых двигателей, которые могли бы заменить лошадей, не справляющихся с работой по подъему руды и рабочих из шахт.Первую паровую машину в России построил в 1765 году Иван Иванович Ползунов. Она работала какое-то время на Алтае. Машина Ползунова поднимала руду и шахтеров из шахты, но вскоре (после смерти Ползунова) подносившийся механизм никто не мог отремонтировать, и машина перестала работать.
Через 12 лет в Англии Джеймс Уатт построил более совершенную паровую машину с центробежным регулятором и запатентовал ее. С тех пор изобретателем паровой машины считается Уатт, а о Ползунове забыли. В честь Уатта единица мощности называется Ватт. Паровая машина была использована при строительстве паровоза ( в России – отец и сын Черепановы, в Англии – Стефенсон). Позже паровая машина была установлена на пароходах. Широкое применение тепловых двигателей стало возможным благодаря открытиям ученых и изобретениям инженеров. Среди ученых следует особо отметить французского ученого Сади Карно, который написал работу «Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». В тепловых двигателях химическая энергия топлива преобразуется в механическую энергию. Происходит это в два этапа.
Через 12 лет в Англии Джеймс Уатт построил более совершенную паровую машину с центробежным регулятором и запатентовал ее. С тех пор изобретателем паровой машины считается Уатт, а о Ползунове забыли. В честь Уатта единица мощности называется Ватт. Паровая машина была использована при строительстве паровоза ( в России – отец и сын Черепановы, в Англии – Стефенсон). Позже паровая машина была установлена на пароходах. Широкое применение тепловых двигателей стало возможным благодаря открытиям ученых и изобретениям инженеров. Среди ученых следует особо отметить французского ученого Сади Карно, который написал работу «Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». В тепловых двигателях химическая энергия топлива преобразуется в механическую энергию. Происходит это в два этапа.
1) При сгорании топлива химическая энергия (потенциальная энергия взаимодействия атомов) преобразуется в кинетическую энергию хаотического движения молекул. При этом нагревается некоторая масса газа, которая называется рабочим телом.
2) Газ (рабочее тело) расширяется, совершая работу (двигая поршень). При этом газ охлаждается: кинетическая энергия хаотического движения молекул преобразуется в механическую энергию.
Действие теплового двигателя имеет циклический характер: после того, как рабочее тело расширилось, совершив работу, его необходимо сжать до прежнего объема, чтобы оно могло совершить работу в следующем цикле.
Из каких же элементов состоит тепловой двигатель?
Для того, чтобы тепловой двигатель совершал полезную работу, необходимо периодически нагревать и охлаждать рабочее тело, то есть периодически передавать рабочему телу и отбирать у него некоторое количество теплоты, как меру измерения изменения внутренней энергии газа.
Поэтому, тепловой двигатель должен состоять из трех элементов:
-
рабочее тело – обычный газ;
-
нагреватель, имеющий температуру Т1, в контакте с которым рабочему телу сообщается количество теплоты Q1;
-
холодильник, имеющий температуру Т2
Нагревателем является сжигаемое топливо, холодильником – чаще всего окружающий воздух или вода водоемов.
Конечно, полезная работа всегда меньше затраченной работы. Поэтому эффективность теплового двигателя оценивается по коэффициенту полезного действия (КПД).
Коэффициентом полезного действия (греческая буква «эта») теплового двигателя называют выраженное в процентах отношение полезной работы А(п), совершенной двигателем, к количеству теплоты Q1, полученному от нагревателя. ( и записывается формула).
Учитывая, что полезная работа равна разности количества теплоты получаемого от нагревателя и количеством теплоты отданным холодильнику А(п)=Q1-Q2, можем записать так:
«эта»= частному разности количества теплоты получаемого от нагревателя и количеством теплоты отданным холодильнику и количества теплоты получаемого от нагревателя, умноженному на 100%.
«эта»= ((Q1-Q2/Q1))*100%
Сади Карно, создав «идеальную» тепловую машину, не учитывающую потерь на трение, определил максимальное значение КПД теплового двигателя, выраженного только через абсолютные температуры нагревателя и холодильника.
«эта»(ид)=(Т1-Т2/Т1)*100%
Карно в своей работе доказал, что КПД реального теплового двигателя всегда меньше КПД идеального. Из формулы идеального КПД видно, что для повышения КПД теплового двигателя нужно уменьшить отношение Т2/Т1. Этого можно достичь двумя способами: либо понижая температуру холодильника, либо повышая температуру нагревателя. Но температура холодильника Т2не может быть ниже температуры окружающего воздуха, поэтому можно только увеличивать температуру нагревателя Т1. Но и здесь есть ограничения: температура нагревателя должна быть ниже температуры плавления металла, из которого сделан нагреватель и двигатель в целом. Идеальный двигатель внутреннего сгорания имел бы КПД около 70%, но реальный – не превышает 30%. Дизельные двигатели имеют около 40% КПД. Исследуя КПД идеальной тепловой машины Карно, мы видим: при Т2=0, мы имели бы 100% КПД теплового двигателя. Т.е. нужно было бы в качестве холодильника использовать космическое пространство с температурой - «абсолютный нуль», который не достижим. Значит, нельзя построить тепловую машину со 100% КПД (невозможно построить «вечный двигатель» II рода).
Мы рассмотрели, что в основе теплового двигателя лежит работа пара или газа (горючей смеси). За 20 с лишним лет тепловые двигатели совершили много полезной работы. Но в настоящее время отработанные газы (содержащие вредные вещества) создали в мире такую обстановку, что рассматривается вопрос в мировом масштабе: охрана окружающей среды, в том числе и земной атмосферы, которая необходима для всего человечества для поддержания здорового образа жизни.
Остались вопросы по теме? Наши педагоги готовы помочь!
Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
Повысим успеваемость по школьным предметам
Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ